Facts About Uranium

• 原子番号（原子核の中の陽子の数）：92
• 原子記号（元素の周期表上）: U
• 原子量（原子の平均質量）： 238.02891
• 密度： 18.95 グラム/立方センチメートル
• 室温での相。 固体
• 融点：華氏2075度（摂氏1135度）
• 沸点：華氏7468度（摂氏4131度）
• 同位体数（同じ元素で中性子数の異なる原子）：16、自然発生3
• 最もありふれた同位体である。 U-234 (天然存在比 0.0054%), U-235 (天然存在比 0.7204%), U-238 (天然存在比 99.2742%)

ウランの歴史

ドイツの化学者マルティン ハインリッヒ クラプロスは1789年に、少なくとも紀元前から知られていたウランを発見しました。ケミクールによれば、酸化ウランが陶磁器の釉薬やガラスの着色料として使われていた紀元79年頃から知られていた。 クラプロスは、当時亜鉛や鉄の鉱石と考えられていたピッチブレンデという鉱物から、この元素を発見した。 この鉱物を硝酸で溶かし、残った黄色い沈殿物にカリ（カリウム塩）を加えた。 クラプロスは、カリと沈殿物の反応が既知の元素の反応に従わないことから、新元素の発見と判断した。

ロスアラモス国立研究所によると、クラプロスはこの新元素を、最近発見されたギリシャの天空の神ウラヌスにちなんで名づけた。

ウランは1896年にフランスの物理学者Antoine H. Becquerelによって放射性であることが発見されました。 ベクレルがウランのサンプルを露光していない写真皿の上に置いておくと、曇ってきました。 王立化学会によると、彼はそれが目に見えない光線を発していると結論づけた。 これが放射能の最初の研究例であり、科学の新しい分野を切り開いた。 ポーランドの科学者マリー・キュリーは、ベクレルの発見のすぐ後に放射能という言葉を作り、フランスの科学者ピエール・キュリーとともに、ポロニウムやラジウムなど他の放射性元素とその性質を発見するための研究を続けました。 地球上の至る所に存在し、ほとんどの岩石の100万分の2〜4程度を占めている。 米国エネルギー省によると、天然の地殻岩石中に最も多く含まれる元素の 48 番目であり、銀の 40 倍もあります。

ウランは放射能と強く結びついていますが、その崩壊率は非常に低く、この元素は実はそれほど放射能が高いものではありません。 ウラン238の半減期は、なんと45億年。 ウラン235の半減期は7億年余りです。 ウラン234は半減期が245,500年と最も短いのですが、ウラン238の崩壊から間接的に発生するだけです。

それに比べて、最も放射性の高い元素はポロニウムです。 半減期はわずか138日である。

それでも、ウランは核連鎖反応を維持する能力があるため、爆発的な可能性を秘めている。 U-235は「核分裂性」であり、その原子核は熱中性子（周囲の環境と同じエネルギーを持つ中性子）によって分裂することができる。 世界原子力協会によれば、その仕組みは次の通りである。 U-235原子の原子核は143個の中性子を持っている。 この中性子が近くのU-235原子の原子核にぶつかると、核分裂のカスケードを作り、核分裂を持続させることができる。 核分裂はそれぞれ熱を発生させる。 原子炉では、この熱を利用して水を沸騰させ、蒸気を発生させてタービンを回して発電します。カドミウムやホウ素などの物質によって反応が制御され、余分な中性子を吸収して反応の連鎖から外すことができます。 これはどういうことかというと、核分裂がどんどん増えていくのです。 この超臨界反応により、大量のエネルギーが放出されます。 広島を破壊した爆風は、推定15キロトンのTNTの威力がありましたが、すべて1キログラム（2.2ポンド）未満のウランの核分裂で発生したものでした。 天然ウランは核分裂性同位体であるU-235が約0.7%しかない。 残りはU-238である。 U-235の割合を増やすには、技術者がウランをガス化して同位体を分離するか、遠心分離機を使用する。 世界原子力協会によると、原子力発電所用の濃縮ウランのほとんどは、3％から5％のU-235で構成されています。

一方、劣化ウランは戦車の装甲や弾丸に使用されています。 劣化ウランは、濃縮ウランを発電所で使い切った後に残るものです。 米国退役軍人省によると、天然ウランより40％ほど放射性物質が少ないという。

Who knew?

