Uraani

Protaktinium←Uraani→Neptunium Nd ↑ U ↓ - Koko taulukko
Yleistä
Nimi	Uraani
Tunnus	U
Järjestysluku	92
Luokka	Aktinoidi
Lohko	f-lohko
Ryhmä	-
Jakso	7
Tiheys	19,05· 103kg/m3
Kovuus	6,0(Mohsin asteikko)
Väri	hopeanharmaa
Löytövuosi, löytäjä	1789,Martin Heinrich Klaproth
Atomiominaisuudet
Atomipaino(Ar)	238,02891
Atomisäde,mitattu (laskennallinen)	175pm
Van der Waalsin säde	186pm
Orbitaalirakenne	[Rn] 5f36d17s2
Elektronejaelektronikuorilla	2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
Hapetusluvut	+VI,+V, +IV, +III
Kiderakenne	ortorombinen
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto	kiinteä
Sulamispiste	1 408K(1 135°C)
Kiehumispiste	4 403K (4 130 °C)
Höyrystymislämpö	420kJ/mol
Sulamislämpö	8,520kJ/mol
Höyrynpaine	1,19 · 10−6Pa1 405 K:ssa
Äänen nopeus	3 155m/s293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus	1,38(Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti	0,116 kJ/(kg K)
Sähkönjohtavuus	3,6 · 106S/m
Lämmönjohtavuus	27,5W/(m·K)
CAS-numero	7440-61-1
Tiedotnormaalilämpötilassa ja -paineessa

Uraanion alkuaine ja myrkyllinenraskasmetalli,jonka kaikki luonnossa esiintyvät ja keinotekoisetisotoopitovat radioaktiivisia, useimmitenalfa-säteilijöitä.Jaksollisessa järjestelmässä sen kemiallinen merkki on U (lat. uranium), järjestysluku 92 ja CAS-numero 7440-61-1. Merkittävimmät isotoopit ovat²³⁵Uja²³⁸U, jotka ovat²³⁴U:n ohella ainoat isotoopit, joita löydetään luonnosta. Luonnonuraaninsulamispisteon 1 135 °C jatiheys19 050 kg/m³.²³⁵U-isotooppia voidaan käyttääydinpolttoaineenaenergiantuotantoon jaydinaseidenvalmistamiseen.

Ominaisuudet

Metallista uraania.

Fysikaaliset ominaisuudet

Uraani on hopeanharmaametalli,joka on helpostitaottavaaja taipuisaa. Sen sulamispiste on 1 135 °C ja kiehumispiste 4 130 °C. Sen tiheys on 19,05 g/cm³, joka on suhteellisen suuri. Uraani onparamagneettinenja huonosähköjohde.

Kemialliset ominaisuudet

Uraani kuuluuaktinoideihin.Se on kohtalaisen reaktiivinen metalli. Se reagoi hyvinepämetallien,kutenhapen,rikin,fosforinjahalogeenien,kanssa. Ilmassa metallinen uraani tummenee muodostaen oksidikerroksen.UraanidioksidiUO₂on stabiilia ilmassa, ja se onkin tavallisesti muoto, jossa uraania hyödynnetään. Hienojakoinen uraani voi leimahtaa. Se reagoi myös veden kanssa. Se liukenee happoihin mutta ei emäksiin.

Uraanilla on kolmeallotrooppistamuotoa. Alfamuoto on rombista ja stabiilia 667,7 °C:seen asti. Lämpötilavälillä 667,7–774,8 °C uraani on betamuodossa ja tetragoninen. Yli 774,8 °C:ssa uraani on gammamuodossa, jolloin senkiderakenneon tilakeskinen kuutio. Uraani on parhaiten työstettävissä gammamuodossa.Alfamuodosta tuleesuprajohtavaa0,68 K:n lämpötilassa.

Uraanin tavallisethapetusluvutovat +III, +IV, +V ja +VI, mutta se ei esiinny vesiliuoksissa vapaana hapetusluvuilla +V ja +VI, vaan ne hydrolysoituvat nopeasti jopa happamissa olosuhteissa. Samoin U³⁺hapettuu nopeasti vapauttaen vetyä vesiliuoksissa.

