Uraan is 'n silwerwit metaalagtigechemiese element in die aktiniede reeks van die periodieke tabel, met 'n atoomgetal van 92. Uraan word met die chemiese simboolU weergegee. 'n Uraan-atoom het 92 protone en 92 elektrone. 6 van die elektrone is valenselektrone. Die uraankern bevat tussen 141 en 146 neutrone. Daar word gewoonlik 6 isotope van uraan onderskei. Al hierdie isotope is onstabiel, maar natuurlike uraan se radioaktiwiteit is redelik swak, omdat die twee algemeenste isotope, uraan-238 (146 neutrone) en uraan-235 (143 neutrone) 'n uiters lang halfleeftyd het. Uraan het die tweede hoogste atoomgetal van elemente wat natuurlik voorkom, naas plutonium-244.[2] Uraan se digtheid is omtrent 71% hoër as dié van lood, maar nie so dig soos goud of iridium nie. In die natuur kom dit in lae konsentrasies voor (min deeltjies per miljoen) in grond, rotse en water, en word kommersieel ontgin uit uraandraende minerale soos uraniniet.
In die natuur kom uraan voor as uraan-238 (99,284%), uraan-235 (0,711%),%),[3] en baie klein hoeveelhede uraan-234 (0,0058%). Uraan verval stadig deur die uitstraling van 'n alfadeeltjie. Die halfleeftyd van uraan-238 is omtrent 4,47 miljard jaar en vir uraan-235 is dit 704 miljoen jaar,[4] wat dit nuttig maak vir die datering van die Aarde se ouderdom.
Hedendaagse gebruike van uraan baat by die unieke kerneienskappe daarvan. Uraan-235 word geken daarvoor dat dit die enigste splytbareisotoop is wat natuurlik voorkom. Uraan-238 is splytbaar deur vinnige neutrone en is ook fertiel (wat omgeskakel kan word na splytbare plutonium-239 in 'n kernreaktor). 'n Kunsmatige splytbare isotoop, uraan-233 kan geproduseer word vanuit natuurlike torium, wat ook belangrik is vir kerntegnologie. Uraan-235, en tot 'n mindere mate uraan-233, het 'n hoër waarskynlikheid vir spontane kernsplyting as uraan-238 wanneer dit deur stadige neutrone gebombardeer word. Hierdie kernreaksie genereer die hitte in kernreaktore en voorsien die kernsplytingsmateriaal vir kernwapens. Albei gebruike is afhanklik van die beskikbaarheid van uraan om 'n volhoubare kettingreaksie voort te bring. Verarmde uraan (uraan-238) word gebruik in kinetiese energie penetratore en in pantserplate.[5]
Uraan word gebruik as 'n kleurmiddel in uraanglas, wat 'n oranje-rooi tot lemoen-geel skynsels produseer. Dit was ook gebruik vir tinte en beskaduwing tydens vroeë fotografie. Die ontdekking van uraan in die mineraal Uraniniet (of pikblende) in 1789 kan aan Martin Heinrick Klaproth toegeskryf word. Hy het die element vernoem na die planeet Uranus. Eugène-Melchior Péligot was die eerste persoon wat die metaal geskei het, en die radioaktiewe eienskappe daarvan is ontdek in 1896 deur Henri Becquerel. Navorsing van Enrico Fermi en ander persone wat in 1934 begin het, het gelei tot die gebruik daarvan in die kernkragindustrie en in Little Boy, die eerste kernwapen wat gebruik is in 'n oorlog. 'n Daaropvolgende bewapeningsresies gedurende die Koue Oorlog tussen die Verenigde State van Amerika en die Sowjetunie het tienduisende kernwapens geproduseer wat verrykte uraan en uraan-verarmde plutonium gebruik. Die bewaring van daardie wapens en hul kernmateriaal na die ineenstorting van die Sowjetunie in 1991 is steeds 'n voortdurende bekommernis vir gesondheid en veiligheid van die publiek.[6]
Uraanmetaal reageer met byna alle nie-metaal elemente en hul chemiese verbindings, met 'n reaktiwiteit wat verhoog met temperatuur.[9]Soutsuur en salpetersuur los uraan op, maar nie-oksiderende sure val die element baie stadig aan.[8] Indien dit fyn gemaal word, sal uraan met koue water reageer, en in lug word uraanmetaal bedek met 'n donker laag uraanoksied.[7] Uraan in erts word chemies onttrek en omgeskakel na uraandioksied of ander chemiese vorme wat in die industrie gebruik kan word.
Uraan-235 is kernsplytbaar, en die eerste isotoop wat ontdek is met hierdie eienskap. Ander natuurlike isotope kan splytbaar gemaak word, maar kom nie in die natuur in daardie toestand voor nie. Wanneer uraan-235 met stadige neutrone gebombardeer word, sal hierdie isotoop in die meeste gevalle opdeel in twee kleiner atoomkerne, die kernverbindingsenergie loslaat, en ook nog neutrone. Wanneer hierdie neutrone weer deur ander uraan-235 kerne geabsorbeer word, sal 'n kettingreaksie begin wat tot 'n ontploffing kan lei, indien die reaksie nie verstadig word deur 'n neutron bemiddelaar nie. Laasgenoemde absorbeer die vrye neutrone. So min as 7 kg uraan-235 kan gebruik word om 'n atoombom te maak.[10] Die eerste kernbom wat in oorlog gebruik is, Little Boy, het staatgemaak op uraansplyting, maar die eerste kernontploffing (The gadget) en die bom wat Nagasaki verwoes het (Fat Man), was plutonium bomme.
