Faktoja uraanista

Uraani (Image credit: Andrei Marincas )

• Atominumero (protonien lukumäärä ytimessä): 92
• Atomin symboli (alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä): U
• Atomipaino (atomin keskimääräinen massa): 238,02891
• Tiheys: 18,95 grammaa kuutiosenttimetriä kohti
• Faasi huoneenlämmössä:
• Sulamispiste: 2 075 astetta Fahrenheitia (1 135 astetta Celsiusta)
• Kiehumispiste: 7 468 F (4 131 C)
• Isotooppien lukumäärä (saman alkuaineen atomeja, joilla on eri määrä neutroneita): 16, 3 luonnossa esiintyvää
• Yleisimmät isotoopit:

Uraanin historia

Martin Heinrich Klaproth, saksalainen kemisti, löysi uraanin vuonna 1789, vaikka se oli tunnettu ainakin vuodesta A lähtien.79 jKr. lähtien, jolloin uraanioksidia käytettiin Chemicoolin mukaan keraamisten lasitteiden ja lasin väriaineena. Klaproth löysi alkuaineen pitchblende-mineraalista, jota tuolloin pidettiin sinkki- ja rautamalmina. Mineraali liuotettiin typpihappoon, minkä jälkeen jäljelle jääneeseen keltaiseen sakkaan lisättiin kaliumia (kaliumsuoloja). Klaproth päätteli löytäneensä uuden alkuaineen, kun potaskan ja sakan välinen reaktio ei noudattanut mitään tunnettujen alkuaineiden reaktioita. Hänen löytönsä osoittautui uraanioksidiksi eikä puhtaaksi uraaniksi, kuten hän oli alun perin uskonut.

Los Alamosin kansallisen laboratorion mukaan Klaproth nimesi uuden alkuaineen hiljattain löydetyn Uranus-planeetan mukaan, joka oli nimetty kreikkalaisen taivaanjumalan mukaan. Ranskalainen kemisti Eugène-Melchior Péligot eristi puhtaan uraanin vuonna 1841 kuumentamalla uraanitetrakloridia kaliumin kanssa.

Uraanin havaitsi radioaktiiviseksi vuonna 1896 ranskalainen fyysikko Antoine H. Becquerel. Becquerel oli jättänyt uraaninäytteen valottamattoman valokuvauslevyn päälle, joka samentui. Royal Society of Chemistryn mukaan hän päätteli, että se säteili näkymättömiä säteitä. Tämä oli ensimmäinen tapaus, jossa radioaktiivisuutta oli tutkittu, ja se avasi uuden tieteenalan. Puolalainen tiedemies Marie Curie keksi termin radioaktiivisuus pian Becquerelin löydön jälkeen ja jatkoi ranskalaisen tiedemiehen Pierre Curien kanssa tutkimusta muiden radioaktiivisten alkuaineiden, kuten poloniumin ja radiumin, ja niiden ominaisuuksien löytämiseksi.

Valta ja sota

Maailmankaikkeuden uraani muodostui Maailman ydinvoimayhdistyksen (World Nuclear Association) mukaan 6,6 miljardia vuotta sitten supernovassa. Sitä on kaikkialla maapallolla, ja sitä on noin 2-4 miljoonasosaa useimmissa kivilajeissa. Yhdysvaltain energiaministeriön mukaan se on 48:nneksi runsaimpien alkuaineiden joukossa, joita esiintyy luonnollisissa rapakivissä, ja se on 40 kertaa runsaampi kuin hopea.

Uraani yhdistetään voimakkaasti radioaktiivisuuteen, mutta sen hajoamisnopeus on niin alhainen, että tämä alkuaine ei itse asiassa kuulu radioaktiivisempien alkuaineiden joukkoon. Uraani-238:n puoliintumisaika on uskomattomat 4,5 miljardia vuotta. Uraani-235:n puoliintumisaika on hieman yli 700 miljoonaa vuotta. Uraani-234:n puoliintumisaika on kaikista lyhin, 245 500 vuotta, mutta sitä esiintyy vain epäsuorasti U-238:n hajoamisesta.