Uraaninelektronikonfiguraatioon [Rn] 5f³6d¹7s².Sen ensimmäinenionisaatioenergiaon 597,6 kJ/mol.

Yhdisteet

Uraanin yhdisteet ovat tyypillisesti vihreitä tai keltaisia. Uraani muodostaa hyvin monipuolisellastoikiometriallayhdisteitä hapen kanssa. Musta UO₂on uraanin käytetyin muoto. Sitä käytetään muun muassa polttoaineissa. Lisäksi uraani muodostaa kelta-oranssiauraanitrioksidia(UO₃,myös uranyylioksidi) ja vihreäätriuraanioktaoksidia(U₃O₈). Lisäksi uraani muodostaaperoksideja,kuten kidevedellistä UO₄(UO₃·H₂O₂·H₂O). Kideveden määrä vaihtelee nollasta neljään. Nämä peroksidit ovat myös ainoita peroksideja, joita on löydetty mineraaleista. Uraani muodostaahydridinreagoidessaan noin 250 °C:n lämpötilassa olevan vedyn kanssa. Korkeammissa lämpötiloissauraanihydridi(UH₃) hajoaa reversiibelisti. Tämän ominaisuuden ansiosta sitä käytetään muun muassakarbidienjanitridienlähtöaineena. UH₃on pyroforista. Uraanikarbideja ja -nitridejä tunnetaan stoikiometrioilla UX₂,UX₃ja U₂,X₃,jossa X on C tai N. Karbideja voidaan muodostaa myös antamalla hiilen taihiilimonoksidinreagoida sulan metallisen uraanin kanssa. Nitridejä muodostetaan antamalla typen reagoida korkeassa lämpötilassa uraanin kanssa.

Uraani muodostaa monipuolisesti yhdisteitähalidienkanssa.Kloorinkanssa se muodostaatri-,tetra-,penta-sekäheksakloridin.Fluorinkanssa uraani muodostaa sekätetra-ettäheksafluoridin.Näistä heksafluoridia käytetään erityisesti uraanin väkevöinnissä. Se on voimakkaankorrosoivaaja reagoi kiivaasti veden ja öljyn kanssa.

UraanyylinitraattiUO₂(NO₃)₂on hyvin myrkyllistä. Uraani muodostaa sulfaatin UO₂SO₄.

Uraani voi muodostaakompleksiyhdisteitähapetusluvuilla +III, +IV, +V ja +VI, ja näistä tyypillisimmät hapetusluvut ovat +III ja +VI. Se on voimakasLewis-happo,joten se voi muodostaa komplekseja erilaistenligandienkanssa. Usein ligandina onfluoridi-ioni, ja uraanin fluorokomplekseja tunnetaan esimerkiksi [UF₁₀]⁴⁻,[UF₈]³⁻ja [UF₇]²⁻.Usein uraani esiintyy kompleksiyhdisteissäänuranyylikationinaUO₂⁺ja UO₂²⁺.Toinen yleinen kompleksityyppi on happea tai typpeä sisältävät ligandit. Uraanista tunnetaan myös useitaorganometalliyhdisteitä,joista pysyvimpiä ovatsyklopentadienyylijohdannaiset.Syklopentadienyyliligandin lisäksi näissä yhdisteissä voi olla myös halogeeniligandeja.Uranoseenissaorgaanisena rakenneosana onsyklo-oktatetraeeni.

Uraani muodostaa myöslejeerinkejä.Uraani-rodium-germanium-lejeerinki oli ensimmäinen tunnettu seos, joka muuttuisuprajohteeksivoimakkaassa magneettikentässä.

Haitallisuus

Uraani on haitallista niin kemiallisesti kuin radiologisesti. Se tiedetäänteratogeneettiseksijakarsinogeeniseksiaineeksi, eli se voi elimistöön joutuessaan vahingoittaaDNA:ta,myös sukusolun DNA:ta, ja siten aiheuttaaepämuodostumiakehittyvässä alkiossa, keskenmenon riskiä ja alkion kuoleman. DNA-vaurio taigeenimutaatiovoi olla myös piilevä ja periytyä useaan sukupolveen.