γ (ruimtegesentreerde kubies) vanaf 760 °C tot en met smeltpunt—dit is die mees plet- en rekbare toestand.
Toepassings
Militêr
Verarmde uraan word gebruik by verskeie krygsafdelings, onder andere in hoë-digtheid penetratore.
Uraan word hoofsaaklik in die militêre sektor gebruik in hoë-digtheid penetratore. Hierdie ammunisie bestaan gewoonlik uit 'n verarmde uraan-allooi met 1 tot 2% ander elemente. Met 'n hoë snelheidsimpak sorg die digtheid, hardheid, en vlambaarheid van die projektiel vir die vernietiging van swaar gepantserde voertuie. Tenkpantser en ander verwyderbare voertuigpantser word ook verhard met verarmde uraanplate. Die gebruik van verarmde uraan in wapens na die Persiese Golf- en Balkanoorloë het in politieke en omgewingskringe betwisbaar geraak — die gevolge van uraanverbindings in die grond is vervolgens bevraagteken (sien Golfoorlogsindroom).[10]
Verarmde uraan word ook gebruik as skutmateriaal in sommige houers wat radioaktiewe materiale stoor. Alhoewel die metaal op sigself radioaktief is, maak die hoë digtheid dit meer doeltreffend as lood om radiasie vanaf sterk bronne, soos radium, te stop.[8] Ander gebruike van verarmde uraan sluit die volgende in: teengewigte vir vliegtuigbeheeroppervlaktes, ballas in missiel herintrede voertuie, en as skutmateriaal.[7] Weens uraan se hoë digtheid, word hierdie materiaal gebruik in traagheidsgeleidingstelsels en in giroskopiesekompasse.[7] Verarmde uraan geniet voorkeur bo soortgelyke digte materiale weens die betreklik maklike masjieneerbaarheid, gieting, en die relatiewe lae koste daarvan.[12] Die hoof risiko van blootstelling deur verarmde uraan is chemiese vergiftiging deur uraanoksied — 'n groter risiko as radioaktiewe bestraling (uraan is 'n swak alfa-uitstraler).
Gedurende die einde van die Tweede Wêreldoorlog, die Koue Oorlog, en in 'n mindere mate na dit, was uraan gebruik as 'n bron van kernspytingsmateriaal vir die produksie van kernwapens. Daar was hoofsaaklik twee tipes kernsplytingsbomme gebou: 'n relatief eenvoudige toestel wat uraan-235 gebruik, en 'n meer ingewikkelde meganisme wat uraan-238-afgeleide plutonium-239 gebruik het. Later is 'n meer komplekse en by verre kragtige fusiebom ontwikkel: 'n plutonium gebaseerde toestel in 'n uraan-omhulsel wat veroorsaak dat 'n mengsel tritium en deuteriumkernfusie ondergaan.[13]
Siviel
Die mees sigbare burgerlike gebruik van uraan is in kernkragsentrales; dit is 'n bron van termiese energie
Uraan word in die siviele sektor hoofsaaklik gebruik as 'n bron van brandstof vir kernkragsentrales. Een kilogram uraan-235 kan teoreties ongeveer 80 biljoenjoule energie (8×1013 joule) verskaf, met die aanname dat volledige kernsplyting plaasvind, wat 3 000 tonsteenkool verteenwoordig.[5]
Kommersiële kernkragaanlegte gebruik tipies brandstof wat verryk is tot ongeveer 3% uraan-235.[5] Die CANDU-reaktor is die enigste kommersiële reaktor wat die vermoë het om onverrrykte uraan te gebruik. Brandstof wat vir die V.S.A. vloot se kernskepe gebruik word is gewoonlik hoogs verryk met uraan-235 (die eksakte waardes is geklassifiseerd). In 'n kweekreaktor kan uraan-238 omgeskakel word in plutonium deur die volgende reaksie:[7]238U (n, gamma) → 239U -(beta) → 239Np -(beta) → 239Pu.
Een van die groot probleemareas rondom die gebruik van uraan in kernkragtegnologie is die verwydering daarvan. Konvensionele kernreaktore verbruik slegs tussen 1 tot 2% uraanbrandstof.
Voor die ontdekking van radioaktiwiteit was uraan hoofsaaklik gebruik in klein hoeveelhede vir die vervaardiging van geel glas en die verglasing van potte, byvoorbeeld uraanglas en in Fiestaware.