Vertauksena radioaktiivisin alkuaine on polonium. Sen puoliintumisaika on vain 138 päivää.

Uraanilla on silti räjähdysaltista potentiaalia, kiitos sen kyvyn ylläpitää ydinketjureaktiota. U-235 on ”halkeamiskelpoinen”, mikä tarkoittaa, että sen ydin voidaan halkaista termisillä neutroneilla – neutroneilla, joiden energia on sama kuin niiden ympäristön energia. Näin se toimii World Nuclear Associationin mukaan: U-235-atomin ytimessä on 143 neutronia. Kun vapaa neutroni törmää atomiin, se halkaisee atomin ytimen ja vapauttaa ylimääräisiä neutroneita, jotka voivat sitten sinkoutua läheisten U-235-atomien ytimiin, jolloin syntyy itseään ylläpitävä ydinfission kaskadi. Fissiotapahtumat tuottavat kukin lämpöä. Ydinreaktorissa tätä lämpöä käytetään veden kiehuttamiseen, jolloin syntyy höyryä, joka pyörittää turbiinia sähköntuotantoa varten, ja reaktiota kontrolloidaan materiaaleilla, kuten kadmiumilla tai boorilla, jotka voivat absorboida ylimääräisiä neutroneita viedäkseen ne pois reaktioketjusta.

Hiroshiman tuhonneen kaltaisessa fissiopommissa reaktio menee ylikriittiseksi. Tämä tarkoittaa sitä, että fissiota tapahtuu yhä kiihtyvällä nopeudella. Nämä ylikriittiset reaktiot vapauttavat valtavia määriä energiaa: Hiroshiman tuhonneessa räjähdyksessä oli arviolta 15 kilotonnin TNT:n teho, ja kaikki tämä syntyi alle kilogramman (2,2 paunan) uraanin fissiolla.

Jotta uraanin fissio olisi tehokkaampaa, ydinvoimainsinöörit rikastavat sitä. Luonnonuraanissa on vain noin 0,7 prosenttia U-235:tä, joka on halkeamiskelpoinen isotooppi. Loput on U-238:aa. U-235:n osuuden lisäämiseksi insinöörit joko kaasuttavat uraanin isotooppien erottamiseksi toisistaan tai käyttävät sentrifugeja. World Nuclear Associationin mukaan suurin osa ydinvoimaloissa käytettävästä rikastetusta uraanista koostuu 3-5 prosentista U-235:tä.

Skaalan toisessa päässä on köyhdytetty uraani, jota käytetään panssarivaunujen panssarointiin ja luotien valmistukseen. Köyhdytetty uraani on sitä, mitä jää jäljelle, kun rikastettu uraani on käytetty voimalaitoksessa. Yhdysvaltain veteraaniministeriön mukaan se on noin 40 prosenttia vähemmän radioaktiivista kuin luonnonuraani. Tämä köyhdytetty uraani on vaarallista vain, jos sitä hengitetään, niellään tai se joutuu kehoon ammuskelun tai räjähdyksen yhteydessä.

Kuka tiesi?

