Den 6 augusti 1945 föll en tre meter lång bomb från himlen över den japanska staden Hiroshima. Mindre än en minut senare utplånades allt inom en mil från bombens detonation. En massiv eldstorm förstörde snabbt ytterligare flera kilometer och dödade tiotusentals människor.

Detta var den första användningen av en atombomb i krigföring någonsin, och den använde ett känt ämne för att skapa förödelse: uran. Denna radioaktiva metall är unik eftersom en av dess isotoper, uran-235, är den enda naturligt förekommande isotop som kan upprätthålla en kärnklyvningsreaktion. (En isotop är en version av grundämnet med ett annat antal neutroner i kärnan.)

För att förstå uran är det viktigt att förstå radioaktivitet. Uran är naturligt radioaktivt: Dess kärna är instabil, så grundämnet befinner sig i ett konstant tillstånd av sönderfall och söker efter ett stabilare arrangemang. Faktum är att uran var det grundämne som gjorde upptäckten av radioaktivitet möjlig. År 1897 lämnade den franske fysikern Henri Becquerel några uransalter på en fotografisk platta som ett led i forskning om hur ljuset påverkade dessa salter. Till hans förvåning blev plåten dimmig, vilket tydde på någon form av utsläpp från uransalterna. Becquerel delade Nobelpriset med Marie och Pierre Curie 1903 för upptäckten.

Bara fakta

Enligt Jefferson National Linear Accelerator Laboratory är uranets egenskaper:

Uran

Uran (Image credit: Andrei Marincas )
  • Atomnummer (antal protoner i kärnan): 92
  • Atomsymbol (i det periodiska systemet för grundämnen): U
  • Atomvikt (atomens genomsnittliga massa): 238,02891
  • Täthet: 18,95 gram per kubikcentimeter
  • Fas vid rumstemperatur: Fast
  • Smältpunkt: 2 075 grader Fahrenheit (1 135 grader Celsius)
  • Kokpunkt: 7 468 F (4 131 C)
  • Antal isotoper (atomer av samma grundämne med olika antal neutroner): 16, 3 naturligt förekommande
  • De vanligaste isotoperna: U-234 (0,0054 procent naturlig förekomst), U-235 (0,7204 procent naturlig förekomst), U-238 (99,2742 procent naturlig förekomst)

Uranets historia

Martin Heinrich Klaproth, en tysk kemist, upptäckte uran 1789, även om det hade varit känt sedan åtminstone A.D. 79, då uranoxid användes som färgämne för keramiska glasyrer och i glas, enligt Chemicool. Klaproth upptäckte grundämnet i mineralet beckblände, som man vid den tiden trodde var en zink- och järnmalm. Mineralet löstes upp i salpetersyra och sedan tillsattes kaliumklorid (kaliumsalter) till den kvarvarande gula utfällningen. Klaproth drog slutsatsen att han hade upptäckt ett nytt grundämne när reaktionen mellan kaliumklorid och utfällningen inte följde några reaktioner hos kända grundämnen. Hans upptäckt visade sig vara uranoxid och inte rent uran som han ursprungligen hade trott.

Enligt Los Alamos National Laboratory namngav Klaproth det nya grundämnet efter den nyligen upptäckta planeten Uranus, som är uppkallad efter den grekiska himmelsguden. Eugène-Melchior Péligot, en fransk kemist, isolerade rent uran 1841 genom att värma urantetraklorid med kalium.

Uran konstaterades vara radioaktivt 1896 av Antoine H. Becquerel, en fransk fysiker. Becquerel hade lämnat ett uranprov ovanpå en oexponerad fotografisk platta som blev grumlig. Han drog slutsatsen att det avgav osynliga strålar, enligt Royal Society of Chemistry. Detta var första gången radioaktivitet studerades och öppnade ett nytt vetenskapsområde. Marie Curie, en polsk forskare, myntade termen radioaktivitet kort efter Becquerels upptäckt, och tillsammans med Pierre Curie, en fransk forskare, fortsatte forskningen för att upptäcka andra radioaktiva grundämnen, som polonium och radium, och deras egenskaper.

Makt och krig

Universums uran bildades för 6,6 miljarder år sedan i supernovor, enligt World Nuclear Association. Det finns över hela planeten och utgör ungefär 2 till 4 delar per miljon i de flesta bergarter. Det ligger på 48:e plats bland de vanligaste grundämnena som finns i naturliga bergarter i jordskorpan, enligt det amerikanska energidepartementet, och är 40 gånger vanligare än silver.