Die ontdekking en isolering van radium in uraanerts (pikblende) deur Marie Curie het aanleiding gegee tot die ontginning van uraan vir radium-ekstraksie, wat gebruik was om naggloeiende verwe vir horlosies en vliegtuigwyserplate te maak.[14] Dit het veroorsaak dat kolossale hoeveelhede uraan vir afvalproduk gelaat is, omdat ongeveer drie ton uraan verwerk moet word vir een gram radium. Hierdie afvalproduk is gestuur na die verglasingsindustrie, wat uraanverglasing goedkoop en volop gemaak het. Afgesien die verglasing in pottebakkerye, het uraanteëlvervaardiging die meeste van die gebruik opgeneem, vanwaar die groen, geel, ligpers, swart, blou, rooi en ander kleure vir gewone badkamer- en kombuisteëls.
Uraanglas soos gebruik vir seëls in vakuumkapasitore.
Uraan was ook gebruik in fotografiese chemikalieë (veral uraannitraat in die ink),[7] in lampgloeidrade, vir die voorkoms van kunsgebitte, en in die leer- en houtbedrywe as kleurmiddel. Uraansoute word gebruik as 'n bytstof in sy of wol. Uranielasetaat en uranielformaat word gebruik vir elektondigte “kleurmiddels” in elektronmikroskopie, vir die kontras van biologiese eksemplare in ultradun dele en vir die negatiewe klad van virusse, geïsoleerde selorganelle en makromolekules.
Die ontdekking van radioaktiwiteit in uraan het tot die addisionele wetenskaplike en praktiese gebruike van die element gelei. Die lang halfleeftyd van die uraan-238 isotoop (4,51×109 jaar) word gebruik in die beraming van die vroegste vulkaniese rotse, en vir ander tipes radiometriese datering, wat uraan-lood datering en uraan-torium datering insluit. Uraanmetaal word gebruik vir X-straal teikens wanneer hoë-energie X-strale gemaak word.[7]
Geskiedenis
Prehistoriese, natuurlike kernsplyting
In 1972 het die Franse fisikus, Francis Perrin, vyftien antieke en onaktiewe natuurlike kernsplytingsreaktore ontdek in drie afsonderlike ertsneerslae by die Oklo myn in Gaboen, Wes-Afrika. Dit staan gesamentlik bekend as die Oklo-Fossielreaktore. Die ertsneerslag word rondom 1,7 biljoen jaar oud beraam; dit word beweer dat op daardie stadium het uraan-235 omtrent drie persent van die totale uraan op die Aarde beslaan.[15] Die uraan-235 inhoud is hoog genoeg sodat 'n volhoubare kernsplytingskettingreaksie toegelaat is, op voorwaarde dat ander ondersteunende toetande ook bestaan. Die kapasiteit van die omliggende sediment vir die berging van kernafval is deur die V.S.A. se federale regering aangehaal as bewyse vir die lewensvatbaarheid om uitgeputte kernafval by die Yucca Berg Kernafval Repositorium te stoor.[15]
Die ontdekking van uraan kan toegeskryf word aan die Duitse chemikus, Martin Heinrich Klaproth. Terwyl hy te werk was in sy ekspertimentele laboratorium in Berlyn in 1789, was Klaproth in staat om 'n gelerige verbinding in neerslagvorm (waarskynlik natriumdiuranaat) te skei deur pikblende in salpetersuur op te los, en die oplossing te neutraliseer met natriumhidroksied.[17] Klaproth het die fout gemaak om aan te neem dat die geel stof 'n oksied van 'n onontdekte element was. Hy het dit met houtskool verhit, 'n swart poeier verkry, en verneem die poeier is die nuut ontdekte metaal op sigself (inteendeel, daardie poeier was 'n oksied van uraan).[17][18] Hy het die nuutontdekte element na die planeet Uranus vernoem, wat William Herschel ag jaar vantevore ontdek het.[19]
In 1841 het Eugène-Melchior Péligot, 'n professor van Analitiese Chemie aan die Conservatoire national des arts et métiers (Sentrale Skool van Kunste en Vervaardigings) in Parys, die eerste monster uraanmetaal geskei deur uraantetrachloried te verhit met kalium.[17][20] In 1850 is die eerste kommersiële gebruik van uraan in glas ontwikkel deur Lloyd & Summerfield van Birmingham, Engeland. Uraan was nie juis gevaarlik beskou gedurende die meeste van die 19de eeu nie, wat tot baie gebruike van die element gelei het. Een van daardie gebruike van die oksied was, soos reeds genoem en nie meer 'n geheim nie, die verkleuring van erdewerke en glas.
Antoine Henri Becquerel het in 1896 radioaktiwiteit ontdek deur uraan te gebruik.[9] Becquerel het die ontdekking in Parys gemaak deur 'n monster uraansout, K2UO2(SO4)2, bo-op 'n fotografiese plaat te los wat nog nie blootgestel was nie. Hy het opgemerk die plaat wat in 'n laai gelê het, het ‘mistig’ geraak.[21] Hy het beslis dat 'n vorm onsigbare lig of strale wat deur die uraan uitgestraal is, het die plaat blootgestel.