Kemiallinen terveysriski eli myrkytysriski muodostuu, jos uraania kertyymunuaisiin,maksaan ja luustoon. Suurina annoksina uraani on erityisen myrkyllistä munuaisille ja luustolle. Uraani vahingoittaa munuaisenproksimaalitiehyttä,minkä seurauksena pientenproteiinienjaglukoosineritys virtsaan lisääntyy. Suomessa porakaivonkäyttäjät saattavat altistua merkittävälle määrälle uraania, 1–2 mg/l (WHO:n ohjearvosuositus 2 μg/l), mutta vakavia terveyshaittoja ei ole huomattu.

ErityisestiPersianlahden sodassamonet sotilaat altistuivatköyhdytetylle uraanille,mutta tutkimuksissa on osoittautunut, että siitä on aiheutunut lähinnä lieviä munuaisongelmia sekä perimämyrkyllisyyttä. Myös uraanin hajoamistuotteet, kutenradon,strontiumjajodi,voivat olla kemiallisesti ja radiologisesti haitallisia terveydelle.REACH-asetuksen mukaan uraani on haitallista.

Isotoopit ja radioaktiivisuus

Uraani ei ole voimakkaanradioaktiivista.Kaksi tärkeintä isotooppia ovat²³⁵U ja²³⁸U. Luonnosta löydetään myös pieni määrä²³⁴U:ta, jota syntyy²³⁸U:n hajoamisen seurauksena. Kaikki kolme isotooppia hajoavatalfasäteilynkautta. Teollisesti merkittävin isotooppi on²³⁵U,jota käytetään ydinpolttoaineena.²³⁸U on uraanin pitkäikäisin isotooppi, jonka puoliintumisaika on 4,468 miljardia vuotta.

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi Osuus1 218U 1,5 ms α 219U 42 μs α 220U 60 ns α 221U 700 ns α 222U 1 μs α 223U 18 μs α 224U 0,9 ms α 225U 95 ms α 226U 0,35 s α 227U 1,1 min α 228U 9,1 min EC,α 229U 58 min EC,β+,α 230U 20,8 d α 231U 4,2 d EC 232U 68,9 a α 233U 1,592 · 105a α

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi Osuus1 234U 2,455 · 105a α 0,00555 % 235U 7,038 · 108a α 0,720012 % 235mU 25 min IT 236U 2,342 · 107a α 237U 6,75 d β− 238U 4,468 · 109a α 99,274560 % 238m1U 225 ns 238m2U 1 ns 239U 23,45 min β− 240U 14,1 h β− 241U 5 min β− 242U 16,8 min β− 1osuus kaikesta luonnosta löytyvästä uraanista. Lähde:

Historia

Henri Becquerel löysi radioaktiivisen säteilyn antaessaan säteilylähteen reagoida valokuvauslevyn kanssa.

Uraanin löytäjänä pidetään saksalaista apteekkaria ja kemistiäMartin Klaprothia.1780-luvun lopulla Klaproth tutkiuraniniittiaeli pikivälkettä (saks.pechblende,pechhuono onni jablendemineraali). Tuohon aikaan luultiin, että pikivälke sisältää vain rautaa ja sinkkiä. Klaproth huomasi, että osa mineraalista ei käyttäytynyt kuten rauta tai sinkki, ja päätteli näin löytäneensä uuden alkuaineen. Hän ehdotti löytämälleen alkuaineelle nimeksiuran,joka oli kunnianosoitus muutama vuosi aikaisemmin löydetylleUranus-planeetalle. Sittemmin se muotoutui muotoonuranium.Pikivälkettä alettiin lopulta kutsua uraniniitiksi. Syyskuussa 1789 Klaproth esitteli löytönsäPreussin tiedeakatemialle.Todellisuudessa Klaproth löysiuraanidioksidia.