Trots att uran i hög grad förknippas med radioaktivitet är dess sönderfallshastighet så låg att detta grundämne faktiskt inte hör till de mer radioaktiva grundämnena som finns där ute. Uran-238 har en halveringstid på otroliga 4,5 miljarder år. Uran-235 har en halveringstid på drygt 700 miljoner år. Uran-234 har den kortaste halveringstiden av dem alla, 245 500 år, men det förekommer endast indirekt från sönderfallet av U-238.

I jämförelse är det mest radioaktiva grundämnet polonium. Det har en halveringstid på endast 138 dagar.

Från och håll har uran explosiv potential tack vare sin förmåga att upprätthålla en nukleär kedjereaktion. U-235 är ”klyvbar”, vilket innebär att dess kärna kan delas av termiska neutroner – neutroner med samma energi som den omgivande miljön. Så här fungerar det enligt World Nuclear Association: Kärnan i en U-235-atom har 143 neutroner. När en fri neutron stöter in i atomen splittrar den kärnan och kastar ut ytterligare neutroner, som sedan kan zappa in i kärnorna hos närliggande U-235-atomer, vilket skapar en självunderhållande kaskad av kärnklyvning. Varje klyvningshändelse genererar värme. I en kärnreaktor används denna värme för att koka vatten, vilket skapar ånga som driver en turbin för att generera kraft, och reaktionen styrs av material som kadmium eller bor, som kan absorbera extra neutroner för att ta dem ur reaktionskedjan.

I en fissionsbomb som den som förstörde Hiroshima, går reaktionen överkritisk. Det innebär att klyvningen sker med en allt högre hastighet. Dessa superkritiska reaktioner frigör enorma mängder energi: Explosionen som förstörde Hiroshima hade kraften av uppskattningsvis 15 kiloton TNT, allt skapat med mindre än ett kilo (2,2 pund) uran som genomgår klyvning.

För att göra klyvningen av uran effektivare anrikas det av kärnkraftsingenjörer. Naturligt uran innehåller endast cirka 0,7 procent U-235, den klyvbara isotopen. Resten är U-238. För att öka andelen U-235 använder ingenjörer antingen förgasning av uranet för att separera isotoperna eller centrifuger. Enligt World Nuclear Association består det mesta anrikade uranet för kärnkraftverk av mellan 3 och 5 procent U-235.

I andra änden av skalan finns utarmat uran, som används för stridsvagnspansar och för att tillverka kulor. Utarmat uran är det som blir över när anrikat uran förbrukas i ett kraftverk. Det är cirka 40 procent mindre radioaktivt än naturligt uran, enligt U.S. Department of Veterans Affairs. Detta utarmade uran är endast farligt om det andas in, intas eller kommer in i kroppen vid en skottlossning eller explosion.

Vem visste det?

  • Bara 1,38 procent av uranet i ”Little Boy”-bomben som förstörde Hiroshima genomgick fission, enligt Atomic Heritage Foundation. Bomben innehöll totalt cirka 64 kg uran.
  • Bomben ”Little Boy” detonerade 509 meter ovanför Hiroshima och lämnade bara ramarna av några få armerade betongbyggnader stående i milsradien runt Ground Zero, enligt en rapport från 1980 från Defense Nuclear Agency. Eldstormar förstörde allt inom en radie av 7 kilometer från explosionen.
  • Halveringstiden för uran-238 är 4,5 miljarder år. Det sönderfaller till radium-226, som i sin tur sönderfaller till radon-222. Radon-222 blir till polonium-210, som slutligen sönderfaller till en stabil nuklid, bly.
  • Marie Curie, som arbetade med uran för att upptäcka flera ännu mer radioaktiva grundämnen (polonium och radium), dog troligen av den strålningsexponering som hennes arbete innebar. Hon dog 1934 av aplastisk anemi, en brist på röda blodkroppar som troligen orsakades av strålningsskador på hennes benmärg.
  • Rent uran är en silverfärgad metall som snabbt oxiderar i luft.
  • Uran används ibland för att färga glas, som lyser gröngult i svart ljus – men inte på grund av radioaktivitet (glaset är bara en liten smula radioaktivt). Enligt Collectors Weekly beror fluorescensen på att UV-ljuset exciterar uranylföreningen i glaset, vilket gör att den avger fotoner när den lägger sig igen.
  • Yellowcake är fast uranoxid. Det är den form som uran vanligtvis säljs i innan det anrikas.
  • Uran bryts i 20 länder, varav mer än hälften kommer från Kanada, Kazakstan, Australien, Niger, Ryssland och Namibia, enligt World Nuclear Association.
  • Enligt Lenntech utsätts alla människor och djur på naturlig väg för små mängder uran från mat, vatten, jord och luft. För det mesta kan den allmänna befolkningen tryggt ignorera de mängder som intas, utom om de bor nära farliga avfallsplatser, gruvor eller om grödor odlas i förorenad jord eller vattnas med förorenat vatten.