Kernsplytingsnavorsing
Enrico Fermi (onder links) en die res van die span wat die eerste volhoubare, kunsmatige kettingreaksie geïnisieer het. (1942)
'n Span wat deur Enrico Fermi in 1934 gelei is, het waargeneem dat uraan met neutrone gebombardeer die uitstraling van beta strale produseer (elektrone of positrone; sien betadeeltjie).[22] Die spytingsproduk was eers verkeerdelik gesien as nuwe elemente met atoomgetalle 93 an 94, wat die Dekaan van die Fakulteit van Rome, Orso Mario Corbino, ‘’ausonium’’ en ‘’hesperium’’ onderskeidelik gedoop het.[23][24][25][26] Die eksperimente wat gelei het tot die ontdekking van uraan se vermoë om te splyt (uitmekaar te breek) na ligter elemente en dan die bindingsenergie vry te stel was uitgevoer deur Otto Hahn en Fritz Strassmann[22] in Hahn se laboratorium in Berlyn. Lise Meitner en haar familielid, fisikus Otto Robert Frisch, het in Febuarie 1939 die fisiese verduideliking daarvan gepubliseer, en die proses ‘kernsplyting’ benoem.[27] Gou daarna het Fermi gepostuleer dat die kernsplyting van uraan dalk genoeg neutrone kan vrylaat om 'n kernreaksie te onderhou. Sy hipotese is in 1939 bevestig, en later is daar gevind dat 'n gemiddelde van 2,5 neutrone vrygestel word vir elke splyting van die skaars uraan isotoop, uraan-235.[22] Verdere werk het gevind dat die meer algemene uraan-238 isotoop kan getransmuteer word na plutonium, wat, soos uraan-235, ook splytbaar is deur termiese neutrone. Hierdie ontdekkings het talle lande gelei om aan die werk te spring met die ontwikkeling van kernwapens en kernkrag.
Op 2 Desember 1942, deel van die Manhattan-projek, het 'n ander span wat gelei was deur Fermi die eerste kunsmatige self-onderhoudende kettingreaksie, Chicago Stapel-1 geïnisieer. In 'n laboratorium onder die pawiljoen van Staggveld by die Chicago Universiteit, het hierdie span die regte toestande geskep vir só 'n reaksie deur 360 tongrafiet, 53 ton uraanoksied en 5,5 ton uraanmetaal op te hoop.[22]
Bomme
Die sampioenwolk oor Hiroshima na die werping van die uraangebaseerde atoombom met die bynaam 'Little Boy'. (1945)
Twee hooftipes atoombomme was ontwikkel deur die V.S.A. gedurende die Tweede Wêreldoorlog: 'n uraangebaseerde toestel (kodenaam “Little Boy”) met kernmateriaal van hoogs verrykte uraan, en 'n plutoniumgebaseerde toestel (sien Trinity-kernwapentoets en Fat Man) met plutonium afgelei vanaf uraan-238. Die eerste kernwapen wat in 'n oorlog gebruik was, was die uraangebaseerde Little Boy toestel. Dit was oor die Japannese stad Hiroshima op 6 Augustus 1945 gedetoneer. Die ontploffing was ekwivalent aan 12 500 ton TNT, waarvan die rukwind en termiese golf amper 50 000 geboue en 75 000 mense vernietig het.[21] Aanvanklik was dit geglo dat uraan betreklik skaars is, en dat kernvermeerdering voorkom kan word deur al die uraanvoorrade uit te koop, maar in 'n dekade is groot uraanreserwes ontdek in baie plekke regoor die wêreld.[28]
Reaktore
Vier gloeilampe wat skyn met elektrisiteit opgewek vanaf die eerste kunsmatige elektrisiteitsproduserende kernreaktor, Eksperimentele Kweekreaktor I (1951)
Die X-10 Grafietreaktor by Oak Ridge Nasionale Laboratorium (ORNL) in Oak Ridge, Tennessee, voorheen bekend as die Clinton Stapel en X-10 Stapel, was die wêreld se tweede kunsmatige kenreaktor (ná Enrico Fermi se Chicago Stapel), maar die eerste reaktor wat ontwerp was vir voortdurende bedryf. Die Eksperimentele Kweekreaktor I by die Idaho Nasionale Laboratorium (INL) naby Arco, Idaho het die eerste kernreaktor geword om elektrisiteit te produseer, op 20 Desember 1951. Aanvanklik het hierdie reaktor vier 150-watt gloeilampe laat skyn, maar verbeteringe het uiteindelik die reaktor in staat gestel om krag aan die hele fasiliteit te verskaf (later was die hele dorp Arco se elektrisiteit voorsien deur kernkrag, 'n eerste in die wêreld).[29] Die wêreld se eerste kernkragsentrale op kommersiële skaal, die Obninsk Kernkragsentale in die Sowjetunie, het opwekking begin met reaktor AM-1 op 27 Junie 1954. Ander kernkragsentrales wat gevolg het was Sellafield in Engeland wat opwekking begin het op 17 Oktober 1956 [30] en die Shippingport Atomiese Kragstasie in Pennsilvanië met bedryfstelling op 26 Mei 1985. Kernkrag was die eerste keer vir aandrywing gebruik deur 'n duikboot in die USS Nautilus (SSN-571) in 1954.[22]
Kontaminasie en die Koue Oorlog nalatenskap
Kernwapenvoorraad, 1945–2014.
