Bookshelf

4.2. FYSISKE, KEMISKE OG RADIOLOGISKE EGENSKABER

De fysiske egenskaber for uran og uranforbindelser, der er vigtige i den nukleare brændselscyklus og i forsvarsprogrammer, er anført i tabel 4-2. Den procentvise forekomst og de radioaktive egenskaber af naturligt forekommende isotoper af uran er anført i tabel 4-3. De to henfaldsserier for de naturligt forekommende isotoper af uran er vist i tabel 4-4.

Metallurgisk set kan uranmetal eksistere i tre allotrope former: orthorhombisk, tetragonal eller kropscentreret kubisk (Lide 2008), og det kan legeres med andre metaller for at ændre dets strukturelle og fysiske egenskaber, så de passer til anvendelsen. Ligesom aluminiummetalpulver er uranmetalpulver autopyrofor og kan brænde spontant ved stuetemperatur i nærvær af luft, ilt og vand. På samme måde oxiderer overfladen af bulkmetallet, når det først udsættes for atmosfæren, hurtigt og danner et tyndt overfladelag af UO2, som modstår iltgennemtrængning og beskytter det indre metal mod oxidation. Ved temperaturer på 200-400 °C kan uranpulver selvantænde i atmosfærer med CO2 og N2. For at forhindre selvantændelse kan uranbearbejdningsspåner opbevares i åbne beholdere og under maskinolie eller vand for at forhindre ophobning af brintgas. Brændende uran kan anbringes under vand, indtil det er slukket, hvilket kan forsinkes ved hydrolyse af vandet, som giver ilt og brint til fortsat forbrænding. Vandspray, CO2 og halon er ineffektive, og udledning af halon kan være eksplosivt og producere giftige gasser (DOE 2001).

Uran kan eksistere i fem oxidationstilstande: +2, +3, +4, +5 og +6 (Lide 2008); dog er kun tilstanden +4 og +6 stabil nok til at være af praktisk betydning. Tetravalent uran er rimeligt stabilt og danner hydroxider, hydrerede fluorider og fosfater med lav opløselighed. Hexavalent uran er den mest stabile tilstand, og den mest almindeligt forekommende tilstand er U3O8, selv om der findes nogle få lokale oplagringssteder for antropogent uranhexafluorid (UF6) i USA (DOE 2011a). De vigtigste forbindelser af uran omfatter oxider, fluorider, carbider, nitrater, chlorider, acetater og andre. Et af kendetegnene ved UO2+2-ioner er deres evne til at fluorescere under ultraviolet lys.

Selv om grundstoffet uran blev opdaget i 1789 af Klaproth, som gav det navnet “uranium” efter den nyopdagede planet Uranus, var det først i 1896, at Becquerel opdagede, at uran er radioaktivt. Der er 22 kendte isotoper af uran, hvoraf kun 3 forekommer naturligt (NNDC 2011). Disse tre isotoper, 234U, 235U og 238U, har relative massehyppigheder i Jordens uforstyrrede skorpe på henholdsvis 0,005, 0,72 og 99,275 %. Et gram naturligt uran med denne relative isotophyppighed har en aktivitet på 0,69 µCi. Af disse 0,69 µCi kan 49,0 % af aktiviteten henføres til 234U, 2,27 % af aktiviteten kan henføres til 235U og 48,7 % af aktiviteten kan henføres til 238U (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Dette forhold gælder kun for uforstyrret jordskorpe. Selv om den relative massehyppighed af 234U kun er 0,005 %, tegner den sig for ca. halvdelen af den samlede aktivitet. De relative isotophyppigheder, der er angivet ovenfor, kan til en vis grad ændres af naturlige processer, som ikke er fuldt ud forstået, men som kan forårsage forskellige forhold i luft, vand og jord som påvist i EPA-rapporter (EPA 1994a, 2007).