Aktuell forskning

Med tanke på dess betydelse i kärnbränsle är forskarna mycket intresserade av hur uran fungerar – särskilt under en härdsmälta. Nedsmältningar inträffar när kylsystemen runt en reaktor misslyckas och den värme som genereras av klyvningsreaktionerna i reaktorhärden smälter bränslet. Detta hände under kärnkraftskatastrofen vid kärnkraftverket i Tjernobyl, vilket resulterade i en radioaktiv klump som kallades ”Elefantfoten”.

Förståelsen av hur kärnbränslen fungerar när de smälter är avgörande för kärnkraftsingenjörer som bygger inneslutningsbehållare, säger John Parise, kemist och mineralog vid Stony Brook University och Brookhaven National Laboratory.

I november 2014 publicerade Parise och kollegor från Argonne National Lab och andra institutioner en artikel i tidskriften Science som för första gången belyste hur smält urandioxid, en viktig komponent i kärnbränsle, fungerar inuti. Uraniumdioxid smälter inte förrän temperaturen överstiger 3 000 C (5 432 F), så det är svårt att mäta vad som händer när materialet blir flytande, berättade Parise för Live Science – det finns helt enkelt ingen behållare som är tillräckligt stark.

”Lösningen på det är att vi värmer upp en kula av urandioxid uppifrån med en koldioxidlaser, och den här kulan svävar på en gasström”, sa Parise. ”Du har den här bollen av material som svävar på gasströmmen, så du behöver ingen behållare.”

Forskarna strålar sedan röntgenstrålar genom urandioxidbubblan och mäter spridningen av dessa röntgenstrålar med en detektor. Spridningsvinkeln avslöjar strukturen hos atomerna inuti urandioxiden.

Forskarna fann att i fast urandioxid är atomerna arrangerade som en serie kuber som alternerar med tomt utrymme i ett rutnätsliknande mönster, med åtta syreatomer som omger varje uranatom. När materialet närmar sig sin smältpunkt blir syreatomerna ”galna”, sade Lawrie Skinner, forskare vid Argonne National Laboratory, i en video om resultaten. Syreatomerna börjar flytta runt, fyller tomrum och hoppar från en uranatom till en annan.

Till slut, när materialet smälter, liknar strukturen en Salvador Dali-målning när kuberna förvandlas till oordnade polyeder. Vid denna tidpunkt, sade Parise, sjunker antalet syreatomer runt varje uranatom – det så kallade koordinationstalet – från åtta till ungefär sju (vissa uranatomer har sex syreatomer som omger dem och andra har sju, vilket ger ett genomsnitt på 6,7 syreatomer per uran).

Vid kännedom om detta tal är det möjligt att modellera hur urandioxid kommer att agera vid dessa höga temperaturer, sade Parise. Nästa steg är att lägga till mer komplexitet. Kärnkärnor är inte bara urandioxid, sade han. De innehåller också material som zirkonium och det som används för att skydda reaktorns insida. Forskargruppen planerar nu att lägga till dessa material för att se hur materialets reaktion förändras.

”Man måste veta hur den rena urandioxidvätskan beter sig så att man när man börjar titta på effekterna av små tillsatser kan se vilka skillnaderna är”. Parise sade.

Den stora majoriteten av uran används för energi, vanligtvis i kontrollerade kärnreaktioner. Det överblivna avfallet, utarmat uran, kan återvinnas för att utnyttja andra typer av kraft, t.ex. solens kraft. I ett patent från 2017 av Igor Usov och Milan Sykora, forskare vid Los Alamos National Laboratory, diskuteras användningen av utarmat uran från kärnreaktioner för att skapa solceller. Författarna skriver att utarmad uranoxid finns i överflöd och är billig som rester från anrikningsprocessen av kärnbränsle och skulle kunna optimeras för användning som solceller genom att kontrollera tjockleken, förhållandet mellan uran och syre, kristalliniteten och dopningen.

Uraniumdioxid är en utmärkt halvledare, enligt en artikel från 2000 av Thomas Meek vid Oak Ridge National Laboratory, och skulle potentiellt kunna vara en förbättring för vissa användningsområden jämfört med de traditionella användningsområdena för kisel, germanium eller galliumarsenid. Vid rumstemperatur skulle uranoxid ge den högsta möjliga solcellseffektiviteten jämfört med de traditionella elementen och föreningarna för samma användning.

Tilläggsrapportering av Rachel Ross, Live Science Contributor