Bogrondse kerntoetse deur die Sowjetunie en die V.S.A. in die 1950’s en vroeë 1960’s, en deur Frankryk en Israel in die 1970’s en 1980’s[12] het beduidende hoeveelhede kernafval vanaf uraan dogterisotope regoor die wêreld versprei.[31] Addisionele afval en besoedeling het voorgekom vanaf verskeie kernongelukke.[32][33]
Uraanmynwerkers toon meer voorvalle van kanker. 'n Oormatige risiko van longkanker tussen die Navajo uraanmynwerkers is gedokumenteer, en skakel nou aan hul beroep.[34] In die V.S.A. is 'n wet, die “Bestraling Blootstelling Kompensasie Wet,” in 1990 deurgevoer wat vereis dat $100 000 vir “medelye betaling” aan uraanmyners met kanker of ander respiratoriese kwale betaal moet word.[35]
Gedurende die Koue Oorlog tussen die Sowjetunie en die V.S.A. is enorme voorrade uraan bymekaargemaak en tienduisende kernwapens was geskep deur verrykte uraan, en gemaakte plutonium vanaf uraan. Sedert die ineenstorting van die Sowjetunie in 1991, word daar beraam dat ongeveer 540 ton hoogs verrykte wapens graaduraan (genoeg om 40 000 kernplofkoppe te maak) gestoor is in fasiliteite met dikwels onvoldoende bewaking in die Russiese Federasie en ander vorige Sowjetstate.[10] Polisie in Asië, Europa en Suid-Amerika het ten minste in 16 gevalle vanaf 1993 tot 2005 gesmokkelde bomgraad uraan- of plutoniumvragte onderskep, die meeste afkomstig vanaf eens Sowjetbronne.[10] vanaf 1993 tot 2005 het die V.S.A. ongeveer $550 miljoen gespandeer vir die beveiliging van uraan en plutonium voorrade in Rusland.[10] Hierdie geld was gebuik vir die verbetering en sekuriteitsverhoging by navorsing- en stoorfasiliteite. Die Scientific American het in Februarie 2006 gerapporteer dat sommige van hierdie fasiliteite se sekuriteit hewig vervalle kettingskakelomheinings beslaan. Volgens 'n onderhoud in die artikel het een van hierdie fasiliteite monsters verrykte (wapengraad) uraan in 'n besemkas gestoor voor die verbeteringsprojek; 'n ander het boekgehou van die kernplofkopvoorraad deur die bewaring van indekskaarte in 'n skoenboks.[36]
Voorkoms
Bioties en abioties
Uraniet, ook bekend as pikblende, is die mees algemene erts wat ontgin word vir die ekstrasie van uraan.
Uraan is 'n element wat natuurlik voorkom, en gevind word in lae konsentrasies in alle rotse, grond en water. Uraan is ook die element met die hoogste atoomgetal wat natuurlik op die aarde voorkom in beduidende hoeveelhede, en word altyd gevind in verbinding met ander elemente.[7] Saam met ander elemente met hoër atoomgetalle as dié van yster, word dit net natuurlik gevorm in supernovas.[37] Die verval van uraan, torium en kalium-40 in die aardmantel word beskou as die hoofbron van hitte[38][39] wat die buitense kern 'n vloeistof hou en die mantel konveksie dryf, wat op sy beurt weer plaattektoniek veroorsaak.
Uraan se gemiddelde konsentrasie in die Aarde se kors is (afhangend van die bron) 2 tot 4 dele per miljoen,[8][12] of omtrent 40 keer meer volop as silwer.[9] Daar word bereken dat die aarde se kors vanaf die oppervalk tot sowat 25 km afwaarts bevat 1017 kg uraan, terwyl die oseaan dalk ongeveer 1013 kg kan bevat.[8] Die konsentrasie van uraan in grond strek van 0,7 tot 11 dele per miljoen (en tot 15 dele per miljoen in landbougrond, weens die gebruik van fosfaat kunsmis) en die konsentrasie in seewater is 3 dele per miljard.[12]
Sommige organismes, soos die korsmos Trapelia involuta of mikroörganismes soos die bakterieCitrobacter, kan konsentrasies uraan absorbeer tot 300 keer hoër as hul omgewing. .[41]Citrobacter spesies absorbeer uranielione wanneer gliserolfosfaat (of ander soortgelyke organiese fosfate) aan hulle gegee word. Na een dag kan een gram bakterieë bekors word met nege gram uranielfosfaatkristalle; dit skep die moontlikheid dat hierdie organismes in biogeneeskunde tot die onbesoedeling van uraan-gekontamineerde water gebruik kan word.[17][42]
In die natuur vorm uraan(VI) 'n hoogs oplosbare karbonaat komplekse by hoë pH’s (basies). Dit lei tot 'n verhoging in vervoerbaarheid en beskikbaarheid van uraan om vanaf kernafval na grond en ondergrondse water te beweeg, wat kan lei tot gesondheidsgevare. Dit is egter moeilik om uraan in die fosfaatvorm te presipiteer indien oortollige karbonaat teenwoordig is by 'n alkaliese pH. Daar is gevind dat 'n Sphingomonas sp. stam 'n hoë aktiwiteit alkaliese fosfatase kan uitdruk, wat al toegepas is vir die biopresipitasie van uraan in uranielfosfaat spesies vanuit alkaliese oplossings. Die presipitasie vermoë was verhoog deur die fosfatase proteïen in E. coli oormatig uit te druk.[43]
Plante absorbeer sommige uraan vanuit grond. Droë-gewig konsentrasies uraan in plante wissel van 5 tot 60 dele per miljard, en as wat verkry word uit verbrande hout kan konsentrasies tot 4 dele per miljoen bevat.[17] Droë-gewig konsentrasies uraan in voedselplante is tipies laer met een tot twee mikrogram per dag, wat ingeneem word deur dit wat mense eet.[17]
Produksie en ontginning
Geelkoek is 'n gekonsentreerde mengsel uraanoksiedes wat verder verwerk word om suiwer uraan te onttrek.