• Atomic Heritage Foundationin mukaan vain 1,38 prosenttia Hiroshiman tuhonneen ”Little Boy” -pommin uraanista fissioitui. Pommi sisälsi yhteensä noin 64 kiloa uraania.
• ”Pikkupojan” pommi räjähti 509 metrin korkeudella Hiroshiman yläpuolella, ja vuonna 1980 laaditun puolustusministeriön (Defense Nuclear Agency, Defense Nuclear Agency) raportin mukaan se jätti pystyssä vain muutaman teräsbetonirakennuksen rungon kilometrin säteellä Ground Zeron ympärillä. Palomyrskyt tuhosivat kaiken 7 kilometrin (4,4 mailin) säteellä räjähdyksestä.
• Uraani-238:n puoliintumisaika on 4,5 miljardia vuotta. Se hajoaa radium-226:ksi, joka puolestaan hajoaa radon-222:ksi. Radon-222:sta tulee polonium-210, joka lopulta hajoaa vakaaksi nuklidiksi, lyijyksi.
• Marie Curie, joka työskenteli uraanin parissa löytääkseen useita vielä radioaktiivisempia alkuaineita (poloniumia ja radiumia), menehtyi todennäköisesti työhönsä liittyvään säteilyaltistukseen. Hän kuoli vuonna 1934 aplastiseen anemiaan, punasoluvajeeseen, joka johtui todennäköisesti luuytimen säteilyvauriosta.
• Puhdas uraani on hopeanhohtoinen metalli, joka hapettuu nopeasti ilmassa.
• Uraania käytetään toisinaan lasin värjäämiseen, joka hehkuu vihertävänkeltaisena mustassa valossa – ei kuitenkaan radioaktiivisuudesta johtuen (lasi on vain vähän radioaktiivista). Collectors Weeklyn mukaan fluoresenssi johtuu siitä, että UV-valo kiihdyttää lasissa olevaa uranyyliyhdistettä, jolloin se antaa fotoneja laskeutuessaan takaisin.
• Yellowcake on kiinteää uraanioksidia. Tässä muodossa uraania myydään yleisesti ennen sen rikastamista.
• Uraania louhitaan 20 maassa, joista yli puolet on peräisin Kanadasta, Kazakstanista, Australiasta, Nigeristä, Venäjältä ja Namibiasta Maailman ydinvoimayhdistyksen (World Nuclear Association) mukaan.
• Lenntechin mukaan kaikki ihmiset ja eläimet altistuvat luonnostaan pienille määrille uraania ravinnosta, vedestä, maaperästä ja ilmasta. Suurimmaksi osaksi väestö voi turvallisesti sivuuttaa nautitut määrät, paitsi jos he asuvat lähellä vaarallisia jätealueita tai kaivoksia tai jos viljelykasveja kasvatetaan saastuneessa maaperässä tai kastellaan saastuneella vedellä.

Ajankohtaista tutkimusta

Sen tärkeyden vuoksi, joka uraanilla on ydinpolttoaineessa, tutkijat ovat erittäin kiinnostuneita siitä, miten uraani toimii – erityisesti ydinpolttoaineen sulamisen aikana. Sulaminen tapahtuu, kun reaktorin ympärillä olevat jäähdytysjärjestelmät pettävät ja reaktorisydämessä tapahtuvien fissioreaktioiden tuottama lämpö sulattaa polttoaineen. Näin tapahtui Tšernobylin ydinvoimalan ydinkatastrofin aikana, jolloin syntyi radioaktiivinen möykky, jota kutsuttiin nimellä ”norsunjalka”.

Ydinpolttoaineiden käyttäytymisen ymmärtäminen sulamisen aikana on ratkaisevan tärkeää suoja-astioita rakentaville ydinvoimainsinööreille, sanoo John Parise, Stony Brookin yliopiston ja Brookhavenin kansallisen laboratorion kemisti ja mineralogi.

Marraskuussa 2014 Parise ja kollegansa Argonne National Labista ja muista laitoksista julkaisivat Science-lehdessä artikkelin, jossa selvitettiin ensimmäistä kertaa sulaneen uraanidioksidin, ydinpolttoaineen pääkomponentin, sisäistä toimintaa. Uraanidioksidi sulaa vasta yli 3 000 C:n lämpötilassa, joten on vaikea mitata, mitä tapahtuu, kun materiaali muuttuu nestemäiseksi, Parise kertoi Live Science -lehdelle – ei vain ole tarpeeksi kovaa astiaa.

”Ratkaisu tähän on se, että lämmitämme uraanidioksidipalloa ylhäältä hiilidioksidilaserilla, ja tämä pallo leijuu kaasuvirran varassa”, Parise sanoi. ”Materiaalipallo leijuu kaasuvirran päällä, joten säiliötä ei tarvita.”