• Atomic Heritage Foundationによると、広島を破壊した「リトルボーイ」爆弾の核分裂を起こしたウランはわずか1.38パーセントでした。
• 「リトルボーイ」爆弾は広島の上空1,670フィート（509メートル）で爆発し、グラウンドゼロの周辺半径1マイルの範囲に鉄筋コンクリートの建物の骨組みを数個残しただけだったと、1980年に国防核兵器庁が報告した。
• ウラン-238の半減期は45億年である。 これはラジウム226に分解され、さらにラドン222に分解されます。 ラドン-222はポロニウム-210になり、最終的に安定核種の鉛になる。
• マリー・キュリーは、ウランを使ってさらに多くの放射性元素（ポロニウムとラジウム）を発見したが、おそらく自分の仕事に伴う放射線被曝で死んだのだろう。
• 純粋なウランは銀色の金属で、空気中ですぐに酸化してしまいます。
• ウランは、ブラックライトの下で緑がかった黄色に光るガラスの色付けに使われることがありますが、放射能のためではありません（ガラスにはほんの少ししか放射能はありません）。 コレクターズ・ウィークリー誌によると、この蛍光は、紫外線がガラス中のウラニル化合物を刺激し、それが沈殿するときに光子を放出するためだそうです。
• 世界原子力協会によると、ウランは20カ国で採掘され、その半分以上がカナダ、カザフスタン、オーストラリア、ニジェール、ロシア、ナミビアから産出されています。 ただし、危険な廃棄物処理場や鉱山の近くに住んでいたり、汚染された土壌で作物を育てたり、汚染された水で水をやったりしている場合は別です。

現在の研究

核燃料におけるその重要性から、研究者はウランの機能、特にメルトダウン時の機能に強い関心を寄せています。 メルトダウンは、原子炉の冷却装置が故障し、炉心での核分裂反応によって発生した熱で燃料が溶けたときに起こります。 これは、チェルノブイリ原子力発電所の事故の際に起こったもので、「象の足」と呼ばれる放射性物質の塊が発生しました。

2014年11月、Parise氏とアルゴンヌ国立研究所などの同僚たちは、核燃料の主要成分である溶けた二酸化ウランの内部構造を初めて解明した論文を、科学誌「サイエンス」で発表しました。 二酸化ウランは、温度が5,432 F（3,000℃）を超えるまで溶けないので、材料が液体になったときに何が起こるかを測定するのは難しいのです、とパリセ氏は Live Science に語りました。 「研究者たちは次に、二酸化ウランの気泡にX線を照射し、そのX線の散乱を検出器で測定しました。

研究者たちは、固体の二酸化ウランでは、原子が立方体と空白が交互に並ぶ格子状の配列になっており、1個のウラン原子を8個の酸素原子が取り囲んでいることを突き止めた。 アルゴンヌ国立研究所のローリー・スキナー研究員は、この結果についてビデオで次のように語っている。「材料が融点に近づくと、酸素原子が “クレイジー “になります。 酸素原子は動き回り始め、空いた空間を埋め、ウラン原子から別のウラン原子へと飛び移ります。

最終的に、材料が溶けると、立方体が無秩序な多面体に変化して、サルバドール・ダリの絵画のような構造になります。 この時点で、各ウラン原子の周りにある酸素原子の数–配位数として知られている–は、8個から約7個に減ります（ウラン原子の中には、6個の酸素原子が周囲にあるものもあれば、7個のものもあり、ウランあたりの酸素原子は平均6.7個です）。

この数がわかると、二酸化ウランがこの高温でどう作用するかのモデルが可能になると Parise 氏は言います。 次のステップは、さらに複雑さを加えることです。 核の炉心は二酸化ウランだけではない、と彼は言う。 ジルコニウムのような材料や、原子炉の内部を遮蔽するために使われるものも含まれるのです。 研究チームは現在、これらの材料を加えて、材料の反応がどのように変化するかを見る計画です。

「純粋な二酸化ウラン液がどのように振る舞うかを知る必要があるので、ちょっとした添加物の効果を調べ始めると、何が違うのかがわかるはずです」。

ウランの大部分は電力に使用され、通常は制御された核反応に使用されます。 残った廃棄物である劣化ウランは、太陽の力など、他の種類の電力を利用するためにリサイクルすることができます。 ロスアラモス国立研究所の科学者であるIgor UsovとMilan Sykoraによる2017年の特許では、核反応による劣化ウランを太陽電池の作成に利用することが論じられています。 著者らは、劣化ウラン酸化物は核燃料濃縮プロセスの残り物として豊富で安価であり、厚さ、ウラン/酸素の比率、結晶性、ドーピングを制御することによって、太陽電池として使用するために最適化できると書いています。

オークリッジ国立研究所のThomas Meekによる2000年の論文では、二酸化ウランは優れた半導体であり、従来のシリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素の使用よりも特定の用途で改良できる可能性があるとしています。 室温では、酸化ウランは、同じ用途の従来の元素や化合物と比較すると、可能な限り最高の太陽電池効率を与えるでしょう。

Additional reporting by Rachel Ross, Live Science Contributor