Uraanproduksie wêreldwyd het in 2006 39 655 ton behaal, waarvan 25% ontgin is in Kanada. Ander belangrike lande wat uraan myn is Australië (19,1%), Kasakstan (13,3%), Niger (8,7%), Rusland (8,6%), en Namibië (7,8%).
Uraanerts word gemyn met verskeie metodes: oopgroef, ondergronds, in situ loging, en deur boorgatmyne.[5] Lae graad uraanerts wat ontgin is in 2006 bevat tipies 0,01 tot 0,25% uraanoksides. Omvangryke ekstaksiemetodes moet toegepas word om metaal van die erts te skei.[44] Hoë graad erts wat gevind word in die Athabasca Kom, Saskatchewan, Kanada kan tot 23% uraanoksiedes op 'n gemiddelde basis bevat.[45] Uraanerts word verbrysel en verwerk tot 'n fyn poeier en dan geloog met óf 'n suur óf 'n alkali. Die uitgeloogde produk word dan onderwerp aan verskeie stappe van presipitering, oplosmiddelekstraksie, en ioonuitruiling. Die mengsel wat verkry word, genaamd geelkoek, bevat ten minste 75% uraanoksides. Geelkoek word dan gekalsineer om onsuiwerhede van te malingsproses te verwyder voor verdere verwerking.[46]
Ekonomiese uraanbronne sal vir ongeveer 100 jaar teen die 2006 verbruikingstempo voortbestaan, terwyl dit verwag word dat omtrent dubbel daardie hoeveelheid nog ontdek moet word. Met herverwerking en herwinning kan hierdie reserwes 'n nog vir duisende jare lewer.[47] Daar word beraam dat 5,5 miljoen ton uraanerts reserwes ekonomies ontginbaar is teen US$59/lb,[47] terwyl 35 miljoen ton geklassifiseer word as mineraalhulpbonne (redelike vooruitsigte vir uiteindelike ekonomiese ontginning).[48] 'n Beraamde, bykomende 4,6 miljard ton uraan word gevind in seewater (Japannese wetenskaplikes in die 1980’s het bewys dat die ekstraksie van uraan vanuit seewater deur ioonuitruiling te gebruik is tegnies moontlik).[49][50]
Uraaneksplorasie neem toe met US$200 miljoen wat wêreldwyd gespandeer is in 2005, 'n 54% toename op die vorige jaar.[48] Hierdie tendens het deur 2006 aangehou, toe eksplorasie-uitgawes tot oor $774 miljoen opgeskiet het, 'n toename oor 250% in vergelyking met 2004.
Australië besit 23% van die wêreld se uraanreserwes,[51] en die wêreld se grootste enkele uraanneerslag is geleë by die Olimpiese Dam Myn in Suid-Australië.[52]
Sommige kernbrandstowwe word verkry vanuit gedemonteerde kernwapens.[53]
Voorraad
Uraanproduksie in 2005.
In 2005 het sewentien lande gekonsentreerde uraanoksiedes geproduseer, met Kanada (27,9% van die wêreld se produksie) en Australië (22,8%) die wêreld se grootste produsente, asook Kasakstan (10,5%), Rusland (8,0%), Namibië (7,5%), Niger (7,4%), Usbekistan (5,5%), die V.S.A. (2,5%), Argentinië (2,1%), Oekraïne (1,9%) en China (1,7%) wat noemenswaardige hoeveelhede produseer.[54] In Kasakstan neem produksie gedurig toe, en mag selfs die wêreld se grootse produsent raak met 'n verwagte produksie van 12 826 ton vir 2009, in vergelyking met Kanada en Australië se verwagte 11 100 en 9 430 ton onderskeidelik.[55][56] Daar word geglo dat die beslissende hoeveelheid beskikbare uraan genoegsaam vir ten minste die volgende 85 jaar sal wees,[48] alhoewel sommige studies toon dat onderbelegging in die laat twintigste eeu voorsieningsprobleme in die 21ste eeu kan veroorsaak.[57] Kenneth S. Deffeyes en Ian D. MacGregor het dit uitgewys dat uraanneerslae blykbaar in 'n logaritmiese-normale verspreiding voorkom. Daar is 'n 300-voudige toename in die herwinbare uraanhoeveelhede vir elke tienvoudige toename in die ertsgraad.[58] Dit beteken dat daar is min hoëgraad-erts beskikbaar teenoor direk eweredige laegraad-erts in 'n meerdere mate.