Vuonna 1841 ranskalainen kemistiEugène-Melchior Péligoteristi tetraklooriuraanista puhdasta uraania kaliumin avulla. Vuonna 1896Henri Becquerelhavaitsi uraanin radioaktiivisuuden.Toisessa maailmansodassaelokuussa 1945 Yhdysvallat pudottiHiroshimankaupunkiin uraaniin perustuvanydinpommiLittle Boyn.Sähköä tuotettiin ensimmäisen kerran uraanin avulla vuonna 1951. Ydinvoimaa hyödynnettiin vuonna 1954USSNautiluksella.Ensimmäinen ydinvoimala avattiin lokakuussa 1956Sellafieldissä.

Esiintyminen ja eristäminen

Uraanin esiintyminen

Pääartikkeli:Uraanin esiintyminen

Uraanin tuottajat merkittynä kartalle.

Kymmenen maata vastaa 94 %:sta maailman uraanituotannosta.

Uraanin pitoisuudeksi maankuoressa arvioidaan 1–4ppm,eli se on yhtä yleistä kuintinajabromi.Uraania esiintyy myös vesistöissä noin 3ppb.Nykyään tunnetut uraanivarat riittävät nykytietämyksen mukaan kymmeniä vuosia. Uraanin teollisesti merkittäviä mineraaleja ovaturaniniitti(pikivälke),karnotiitti,uranofaanijakoffiniitti.Uraanin mineraaleja tunnetaan useita satoja. Uraanin pitoisuuden pitää olla 0,1 %, jotta malmi olisi kaupallisesti merkittävää. Sen radioaktiivinen hajoaminen on yksi merkittävimmistämaalämmönaiheuttajista.

Uraanin suurimmat tuottajat ovat Kanada, Australia ja Niger. Myös Yhdysvalloilla, Venäjällä, Kongolla, Etelä-Afrikalla, Gabonilla ja Kiinalla on merkittävät uraanivarannot. 40 % maailman tunnetuista uraanivarannoista sijaitsee Australiassa, ja suurin yksittäinen lähde onOlympic Dam Mine-kaivos Etelä-Australiassa.. Yhteensä tunnetut uraanivarannot on kolme miljoonaa tonnia, ja arvioidaan, että merissä on viisi miljardia tonnia lisää uraania. Uraanikaivokset ovat tyypillisesti avokaivoksia. Uraania myydään vain maille, jotka ovat ratifioineetydinsulkusopimukseneli käyttävät uraania vain rauhanomaisiin tarkoituksiin.

Kaivostoiminta

Pääartikkeli:Uraanikaivos

Suomessa ei ole tällä hetkellä yhtäkäänuraanikaivosta.Suomessa on louhittu uraania 1950- ja 1960-luvuillaPaukkajanvaarassaEnossa(nykyään osaJoensuuta). Paukkajanvaarasta louhittiin yhteensä 30 tonnia uraania.

Talvivaaran kaivostaaiemmin pyörittäneellä yhtiöllä on ollut lupa tuottaa uraania sivutuotteena, mutta kaivoksen pääasialliset louhintakohteet ovatkupari,koboltti,sinkkijanikkeli.Marraskuussa 2012 Talvivaaran kipsisakka-altaan vuodon seurauksena uraania joutui läheisiin vesistöihin merkittäviä määriä. Myös nykyisellä yhtiölläTerrafamellaon ympäristölupa uraanin louhimiseen,mutta ennen louhimisen aloittamista sen tulee saada lupavaltioneuvostolta.Suomessa uraanin louhintaa valvooSäteilyturvakeskus,jolle on ilmoitettava kaikki luonnonvarojen hyödyntäminen, jos uraanin pitoisuus on yli 0,01 %.

