Uran

Za druge pomene glej Uran (razločitev).

protaktinij - uran - neptunij Nd U        Celotna tabela
Splošno
Ime, znak, število	uran, U, 92
Kemijska vrsta	aktinoidi
perioda, blok	7 , f
Gostota, trdota	19050 kg/m3, ND
Izgled	temno siva kovina
Lastnosti atoma
Atomska teža	238,0289 a. e. m.
Polmer atoma (izračunan)	175 (ND) pm
Kovalentni polmer	ND pm
van der Waalsov polmer	186 pm
Elektronska konfiguracija	[Rn]7s25f36d1
e- na energijski nivo	2,8,18,32,21,9,2
Oksidacijska stanja (oksid)	5 (šibka baza)
Zgradba mreže	Orthohombic
Fizikalne lastnosti
Agregatno stanje	trdno (paramagnetik)
Tališče	1405 K (2912 °F)
Vrelišče	2070 K (7473 °F)
Molarna prostornina	12,49 ×10−6 m3/mol
Izparilna toplota	477 kJ/mol
Talilna toplota	15,48 kJ/mol
Parni tlak	ND Pa pri 2200 K
Hitrost zvoka	3155 m/s pri 293,15 K
Razne lastnosti
Elektronegativnost	1,38 (Paulingova lestvica)
Specifična toplota	120 J/(kg·K)
Električna prevodnost	3,8 106/m ohm
Toplotna prevodnost	27,6 W/(m·K)
1. ionizacijski potencial	597,6 kJ/mol
2. ionizacijski potencial	1420 kJ/mol
Najstabilnejši izotopi
izo NA t1/2 DM DE MeV DP 232U {sint.} 68,9 let α & SF 5,414 228Th 233U {sint.} 159,200 let SF & α 4,909 229Th 234U 0,006 % 245,500 leta SF & α 4,859 230Th 235U 0,72 % 7,038 E8 let SF & α 4,679 231Th 236U {sint.} 2,342 E7 let SF & α 4,572 232Th 238U 99,275 % 4,468 E9 let SF & α 4,270 234Th
Če ni označeno drugače, so uporabljene enote SI in standardni pogoji.

Urán (latinsko uranium) je kemični element, ki ima v periodnem sistemu simbol U in atomsko število 92. Ta težek, srebrno-bel, strupen, kovinski, naravno radioaktiven element pripada skupini aktinidov. Njegov izotop uran-235 se uporablja kot gorivo v jedrskih reaktorjih in jedrskem orožju. Uran navadno najdemo v zelo malih količinah v kameninah, prsti, vodi, rastlinah in živalih (vključno z ljudmi). V naravi se nahaja kot uran-238 (99.2739–99.2752%), uran-235 (0.7198–0.7202%), in zelo majhna količina uranium-234 (0.0050–0.0059%). Uran počasi razpada z alfa razpadom. Razpolovni čas urana-238 je 4.47 milijarde let, U-235 pa 704 milijonov let. . U-235 je edini material v naravi, ki se cepi (fisija). U-238 postane cepilen, če sprejme hitre nevtrone, ki ga transmutirajo v plutonij-239. Če sprejme torij nevtron transmutira uran-233, ki je tudi cepilen. Oba dva izotopa sta pomembna energetska vira v jedrski tehniki, ker je uran-235 sorazmerno malo.

Uran je leta 1789 odkril Martin Heinrich Klaproth, ki ga je poimenoval po planetu Uranu. Eugène-Melchior Péligot je bil prvi ki je ločil (izoliral) material, njegove radioaktivne lastnosti je odkril Henri Becquerel leta 1896. Raziskovanje Enrico Fermija in drugih je privedlo od uporabe v jedrskih reaktorjih in atomski bombi.

Značilnosti

Nevtron povzroči razpad jedra U-235

V prečiščenem stanju je uran srebrno bela, šibko radioaktivna kovina. Ima trdoto po Mohsu 6, ki zadostuje za praske stekla in ki je približno enaka trdoti titana, rodija, mangana in niobija. Je koven material, duktilen, rahlo paramagneten, močno elektropozitiven in slab električni prevodnik. Uran ima zelo visoko gostoto 19.1 g/cm³, gostejši je od svinca (11.3 g/cm³), malo manj pa od volframa in zlata (19.3 g/cm³).