Gekalsineerde uraan geelkoek wat geproduseer word in baie groot meule bevat 'n verspreiding van uraanoksied spesies in die verskeie vorme wat strek van die mees tot minste geoksideerde toestand. Deeltjies met kort residensie tye in 'n kalsieeroond sal gewoonlik minder geoksideerd wees as dié met langer residensie tye, of deeltjies wat in die skoorsteenskroptoring herwin word. Daar word gewoonlik na 'n uraaninhoud van U3O8 verwys, wat dateer uit die dae van die Manhattan-projek toe U3O8 gebruik was as 'n analitiese chemie standaard vir verslae.
Fase verhoudings in die uraan-suurstof stelsel is redelik kompleks. Die mees geoksideerde toestand van uraan is uraan(IV) en uraan(VI), asook hul twee ooreenstemmende oksiedes wat onderskeidelik uraandioksied (UO2) en uraantrioksied (UO3) heet.[59] Ander uraanoksides soos uraanmonoksied (UO) en uraanperoksied (UO4•2H2O) bestaan ook.
Die mees algemene vorm van uraanoksied is triuraanoktaoksied (U3O8) en UO2.[60] Albei oksied vorme is vastestowwe met 'n lae oplosbaarheid in water, en relatief stabiel oor 'n wye reeks omgewingstoestande. Triuraanoktaoksied is (afhangende van die toestande) die mees stabiele vorm van uraan en is ook die mees algemene vorm wat in die natuur voorkom. Uraandioksied is die vorm wat algemeen as 'n kernreaktorbrandstof gebruik word.[60] By omgewingstemperature sal UO2 geleidelik omskakel in U3O8. Die stabiliteit van uraanoksides maak dit die voorkeur vorm vir uraanberging en verwydering.[60]
Die wisselwerking van kabonaat anione met uraan(VI) veroorsaak dat die Pourbaix diagram noemenswaardig gewysig word indien die medium vanaf 'n wateroplossing na oplossing wat karbonaat bevat verander. Terwyl die meerderheid karbonate onoplosbaar in water is, is uraankarbonate soms wel oplosbaar in water. Dit is so omdat 'n U(VI) katioon kan bind met twee terminale oksides en drie of meer karbonate om 'n anioonkompleks te vorm.
Die effek van pH
’n Diagram wat die relatiewe konsentrasies van verskillende chemiese vorme van uraan toon in 'n nie-kompleksvormende waterige medium (byvoorbeeld perchloorsuur / natriumhidroksied).[62]’n Diagram wat die relatiewe konsentrasies van verskillende chemiese vorme van uraan toon in 'n waterige kabonaat oplossing.[62]
Die uraanfraksie diagramme met die teenwoordigheid van karbonate illustreer dit verder: wanneer die pH van 'n uraan(VI) oplossing vermeerder, sal die uraan omgeskakel word na 'n hidreerde uraanoksied hidroksied en by hoë pH’s sal dit 'n anioniese hidroksiedkompleks word.
Wanneer karbonate bygevoeg word, sal uraan omgeskakel word na 'n reeks karbonaatkomplekse indien die pH vermeerder. Een gevolg van hierdie reaksies is die toename in oplosbaarheid van uraan in 'n pH reeks van 6 tot 8 'n verskynsel wat 'n invloed het op die langtermyn stabiliteit van uitgeputte uraandioksied kernbrandstowwe.
Hidrides, karbides, en nitrides
Uraan wat verhit word in die teenwoordigheid van waterstof by 'n temperatuur van 250 tot 300 °C reageer om uraanhidried te vorm. By hoër temperature sal die waterstof omkeerbaar verwyder word. Hierdie eienskap van uraan maak uraanhidrides geskik as 'n begin-materiaal vir die vervaardiging van reaktiewe met verskeie ander karbiede-, nitriede-, en haliedeverbindings.[63] Twee kristal veranderinge van uraanhidried betaan: 'n α vorm verkrygbaar teen lae temperature, en 'n β vorm wat geskep word teen temperature bo 250 °C.[63]
Albei uraankarbides en uraannitrides is realtief inertehalfmetaalagtige verbindings wat minimaal oplosbaar is in sure, reageer met water, en kan verbrand in lug om U3O8 te vorm.[63] Karbides van uraan sluit uraanmonokarbied (UC), uraandikarbied (UC 2), en diuraantrikarbied (U2C3) in. UC en UC2 word gevorm deur koolstof by gesmelte uraan te voeg, of deur die uraanmetaal aan koolstofmonoksied by hoë termperature bloot te stel. U2C3 is stabiel onder 1 800 °C, en word voorberei deur 'n verhitte mengsel UC en UC2 onder meganiese spanning te onderwerp.[64] Uraannitrides word verkry deur die direkte blootstelling van die metaal aan stikstof insluitend unraanmononitried (UN), uraandinitried (UN2) en diuraantrinitried (U2N3).[64]
Halides
Uraanheksafluoried is die voermateriaal wat gebruik word om uraan-235 vanuit natuurlike uraan te skei.
