Bookshelf

4.2. FYSIKAALISET, KEMIALLISET JA RADIOLOGISET OMINAISUUDET

Ydinpolttoainekierron ja puolustusohjelmien kannalta tärkeiden uraanin ja uraaniyhdisteiden fysikaaliset ominaisuudet on lueteltu taulukossa 4-2. Uraanin luonnossa esiintyvien isotooppien prosentuaalinen esiintyminen ja radioaktiiviset ominaisuudet on lueteltu taulukossa 4-3. Uraanin luonnossa esiintyvien isotooppien kaksi hajoamissarjaa on esitetty taulukossa 4-4.

Metallurgisesti uraanimetalli voi esiintyä kolmessa allotrooppisessa muodossa: orthorhombisessa, tetragonaalisessa tai kappalekeskeisessä kuutiomuodossa (Lide 2008), ja sitä voidaan seostaa muiden metallien kanssa sen rakenteellisten ja fysikaalisten ominaisuuksien muuttamiseksi käyttökohteen mukaan. Alumiinimetallijauheen tavoin uraanimetallijauhe on autopyroforista ja voi palaa spontaanisti huoneenlämmössä ilman, hapen ja veden läsnä ollessa. Samalla tavalla irtometallin pinta hapettuu nopeasti, kun se altistuu ensimmäisen kerran ilmakehälle, ja muodostaa ohuen UO2-pintakerroksen, joka vastustaa hapen tunkeutumista ja suojaa sisäistä metallia hapettumiselta. Uraanijauhe voi 200-400 °C:n lämpötiloissa syttyä itsestään CO2- ja N2-ilmakehässä. Itsesyttymisen estämiseksi uraanin työstölastuja voidaan säilyttää avoimissa säiliöissä ja koneöljyn tai veden alla vetykaasun muodostumisen estämiseksi. Palava uraani voidaan sijoittaa veden alle, kunnes se sammuu, mikä voi viivästyä veden hydrolyysillä, joka tuottaa jonkin verran happea ja vetyä palamisen jatkamiseksi. Vesisuihku, hiilidioksidi ja haloni ovat tehottomia, ja halonipurkaus voi olla räjähdysaltis ja tuottaa myrkyllisiä kaasuja (DOE 2001).

Uraani voi olla viidessä hapetusasteessa: +2, +3, +4, +5 ja +6 (Lide 2008); kuitenkin vain tilat +4 ja +6 ovat riittävän vakaita, jotta niillä olisi käytännön merkitystä. Tetravalenttinen uraani on kohtuullisen stabiili ja muodostaa hydroksideja, hydratoituja fluorideja ja fosfaatteja, joiden liukoisuus on alhainen. Kuusiarvoinen uraani on stabiilein tila, ja yleisimmin esiintyvä tila on U3O8, vaikka Yhdysvalloissa on muutamia paikallisia varastointipaikkoja ihmisen tuottamalle uraaniheksafluoridille (UF6) (DOE 2011a). Uraanin tärkeimpiä yhdisteitä ovat oksidit, fluoridit, karbidit, nitraatit, kloridit, asetaatit ja muut. Yksi UO2+2-ionien ominaisuuksista on niiden kyky fluoresoida ultraviolettivalossa.

Vaikka uraanielementin löysi vuonna 1789 Klaproth, joka nimesi sen ”uraaniksi” vasta löydetyn Uranus-planeetan mukaan, vasta vuonna 1896 Becquerel havaitsi, että uraani on radioaktiivinen. Uraanista tunnetaan 22 isotooppia, joista vain kolme esiintyy luonnossa (NNDC 2011). Näiden kolmen isotoopin, 234U:n, 235U:n ja 238U:n, suhteelliset massarunsaudet maan häiriintymättömässä rapakivessä ovat 0,005, 0,72 ja 99,275 prosenttia. Yksi gramma luonnonuraania, jolla on tämä suhteellinen isotooppirunsaus, on aktiivisuudeltaan 0,69 µCi. Tästä 0,69 µCi:n aktiivisuudesta 49,0 prosenttia johtuu 234U:sta, 2,27 prosenttia johtuu 235U:sta ja 48,7 prosenttia johtuu 238U:sta (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Tämä suhde koskee vain häiriintymätöntä kuorikiveä. Vaikka 234U:n suhteellinen massarunsaus on vain 0,005 %, sen osuus kokonaisaktiivisuudesta on noin puolet. Edellä esitettyjä suhteellisia isotooppirunsauksia voivat jossain määrin muuttaa luonnolliset prosessit, joita ei täysin ymmärretä mutta jotka voivat aiheuttaa erilaisia suhteita ilmassa, vedessä ja maaperässä, kuten EPA:n raporteissa on osoitettu (EPA 1994a, 2007).

