Uran: grundstof, isotoper, kernespaltning, radioaktivitet og anvendelser

Lær om uran: grundstof, isotoper, kernespaltning, radioaktivitet og anvendelser — fra atomkraft og våben til forarmet uran, risici, historie og miljøpåvirkninger forklaret klart.

Uran er et kemisk grundstof (et metal) i det periodiske system med atomnummer 92. Det betyder, at et uranatom har 92 protoner i sin kerne. Uran forekommer naturligt i jordskorpen og udvindes i form af mineraler, hvor den vigtigste malm er pitchblende. Rent uran er et tungt, skinnende hvidt metal, men i naturen og i de fleste tekniske anvendelser ses det ofte i oxideret form, der kan være sort eller rødbrun.

Isotoper og radioaktivitet

Naturligt uran består af flere isotoper, det vil sige atomer af samme grundstof med forskelligt antal neutroner i kernen. De vigtigste er:

• Uran-238 (U-238) – langt den mest almindelige isotop (ca. 99,27 % af naturligt uran). Halveringstiden er omkring 4,47 milliarder år.
• Uran-235 (U-235) – ca. 0,72 % af naturligt uran. Halveringstiden er omkring 703,8 millioner år. Denne isotop er fissil og kan undergå kernespaltning ved at fange et neutron.
• Uran-234 (U-234) – meget sjælden (ca. 0,005 %). Halveringstiden er omkring 245.500 år. Den optræder som en del af U-238s henfaldskæde.

Uran er radioaktivt. Den primære form for stråling fra uanede uranisotoper er alfa-stråling, men i henfaldskæderne optræder også beta- og gammastråling fra datterprodukter. Strålingsniveauet fra ubehandlet naturligt uran er relativt lavt sammenlignet med mange andre radioaktive materialer, men ved ioniserende stråling og indtag (indånding, indtagelse) er der risiko for helbredsskader.

Kernespaltning, reaktorer og våben

Atomreaktorer og nogle typer atomvåben udnytter de energirige processer, når en fissil isotop som uran-235 fanger et neutron og undergår kernespaltning. Ved spaltning omdannes U-235 til et nyt, kortlivede mellemprodukt (fx U-236) og kernen bryder herefter i to mindre kerner samt flere frie neutroner og store mængder varmeenergi. De frie neutroner kan fortsætte med at spaltes andre U-235-kerner og derved skabe en atomkædereaktion:

• I en atomreaktor styres kædereaktionen, så varmen kan bruges til at producere damp og elektricitet.
• I et våben sker en ukontrolleret kædereaktion på brøkdele af et sekund, hvilket giver en voldsom eksplosion.

De fleste moderne atomvåben benytter dog ikke uforarbejdet U-235, men plutonium (særligt Pu-239) fremstillet fra U-238 i reaktorer ved neutronindsamling og efterfølgende kemisk separation. For atom-reaktorbrændsel beriges naturligt uran typisk fra ~0,72 % U-235 til omkring 3–5 % U-235; til våben er der brug for meget højere berigelse (typisk >90 % U-235) kaldet højberiget uran (HEU).

Fremstilling, berigelse og brændselsformer

Efter minedrift renses uran og fremstilles ofte som oxider (f.eks. U3O8) eller som urandioxid (UO2), som kan presses til brændselsstave til reaktorer. Berigelse af uran foregår i moderne faciliteter typisk ved centrifugering af uranhexafluorid (UF6) eller historisk via gaskromatisk diffusion. Målet er at øge andelen af uran-235 til det ønskede niveau til enten civil energiproduktion eller militære formål.

Når brændsel har været brugt i en reaktor, indeholder det både uskiftede uranisotoper, spaltningsprodukter og dannet plutonium. Brugte brændselsstave er stærkt radioaktive og opbevares ofte under vand i bassiner for at køle dem ned og give afskærmning. Disse stænger kan under vand udstråle en karakteristisk blå glød på grund af Cherenkov-stråling.