Alle uraanfluoride word geskep deur uraantetrafluoried te gebruik (UF4); UF4 word self voorberei deur die hidrofluorinering van uraandioksied.[63] Die reduksie van UF4 met waterstof teen 'n temperatuur van 1 000 °C produseer uraantrifluoried UF3. Onder die korrekte toestande – temperatuur en druk – sal die reaksie tussen soliede UF4 met uraanheksafluoriedgas (UF6) intermediêre fluorides vorm soos U2F9, U4F17 en UF5.[63]
Teen kamertemperatuur het UF6 'n hoë dampdruk, wat dit gebruiklik maak in die gasdiffusie proses om uraan-235 vanuit die meer algemene uraan-238 isotoop te skei. Hierdie verbinding kan voorberei word uit uraandioksied en uraanhidried deur die volgende proses:[63]
UO2 + 4 HF → UF4 + 2 H2O (500 °C, endotermies)
UF4 + F2 → UF6 (350 °C, endotermies)
Die gevormde UF6, 'n wit vastestof, is hoogs reaktief (by fluorinering, sublimeer maklik (vorm byna 'n perfekte gasdamp)), en is die mees vlugtige verbinding van uraan wat bestaan.[63]
Een metode om uraantetrachloried (UCl4) te berei is deur die reaksie tussen chloor met uraanmetaal of uraanhidried. Die reduksie van UCl4 in die teenwoordigheid van waterstof produseer uraantricloried (UCl3) terwyl hoër uraanchlorides geproduseer word deur die reaksie met bykomstige chloor.[63] Alle uraanchlorides reageer met water en lug.
Bromides en jodides van uraan word gevorm deur die direkte reaksie van broom en jodium, ooreenkomstig, of deur die addisie van UH3 by die betrokke element se sure.[63] Bekende voorbeelde sluit die volgende in: UBr3, UBr4, UI3 en UI4. Uraanoksihalides is wateroplosbaar en sluit UO2F2, UOCl2, UO2Cl2 en UO2Br2 in. Die stabiliteit van oksihalides verminder soos die atoommassa van die halide komponent toeneem.[63]
↑(en) The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements: Third Edition by L.R. Morss, N.M. Edelstein, J. Fuger, eds. (Netherlands: Springer, 2006.)
↑(en) "Nuclear Weapon Design". Federation of American Scientists. 1998. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 28 Augustus 2016. Besoek op 19 Februarie 2007.
↑(de) M. H. Klaproth (1789). "Chemische Untersuchung des Uranits, einer neuentdeckten metallischen Substanz". Chemische Annalen. 2: 387–403.
↑(en) "Uranium". The American Heritage Dictionary of the English Language (4th edition). Houghton Mifflin Company.Geargiveer 27 Julie 2011 op Wayback Machine
↑(en) De Gregorio, A. (2003). "A Historical Note About How the Property was Discovered that Hydrogenated Substances Increase the Radioactivity Induced by Neutrons". [physics.hist-ph].
↑(en) T. Warneke, I. W. Croudace, P. E. Warwick, R. N. Taylor (2002). "A new ground-level fallout record of uranium and plutonium isotopes for northern temperate latitudes". Earth and Planetary Science Letters. 203 (3–4): 1047–1057. doi:10.1016/S0012-821X(02)00930-5.{{cite journal}}: AS1-onderhoud: meer as een naam (link)
↑(en) Newtan, Samuel Upton (2007). Nuclear War 1 and Other Major Nuclear Disasters of the 20th Century, AuthorHouse.
↑(en) L. E. Macaskie, R. M. Empson, A. K. Cheetham, C. P. Grey, A. J. Skarnulis (1992). "Uranium bioaccumulation by a Citrobacter sp. as a result of enzymically mediated growth of polycrystalline HUO2PO4". Science. 257 (5071): 782–784. doi:10.1126/science.1496397. PMID1496397.{{cite journal}}: AS1-onderhoud: meer as een naam (link)
↑(en) "Uranium recovery from Seawater". Japan Atomic Energy Research Institute. 23 Augustus 1999. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 7 Maart 2016. Besoek op 3 September 2008.
↑ 62,062,162,262,3(en) Ignasi Puigdomenech, Hydra/Medusa Chemical Equilibrium Database and Plotting Software (2004) KTH Royal Institute of Technology, freely downloadable software at [1]Geargiveer 29 September 2007 op Wayback Machine
(en) Seaborg, Glenn T. (1968). "Uranium". The Encyclopedia of the Chemical Elements. Skokie, Illinois: Reinhold Book Corporation. pp. 773–786. LCCCN 68-29938.
Eksterne skakels
Wikimedia Commons bevat media in verband met Uraan.