Uraanikaivos voi olla joko avolouhos tai sijaita maan alla. Uraani eristetään malmistaan tavallisesti kemiallisesti uuttamalla. Uuttamisen jälkeen syntyy lähinnä uraanioksidia U₃O₈,joka käsitellääntyppihapolla.Tällöin syntyy kidevedellistä uranyylinitraattia UO₂(NO₃)₂· 6 H₂O. Sitä kuumennettaessa syntyy uraanitrioksidia UO₃,joka voidaan pelkistää vedyn avulla uraanidioksidiksi UO₂.UO₂on stabiilia ilmassa. Metallista uraania voidaan tehdäelektrolyysilläuraanitetrafluoridin ja natrium- tai kalsiumkloridiseoksesta. Uraanitetrafluoridia valmistetaan antamalla uraanidioksidin reagoida kaasumaisenvetyfluoridinkanssa. Toinen vaihtoehto on pelkistää sitä metallihalidista alkali- tai maa-alkalimetallista. Hyvin puhdasta metallista uraania voidaan valmistaa hajottamalla uraanihalideja kuumallahehkulangalla.

Uraanin väkevöinti

Pääartikkeli:Uraanin väkevöinti

Luonnossa esiintyvästä uraanista suurin osa on isotooppia²³⁸U, joka ei ole reaktiivinenfissionkautta. Uraania voidaan väkevöidä, eli²³⁵U-isotoopin suhteellista määrää kasvatetaansentrifugintai kaasudiffuusion avulla. Kaasudiffuusiossa uraaniheksafluoridi-kaasu ohjataanpuoliläpäisevän kalvonläpi, jolloin raskaampi²³⁸Udiffuntoituuhitaammin kuin kevyempi²³⁵U. Puoliläpäisevä kalvo on tyypillisesti hopeaa ja sinkkiä. Sentrifugoinnissa käytetäänuraaniheksafluoridia.Sentrifugointi on yleisin väkevöintikeino, kaasudiffuusiota käytettiin erityisesti toisen maailmansodan aikana. Muita keinoja on virittää spesifisti²³⁵U:n ja fluorin välistä sidosta, jolloin vain²³⁸U jää sitoutuneeksi fluoriin ja haluttu²³⁵U saostuu metallisena. Tavallisesti²³⁵U pitoisuus väkevöinnin jälkeen on 2–3 %, joka riittää ydinpolttoaineeksi. Ydinaseita varten uraani väkevöidään siten, että²³⁵U pitoisuus on noin 90 %.

Käyttö

Loviisan ydinvoimalaitoskäyttää uraania sähköntuottamiseen.

Uraania on käytetty 2 000 vuotta sitten lasin ja keramiikan värjäykseen. Uraanioksidit värjäävätlasin kellanvihreäksi.Uraania on käytetty myös tekstiiliteollisuudessa väriaineen tarttumisen helpottamiseksi. Sitä on käytetty myös hehkulampuissa kiinnittämäänhehkulankalamppuun. Sähkön nopeus uraanissa on pienempi kuin langassa, joten se hidastaa sähkön nopeutta ennen kuin se osuu lamppuun. Tämä estää langan katkeamista ja ylikuumenemista.

Nykyään uraanin pääasiallinen käyttökohde onydinpolttoaineenaydinvoimaloissa.Noin 14 % kaikesta maailman sähköstä tuotetaan uraanin avulla.Kunneutroniosuu²³⁵U nuklidiin, voi tietyllä todennäköisyydellä tapahtuafissio,jossa vapautuu energiaa. Tytärnuklidien ja vapautuvien neutronien kineettinen energia sekä muiden, muun muassa tytärnuklidien, hajoamisenergiat siirtyvät ensiöpiirin veteen, joka ohjataan lämmönvaihtimeen. Toisiopiirin vesi höyrystyy ja pyörittäähöyryturbiinia,ja tämä muodostaageneraattorissasähkövirtaa. Yksi kilogramma 4-prosenttiseksi rikastettua uraanipolttoainetta tuottaa energiaa saman verran kuin 1 500 tonniakivihiiltäeli noin 20 biljoonaajoulea.Polttoaineena käytetään yleensä väkevöityä uraania, jonka²³⁵U-pitoisuus on noin 3 %.CANDU-reaktorissa voidaan käyttää luonnon uraania, joka sisältää huomattavasti vähemmän kuin 3 % uraanin isotooppia²³⁵U.

