Uraani – ominaisuudet, isotoopit, käyttö ja riskit

Uraani – ominaisuudet, isotoopit, käyttö ja riskit: kattava selitys uraanin kemiasta, isotoopeista, ydinenergiasta, ydinaseista, sovelluksista sekä terveys- ja ympäristöriskeistä.

Uraani on jaksollisen järjestelmän kemiallinen alkuaine ja raskas metalli. Sen järjestysluku on 92, mikä tarkoittaa, että uraaniatomin ytimessä on 92 protonia. Uraanin atomimassa on noin 238 u (käytännössä se vaihtelee isotooppien mukaan) ja tiheys ~19,1 g/cm³. Metallisena se on kiiltävän hopeanharmaa, mutta luonnossa ja teknisissä olomuodoissa sitä näkyy yleensä oksidina (esim. UO2, U3O8), jotka voivat olla tummia tai kellertäviä. Uraani on kemiallisesti melko reaktiivinen: se reagoi hapen, veden ja happojen kanssa muodostaen erilaisia oksideja ja suoloja.

Isotoopit ja niiden ominaisuudet

Maasta kaivettu uraani koostuu pääasiassa kolmesta isotoopista: uraani-238, uraani-235 ja uraani-234. Näissä isotoopeissa ytimissä on eri määrä neutroneita, mikä vaikuttaa niiden radioaktiiviseen käyttäytymiseen ja käyttökelpoisuuteen.

• Uraani-238: noin 99,27 % luonnonuraanista. Puoliintumisaika ~4,468 × 10^9 vuotta. Pääasiallinen hajoamistuote on alfahajoamisen kautta muodostuva sarja, joka lopulta tuottaa vakaita lyijy-isotooppeja.
• Uraani-235: noin 0,72 % luonnonuraanista. Puoliintumisaika ~7,04 × 10^8 vuotta. Uraani-235 on fissioituva isotooppi, ja sen kyky ylläpitää ydinketjureaktiota tekee siitä tärkeän ydinpolttoaineen ja ydinaseiden raaka-aineen.
• Uraani-234: hyvin pieni osuus (~0,0055 %). Puoliintumisaika ~2,45 × 10^5 vuotta. Uraani-234 esiintyy luontaisesti polttoaineen joukossa ja syntyy osittain U-238:n hajoamissarjassa.

Isotooppien erot määräävät, miten uraania käytetään: U-235 on fissioituvaa ja siten energianlähde ydinreaktoreissa ja aseissa, kun taas U-238 on ei-fissioituva mutta voi tuottaa fissioituvia plutonium-isotooppeja neutronisäteilyn vaikutuksesta.

Käytöt

Pitchblende (tunnetaan myös nimellä uraniniitti) on yksi tärkeimmistä uraanimalmeista. Uraania louhitaan, rikastetaan ja jalostetaan erilaisiin käyttötarkoituksiin:

• Ydinvoima: Reaktoreissa käytetään yleensä rikastettua uraania, jossa uraani-235-osuutta on nostettu noin 3–5 %:iin. Fissioprosessi tuottaa suuria määriä lämpöä, joka muuttuu höyryksi ja edelleen sähköksi.
• Ydinaseet: Aseissa tarvitaan usein korkeampi U-235-pitoisuus (asekäyttöön tyypillisesti >90 %), koska nopeasti etenevä ketjureaktio vaatii korkeamman fissioituvien ytimien tiheyden.
• Plutoniumin tuotanto: Reaktoreissa U-238 voi absorboida neutroneja ja muuttua plutonium-239:ksi, jota voidaan käyttää sekä polttoaineena että aseissa.
• Köyhdytetty uraani: Uraania, josta on poistettu suurin osa U-235:ttä, kutsutaan köyhdytetyksi uraaniksi. Se on tiheää ja sitä on käytetty panssarintorjunta-ammuksissa ja panssarin vahvistuksissa (mm. lävistyskyky ja lämmöntuotto osumassa). Köyhdytetty uraani on myös vähemmän radioaktiivista kuin luonnonuraani mutta säilyttää kemiallisen myrkyllisyyden.
• Teollisuus ja taide: Uraania on käytetty väriaineena ja lasin värjääjänä (mm. lasimaalaukset ja keramiikka) ennen radioaktiivisuuden tuntemusta. Lisäksi uraanin oksideja käytetään joskus teollisissa sovelluksissa ja analytiikassa.
• Ikästyminen ja geokronologia: Uraani-hajoamissarjoihin perustuva uraani-lyijy-määritys on tärkeä menetelmä kivien ja fossiilien iän määrittämisessä.

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Uraani on raskas metalli, jolla on useita alamuotoja (allotrooppisia muotoja) eri lämpötiloissa. Sen sulamispiste on noin 1 132 °C ja kiehumispiste ~4 131 °C. Metallisena se on pehmeää ja helposti muokattavaa, mutta jauheena tai hienojakoisena se voi olla pölyräjähdys- ja palovaara (pyroforinen).