Tutkijat säteilevät sitten röntgensäteitä uraanidioksidikuplan läpi ja mittaavat röntgensäteiden sirontaa ilmaisimella. Sirontakulma paljastaa uraanidioksidin sisällä olevien atomien rakenteen.

Tutkijat havaitsivat, että kiinteässä uraanidioksidissa atomit ovat järjestäytyneet kuin sarja kuutioita, jotka vuorottelevat tyhjän tilan kanssa ruudukkomaisesti, ja jokaisen uraaniatomin ympärillä on kahdeksan happiatomia. Kun materiaali lähestyy sulamispistettään, happigeenit menevät ”sekaisin”, Argonnen kansallisen laboratorion tutkija Lawrie Skinner sanoi tuloksista kertovalla videolla. Happiatomit alkavat liikkua ympäriinsä, täyttävät tyhjää tilaa ja pomppivat uraaniatomilta toiselle.

Viimein, kun materiaali sulaa, rakenne muistuttaa Salvador Dalin maalausta, kun kuutiot muuttuvat epäjärjestyksessä oleviksi monitahoiksi. Tässä vaiheessa, Parisen mukaan, kunkin uraaniatomin ympärillä olevien happiatomien määrä – jota kutsutaan koordinaatioluvuksi – laskee kahdeksasta noin seitsemään (joidenkin uraaniatomien ympärillä on kuusi happea ja joidenkin ympärillä seitsemän happea, joten keskimäärin 6,7 happea uraania kohti).

Tämän luvun tunteminen mahdollistaa mallintamisen, miten uraanidioksidi käyttäytyy näissä korkeissa lämpötiloissa, Parise sanoi. Seuraava askel on lisätä monimutkaisuutta. Ydinytimet eivät ole pelkkää uraanidioksidia, hän sanoi. Niihin kuuluu myös materiaaleja, kuten zirkoniumia ja muita materiaaleja, joita käytetään reaktorin sisäpuolen suojaamiseen. Tutkimusryhmä aikoo nyt lisätä näitä materiaaleja nähdäkseen, miten materiaalin reaktio muuttuu.

”On tiedettävä, miten puhdas uraanidioksidineste käyttäytyy, jotta kun aletaan tarkastella pienten lisäaineiden vaikutuksia, nähdään, mitkä ovat erot?” Parise sanoi.

Valtaosa uraanista käytetään energiantuotantoon, yleensä kontrolloiduissa ydinreaktioissa. Jäljelle jäävä jäte, köyhdytetty uraani, voidaan kierrättää muunlaisen energian, kuten auringon voiman, hyödyntämiseksi. Los Alamosin kansallisen laboratorion tutkijoiden Igor Usovin ja Milan Sykoran vuonna 2017 julkaisemassa patentissa käsitellään ydinreaktioista peräisin olevan köyhdytetyn uraanin käyttämistä aurinkokennojen luomiseen. Kirjoittajat kirjoittivat, että köyhdytettyä uraanioksidia on runsaasti ja halpaa ydinpolttoaineen rikastusprosessin jäänteinä, ja se voitaisiin optimoida käytettäväksi aurinkokennoina säätämällä paksuutta, uraanin ja hapen suhdetta, kiteisyyttä ja seostusta.

Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa työskentelevän Thomas Meekin vuonna 2000 julkaiseman artikkelin mukaan uraanidioksidi on erinomainen puolijohde, ja se voisi mahdollisesti olla tietyissä käyttökohteissa parannus pii:n, germaniumin tai gallium-arsenidien perinteisiin käyttötapoihin nähden. Huoneenlämmössä uraanioksidi antaisi suurimman mahdollisen hyötysuhteen aurinkokennoihin verrattuna perinteisiin alkuaineisiin ja yhdisteisiin samassa käyttötarkoituksessa.

Lisätoimittaja Rachel Ross, Live Science Contributor