Uraania (90+%²³⁵U) voidaan hyödyntää myösydinaseessa.Köyhdytettyä uraaniavoidaan käyttää panssarin läpäisevissä ammuksissa ja panssareissa, sillä uraanilla on hyvin korkea tiheys. Uraania (²³⁸U) käytetään myös suojana radioaktiivista säteilyä vastaan. Köyhdytetty uraani on myrkyllistä. Jos uraania sisältävä ammus räjähtää, voi muodostua myös kaasumaisia uraaniyhdisteitä. Jos ammus pirstoutuu tai jauhautuu pölyksi, voi uraania ja uraaniyhdisteitä joutua maaperään ja vesistöihin ja aiheuttaa terveysriskejä. Muodostunut pöly on myöspyroforista.

Isotooppia²³⁸U voidaan muuttaaplutoniumiksihyötöreaktorissa.Plutoniumia voidaan hyödyntää ydinpolttoaineena.

²³⁸U(n, γ) →²³⁹U(β⁻) →²³⁹Np(β⁻) →²³⁹Pu

Uraania voidaan hyödyntää myös kaikkein pitkäikäisimpien kivien iän arviointiin. Sitä voidaan käyttääröntgensäteilylähteenä.Uraania voidaan käyttäälejeeringeissätuomaan vahvuutta, sitkeyttä ja vetolujuutta.

Lähteet

• Grenthe, Ingmar et al.:” luku 5”,Uranium,s. 253–698. Teoksessa: Morss, Lester R. et al. (toim.)The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements,3. painos. Dordrecht: Springer, 2006.ISBN 1402035985.Teoksen verkkoversio(PDF).(englanniksi)(Arkistoitu– Internet Archive)
• Lehto, Jukka & Hou, Xiaolin:Chemistry and Analysis of Radionuclides.Weinheim: Wiley-VCH, 2011.ISBN 8-3-528-32658-7.(englanniksi)

Aiheesta muualla

• PubChem: Uranium(englanniksi)
• Periodictable: Uranium(englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Uranium(englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Uranium-233(englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Uranium-234(englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Uranium-235(englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Uranium-238(englanniksi)
• Webmineral: Mineral Species containing Uranium (U)(englanniksi)
• Mindat: The Mineralogy of Uranium(englanniksi)
• Dr. Duke's Phytochemical and Ethnobotanical Databases: Uranium(englanniksi)
• The Royal Society of Chemistry (RSC): Uranium(englanniksi)

Ydintekniikka

Ydinfysiikka	Atomi Fissio Fuusio Säteily Radioaktiivisuus Ionisoiva säteily Ydinräjähdys Fissiili Vaikutusala Kriittinen massa
Ydinvoima	Ydinvoiman käyttökohteet Ydinpolttoainekierto Säteilyturvallisuus Ydinturvallisuus Ydinjätehuolto Geologinen loppusijoitus Uraani Uraanin esiintyminen Uraanikaivos Uraanin väkevöinti Plutonium Torium Torium-ydinpolttoainekierto
Ydinreaktori	Kevytvesireaktori Kiehutusvesireaktori Painevesireaktori VVER-reaktori EPR-reaktori RBMK-reaktori MKER-reaktori CANDU-raskasvesireaktori AP1000-reaktori Pieni modulaarinen reaktori Hyötöreaktori Kiihdytinreaktori SCWR-reaktori Nestemäisellä metallilla jäähdytetty reaktori Sulasuolareaktori Kaksoisfluidireaktori Fuusioreaktori
Ydinaseet	Ydinsota Vetypommi Neutronipommi Ydinaseriisunta Vaikutukset
Ydinonnettomuus	Fukushiman ydinvoimalaonnettomuus Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus Three Mile Islandin ydinvoimalaonnettomuus Luettelo ydinonnettomuuksista Luettelo ydinlaitostapahtumista Ydinvoimalan sydämen sulamisonnettomuus Ydinaseonnettomuus INES-asteikko
Ydinvoima Suomessa	Olkiluodon ydinvoimalaitos Loviisan ydinvoimalaitos Hanhikiven ydinvoimalaitos