Kemiallisesti uraani muodostaa useita yhdisteitä: oksideja (UO2, U3O8, UO3), fluorideja, klorideja ja sokereihin liukenevia komplekseja. Uraanioksidit ovat yleisiä polttoaineen ja malmien muodossa.

Terveys- ja ympäristöriskit

Radioaktiivisuuden ja raskasmetalliluonteensa vuoksi uraani aiheuttaa sekä säteily- että kemiallisia riskejä:

• Säteilyriski: Uraani on pääasiassa alfahiukkasia emittoiva radionuklidi. Alfa-hiukkaset eivät läpäise ihoa, mutta jos uraania hengitetään (pieniä pölyhiukkasia) tai niellään, alfa-säteily voi aiheuttaa vakavaa kudosvauriota ja lisätä syöpäriskiä. Uraanin hajoamissarjaan kuuluvat myös radium ja radon, joista radon on kaasumainen ja merkittävä keuhkosyövän riskitekijä sisäilman kautta.
• Kemiallinen toksisuus: Uraani on munuaistoksinen; suurina altistuksina se voi vaurioittaa munuaisia. Kemiallinen myrkyllisyys voi olla merkittävä jo ennen säteilyvaikutuksia etenkin ammatillisessa altistuksessa tai onnettomuustapauksissa.
• Ympäristövaikutukset: Uraanin louhinta ja rikastus tuottavat sivukiviä ja ydinjätteitä (tailings), jotka sisältävät radioaktiivisia ja raskasmetallipitoisia yhdisteitä. Väärin käsitellyt kaivokset voivat aiheuttaa pohjavesi- ja pintavesisaastumista sekä happamia valumia.
• Kaupalliset jätteet ja käytetty polttoaine: Käytetyt polttoainesauvat ovat voimakkaasti radioaktiivisia ja tuottavat hajoamisen aiheuttamaa jätelämpöä. Ne säilytetään aluksi vedessä jäähdytyksen ja säteilysuojauksen vuoksi; veden alla ne voivat synnyttää sinistä Cherenkovin säteilyä, joka näkyy hehkun kaltaisena valona.

Turvallisuus, käsittely ja jätehuolto

Uraanin käsittelyssä ja kuljetuksessa noudatetaan tiukkoja kansainvälisiä ja kansallisia säädöksiä. Tärkeitä toimenpiteitä ovat:

• Säteilysuojaus: etäisyys, suojaus ja oleskeluajan rajoittaminen, asianmukaiset mittaukset ja suojavarusteet.
• Kemiallisen altistuksen estäminen: hengityssuojaimet, suojakäsineet, liiallisen nielemisen ja ihokosketuksen välttäminen.
• Jätehuolto: käytetyn ydinpolttoaineen ja radioaktiivisten jätteiden pitkäaikaissäilytys joko reprocessingissä, loppusijoituksessa (geologiset varastot) tai säilytyksessä tiiviisti valvotuissa olosuhteissa.
• Louhinnan ympäristönsuojelu: jätteiden stabilointi, veden käsittely, maisemointi ja pitkäaikainen seuranta.

Käytännön huomioita ja väärinkäsityksiä

Monissa elokuvissa ja populaarikulttuurissa uraania kuvataan hehkuvana tai vihreänä aineena. Tämä ei vastaa metallisen uraanin todellista ulkonäköä: metalli on hopeanhohtoista, ja sen pintaan muodostuvat oksidit ovat yleensä mustia tai ruskeita. Sininen hehku, jota nähdään käytetyn polttoaineen altaissa, johtuu Cherenkovin säteilystä, ei siitä että uraani itsessään loistaisi näkyvästi huoneenlämmössä.

Uraani on sekä hyödyllinen että haitallinen: se mahdollistaa ydinenergian ja tieteelliset sovellukset, mutta vaatii tarkkaa valvontaa ja vastuullista käsittelyä ympäristö- ja terveysriskien minimoimiseksi.

Historia

Käyttö ennen tiedonhankintaa

Uraania käytettiin luonnollisessa oksidimuodossaan jo vuonna 79 jKr. Sitä käytettiin Rooman valtakunnassa tekemään keraamisista lasitteista keltaisia. Keltaista lasia, jossa oli 1 % uraanioksidia, löydettiin roomalaisesta huvilasta Cape Posilliposta Napolinlahdella Italiassa. Sen löysi R. T. Gunther Oxfordin yliopistosta vuonna 1912. Myöhäiskeskiajalla pikirouhetta louhittiin Habsburgien hopeakaivoksista Joachimsthalissa, Böömissä (nykyisin Jáchymov Tšekissä). Nämä kaivokset olivat 1800-luvun alussa maailman ainoat tunnetut uraanimalmin lähteet.

 
Uranus-planeetta, jonka mukaan uraani on nimetty.  

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on uraani?

K: Kuinka monta uraanin isotooppia on olemassa?

Kysymys: Mitä on pikirokko?

K: Miten uraania voidaan käyttää ydinreaktoreissa ja aseissa?

Kysymys: Onko köyhdytetty uraani radioaktiivista?

K: Minkä värinen on puhdistamaton luonnonuraani?

Hae kirjaimella