Forarmet uran og specielle anvendelser

Forarmet uran (depleted uranium, DU) er det uran, der er tilbage efter berigelse og har en lavere andel af U-235 end naturligt uran. Forarmet uran er mindre radioaktivt end naturligt uran, men det er stadig både tungmetalletisk og kemisk giftigt. Det anvendes bl.a. i:

• Anti-tankammunition og penetratorer (pga. høj tæthed og evne til at gennembore pansring).
• Ballastvægte og strålingsafskærmning i visse tekniske installationer.
• Historisk som farvestof i glasmalerier og keramik, hvor det gav karakteristiske grønlige eller gule nuancer og fluorescerede under UV-lys.

Finfordelte DU-partikler kan være pyroforske (tænde ved kontakt med luft), hvilket øger brand- og inhalationsrisikoen ved ammunition.

Farlighed, sundhed og miljø

• Strålingsfare: Uran udsender primært alfa-partikler, som er stærkt ioniserende men har lille rækkevidde—de er farlige ved indtagelse eller indånding, da de så kan skade væv direkte.
• Kemisk toksicitet: Som tungmetal påvirker uran nyrer og andre organer ved høje koncentrationer. Den kemiske giftighed kan derfor være lige så relevant som radiotoksiciteten i visse eksponeringstilfælde.
• Miljøpåvirkning: Uranindvinding, forarbejdning og deponering af brugt brændsel kan føre til lokal forurening af jord og vand. Langtidslagring af radioaktivt affald kræver omfattende sikkerhedsforanstaltninger og regulatorisk kontrol.
• Advarsler og symboler: Uran og andre radioaktive materialer mærkes ofte med det velkendte faresymbol for radioaktivitet—tre buede trekanter der peger ind mod midten.

Fysiske og kemiske egenskaber

Uran har flere oxidationstrin, hvor U(IV) og U(VI) er de mest almindelige i vandige miljøer og i forbindelser. U(VI) forekommer ofte i form af uranylioner (UO2^2+), som er mobil i vand og derfor vigtig i miljømæssige sammenhænge. Uran er korrosionsfølsomt i fugtige omgivelser og danner forskellige oxider og salte, som har betydning for både minedrift, materialeanvendelse og affaldshåndtering.

Historie og kulturelle anvendelser

Uran er kendt og anvendt siden 1700-tallet; det blev isoleret som grundstof i begyndelsen af det 19. århundrede. I starten brugte man uranforbindelser til farvning af glas og keramik, fordi de gav levende farver og fluorescence under UV-lys. Før opdagelsen af radioaktivitet var denne anvendelse uproblematisk, men efterhånden som strålingens natur og risici blev kendt, ændrede anvendelsesområderne sig.

Sikkerhed, regulering og fremtid

Håndtering af uran og uranholdige materialer er stærkt reguleret internationalt og nationalt. Arbejde med uran kræver beskyttelse mod både kemiske og radioaktive farer, overvågning af arbejdsmiljø og streng kontrol af spredning (non-proliferation). Fremtidige teknologier inden for kernekraft (f.eks. avancerede reaktorer og lukkede brændselscykler) søger at optimere udnyttelsen af uranressourcer, reducere affaldsmængder og forbedre sikkerheden.

Samlet set er uran et grundstof med væsentlig betydning for energi, forsvar og industri, men også forbundet med komplekse sundheds-, miljø- og sikkerhedsmæssige udfordringer, som kræver omhyggelig styring.

Historie

Brug før opdagelse

Brugen af uran i sin naturlige oxidform går tilbage til år 79 e.Kr. Det blev brugt i Romerriget til at gøre keramiske glasurer gule. Gult glas med 1 % uranoxid blev fundet i en romersk villa på Kap Posillipo i Napoli-bugten i Italien. Det blev fundet af R. T. Gunther fra universitetet i Oxford i 1912. I senmiddelalderen blev der udvundet begblende fra de habsburgske sølvminer i Joachimsthal i Bøhmen (nu Jáchymov i Tjekkiet). I begyndelsen af det 19. århundrede var disse miner de eneste kendte kilder til uranmalm i verden.

 
Planeten Uranus, som uran er opkaldt efter  

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er uran?

Spørgsmål: Hvor mange isotoper af uran findes der?

Sp: Hvad er pitchblende?

Spørgsmål: Hvordan kan uran bruges i atomreaktorer og våben?

Spørgsmål: Er forarmet uran radioaktivt?

Spørgsmål: Hvilken farve har naturligt uran, der ikke er raffineret, og hvilken farve har det?

Søg efter bogstav