235U on erityisen kiinnostava isotooppi, koska se on halkeamiskelpoinen (kykenee fissioitumaan) ja voi siten ylläpitää ydinketjureaktiota sopivan energialuokan neutronien läsnä ollessa. Vallitseva luonnossa esiintyvä uraanin isotooppi 238U ei ole helposti halkeamiskelpoinen, mutta pieni osa sen muunnoksista johtaa spontaaniin halkeamiseen eikä tyypilliseen alfahajoamiseen; nämä neutronit voivat riittää käynnistämään ketjureaktion sopivassa pitoisuudessa, sopivassa massassa ja sopivissa neutronilämpötilaolosuhteissa. Jotta uraania voitaisiin käyttää polttoaineena ydinreaktoreissa, 235U:n ja 238U:n suhdetta nostetaan 0,72 prosentista 2-4 prosenttiin prosessilla, jota kutsutaan rikastamiseksi. Yhdysvalloissa eniten käytetty rikastusprosessi on nimeltään kaasudiffuusio, mutta muitakin rikastusprosesseja, kuten lämpö-, sentrifugi- ja lasermenetelmiä, voidaan käyttää, ja muut maat osallistuvat aktiivisesti rikastetun uraanin tuotantoon. Uraanimalmi jalostetaan uraanioksidiksi (U3O8) ja fluorataan sen jälkeen UF6:ksi. Seuraavaksi kaikkia kolmea isotooppiyhdistettä sisältävä UF6-kaasuvirta johdetaan pitkien diffuusiovaiheiden läpi, joiden läpi 234U ja 235U kulkevat nopeammin kuin 238U. Näin ollen virran etupäässä on kohonnut 235U-pitoisuus, ja sitä kutsutaan rikastetuksi uraaniheksafluoridiksi, kun taas virran loppupäässä on alentunut 235U-pitoisuus, ja sitä kutsutaan köyhdytetyksi uraaniheksafluoridiksi. Rikastusprosentti mittaa 235U:n massaprosenttia lopputuotteessa, ja rikastusaste määräytyy käytön mukaan. Rikastettu UF6 muunnetaan tyypillisesti uraanimetalliksi tai -oksidiksi tehoreaktoripolttoainetta varten tai metalliksi asesovelluksia varten. Köyhdytetty UF6 muunnetaan joko uraanimetalliksi erilaisia siviili- ja sotilassovelluksia varten tai varastoidaan tulevaa käyttöä varten. Matalasti rikastettua uraania (2-4 % rikastettu) käytetään siviilikäyttöön tarkoitetuissa ydinvoimareaktoreissa (DOE 2000), kun taas korkeasti rikastettua uraania (>90 % rikastettu) käytetään erityisissä tutkimusreaktoreissa (joista suurin osa on poistettu käytöstä), ydinsukellusveneiden reaktorisydämissä ja ydinaseissa. Köyhdytettyä uraanimetallia käytetään säteilysuojana, ohjusten ammuksina, plutoniumia tuottavien reaktoreiden maalielementteinä, gyroskoopin komponenttina ja lentokoneiden vastapainoina tai stabilisaattoreina.

Uraani muuntuu jatkuvasti hajoamisprosessin kautta, jolloin se vapauttaa energiaa ja muuttuu lopulta vakaaksi tai ei-radioaktiiviseksi alkuaineeksi. Uraanin isotooppien osalta tämä on monimutkainen prosessi, johon kuuluu hajoamistuotteiden, niin sanottujen jälkeläisten, ketjun sarjatuotanto, kunnes lopullinen vakaa alkuaine muodostuu. Uraanin isotooppien, jotka ovat myös radioaktiivisia, hajoamistuotteet on esitetty taulukossa 4-4. 238U on uraanisarjan kantaisotooppi (234U on 238U:n hajoamistuote), kun taas 235U on aktiniumin hajoamissarjan kantaisotooppi. Kaikki luonnolliset uraanin isotoopit ja osa niiden jälkeläisistä hajoavat alfahiukkasia emittoimalla; muut molempien sarjojen jäsenet hajoavat beetahiukkasia ja gammasäteitä emittoimalla (NNDC 2011). Sekä uraanin että aktiniumin hajoamissarjoilla on kolme yhteistä piirrettä. Kumpikin sarja alkaa pitkäikäisellä emäaineella, 235U tai 238U, kumpikin sarja sisältää jalokaasun radonin isotoopin, ja kumpikin sarja päättyy lyijyn stabiiliin isotooppiin, 207Pb tai 206Pb.

Aikaa, joka kuluu siihen, että puolet radionuklidin atomeista muuntuu, kutsutaan sen radioaktiiviseksi puoliintumisajaksi. Kunkin radionuklidin hajoamisnopeus ja siten puoliintumisaika on yksilöllinen. 238U:n puoliintumisaika on hyvin pitkä, 4,5 × 109 vuotta; 235U:n puoliintumisaika on suuruusluokkaa pienempi, 7,0 × 108 vuotta ja 234U:n puoliintumisaika 2,5 × 105 vuotta. Koska tietyn uraanimassan aktiivisuus riippuu kunkin esiintyvän isotoopin massasta ja puoliintumisajasta, aktiivisuus on sitä suurempi, mitä suurempi on nopeammin hajoavien 234U:n ja 235U:n suhteellinen runsaus. Näin ollen köyhdytetty uraani on vähemmän radioaktiivista kuin luonnonuraani ja rikastettu uraani on radioaktiivisempaa.

Uraani on alkuaineiden joukossa epätavallinen, koska se on sekä kemiallinen että radioaktiivinen aine. Uraaniin liittyvät vaarat riippuvat uraanin kemiallisesta ja fysikaalisesta muodosta, saantireitistä ja rikastusasteesta. Uraanin kemiallinen muoto määrää sen liukoisuuden ja siten sen kulkeutuvuuden kehon nesteisiin sekä sen pysyvyyden kehossa ja eri elimissä. Uraanin kemiallinen myrkyllisyys on tärkein terveysongelma, koska liukoiset uraaniyhdisteet aiheuttavat raskasmetallivaurioita munuaiskudoksessa. Uraanin säteilyvaarat voivat olla ensisijainen huolenaihe, kun hengitetyt, rikastuneet (DOE 2001) ja liukenemattomat uraaniyhdisteet säilyvät pitkäaikaisesti keuhkoissa ja niihin liittyvissä imusuonissa.