235U er en isotop af særlig interesse, fordi den er fissil (kan spaltes) og derfor kan opretholde en nuklear kædereaktion i nærvær af neutroner med passende energi. Den fremherskende isotop af uran, der findes i naturen, 238U, er ikke let spaltbar, men en lille del af dens omdannelser resulterer i spontan spaltning i stedet for det typiske alfafald; disse neutroner kan være tilstrækkelige til at igangsætte en kædereaktion under passende koncentration, masse og neutrontermalisering under passende betingelser. For at uran kan anvendes som brændsel i atomreaktorer, skal forholdet mellem 235U og 238U derfor øges fra 0,72 til 2-4% ved en proces, der kaldes berigning. Den berigelsesproces, der er mest anvendt i USA, kaldes gasdiffusion, men der kan også anvendes andre berigelsesprocesser med termiske, centrifugerings- og lasermetoder, og andre lande er aktivt involveret i produktion af beriget uran. Uranmalm forarbejdes til uranoxid (U3O8) og derefter fluorbehandles til UF6; dernæst ledes en strøm af UF6-gas, der indeholder alle tre isotopforbindelser, gennem en lang række diffusionstrin, hvor 234U og 235U passerer hurtigere end 238U. Den forreste del af strømmen har således en øget 235U-koncentration og kaldes beriget uranhexafluorid, mens den bageste del af strømmen har en reduceret 235U-koncentration og kaldes udarmet uranhexafluorid. Den procentvise berigelse er et mål for masseprocenten af 235U i det endelige produkt, og graden af berigelse bestemmes af anvendelsen. Beriget UF6 omdannes typisk til uranmetal eller -oxid til brændsel til kraftreaktorer eller til metal til våbenformål. UF6 med forarmet UF6 omdannes enten til uranmetal til en række civile og militære anvendelser eller lagres med henblik på fremtidig brug. Lavt beriget uran (2-4% beriget) anvendes i civile atomkraftreaktorer (DOE 2000), mens højt beriget uran (>90% beriget) anvendes i særlige forskningsreaktorer (hvoraf de fleste er taget ud af drift), reaktorkerner til atomubåde og atomvåben. Udarmet uranmetal anvendes som strålingsafskærmning, missilprojektiler, målelementer i plutoniumproduktionsreaktorer, en gyroskopkomponent og modvægte eller stabilisatorer i fly.

Uran undergår løbende en omdannelse gennem henfaldsprocessen, hvorved det frigiver energi for i sidste ende at blive et stabilt eller ikke-radioaktivt grundstof. For uranisotoperne er dette en kompleks proces, der indebærer seriel produktion af en kæde af henfaldsprodukter, såkaldte progenyprodukter, indtil der dannes et endeligt stabilt grundstof. Uranisotopernes henfaldsprodukter, som også er radioaktive, er vist i tabel 4-4. 238U er moderisotopen i uranserien (234U er et henfaldsprodukt af 238U), mens 235U er moderisotopen i actinium-henfaldsserien. Alle naturlige uranisotoper og nogle af deres efterkommere henfalder ved emission af alfapartikler; de andre medlemmer af begge serier henfalder ved emission af betapartikler og gammastråler (NNDC 2011). Både uran og actinium henfaldsserierne har tre fælles træk. Hver serie begynder med en langlivet parent, 235U eller 238U, hver serie indeholder en isotop af ædelgassen radon, og hver serie slutter med en stabil isotop af bly, 207Pb eller 206Pb.

Den tid, som det tager for halvdelen af atomerne i et radionuklid at omdanne sig, kaldes dets radioaktive halveringstid. Henfaldshastigheden og dermed halveringstiden er unik for hvert radionuklid. Halveringstiden for 238U er meget lang, nemlig 4,5×109 år; halveringstiden for 235U og 234U er meget lavere, nemlig henholdsvis 7,0×108 og 2,5×105 år. Da aktiviteten af en given uranmasse afhænger af massen og halveringstiden af hver enkelt tilstedeværende isotop, vil aktiviteten være højere, jo større den relative hyppighed af de hurtigere henfaldende 234U og 235U er, jo højere vil aktiviteten være. Således er forarmet uran mindre radioaktivt end naturligt uran, og beriget uran er mere radioaktivt.

Uran er usædvanligt blandt grundstofferne, fordi det både er et kemisk og et radioaktivt materiale. De farer, der er forbundet med uran, er afhængige af urans kemiske og fysiske form, indtagelsesvej og berigelsesgrad. Uranets kemiske form er afgørende for dets opløselighed og dermed for dets transportmuligheder i kropsvæsker samt for dets tilbageholdelse i kroppen og forskellige organer. Uranets kemiske toksicitet er det vigtigste sundhedsproblem, fordi opløselige uranforbindelser forårsager tungmetalskader på nyrevævet. De radiologiske farer ved uran kan være et primært problem, når indåndede, berigede (DOE 2001) og uopløselige uranforbindelser bliver langvarigt tilbageholdt i lungerne og de tilknyttede lymfedannelser.