Kovinski uran reagira s skoraj vsemi nekovinskimi elementi (z izjemo žlahtnih plinov) in njihovimi spojinami, reaktivnost mu narašča s temperaturo.. Solna in solitrna kislina raztapljata uran, vendar pa kisline, ki ne oksidirajo - z izjemo solne kisline - element načenjajo zelo počasi. Fino dispergiran lahko reagira z mrzlo vodo; v zraku kovinski uran prevleče temna plast uranovega oksida. Urana se iz rude pridobiva po kemični poti, pretvori se pri tem v uranov dioksid ali druge v industriji uporabne kemične oblike.

Uran-235 je bil prvi izotop, za katerega so ugotovili, da se lahko cepi.Če se uran-235 bombardira s počasnimi nevtroni, bodo večino časa njegovi atomi razpadli v dvoje manjših jeder, in pri tem sproščali v jedru vezano energijo in dodatne nevtrone, Če se ti dodatni nevtroni absorbirajo v drugih jedrih U-235, pride do jedrske verižne reakcije, ki ima za posledico izbruh toplote ali (v posebnih okoliščinah) eksplozijo. V jedrskem reaktorju se ta verižna reakcija upočasni in drži pod nadzorom s pomočjo strupa za elektrone, ki absorbira nekaj prostih nevtronov. Takšni za nevtrone vpojni materiali so pogosto del reaktorskih kontrolnih palic..

Za atomsko bombo iz U-235 je potrebno 7 kg urana 235. Prva v vojni vržena atomska bomba, Little Boy, je bila zasnovana na cepitvi urana, testna jedrska bomba (The gadget) in pa bomba, ki je uničila Nagasaki (Fat Man) sta uporabljali plutonij.

Kovinski uran ima tri alotropne oblike:

• α (ortorombska) , stabilna do 660 °C
• β (tetragonalna) stabilna od 660 °C do 760 °C
• γ (telesno centrirana) od 760 °C do tališča—oblika, ki jo je najlaže obdelovati

Uporaba

Daleč največ urana se uporablja v jedrski tehniki za proizvodnjo električne energije ali pa jedrskega orožja. S popolno fisijo (cepitvijo) enega kilograma U-235 pridobimo okrog 83 teraJoulov energije (8,314×1013 Joulov), kar ustreza približno 2000 tonam dizelskega goriva ali 3000 tonam črnega premoga. Nuklearna elektrarna Krško, ki ima toplotno moč 2000 MW (električno moč 696 MW) porabi dnevno za delovanje samo okrog 2,3 kg U-235. V praksi se porabi manj, cepitev U-235 prispeva dve tretjini moči, zraven se cepi še Pu-239, ki se proizvaja v reaktorju in prispeva približno tretjino moči. Pri atomskih bombah se ne cepi ves material, predvsem zaradi hitre reakcije, vendar dobimo kljub temu velikansko količino energije.

Obogatenje urana

Za uporabo v reaktorjih ali pa v atomski bombi moramo uran obogatiti. Zvišati je potrebno delež U-235 0,72% iz naravnega urana na 3,7-5% za gorivo jedrskih reaktorjev. Izjema so sicer CANDU reaktorji, ki uporabljajo naravni uran kot gorivo. Za reaktorje jedrskih podmornic, letalonosilk ali ruskih ledolomilcev je potreben 20-90% visoko obogaten uran. Visoko obogaten uran se uporablja, da ni potrebno menjanje goriva vsakih 18 mesecev kot pri električnih jedrskih reaktorjih, so pa zato veliko dražji za obratovanje. Za jedrsko bombo se uporablja nad 80% obogaten uran.

Po obogatenju urana ostane sorazmerno veliko osiromašenega urana, ki je sestavljen iz U-238, v njem ostane 0,2% U-235, ki se ga ne izloči. V prihodnosti bodo lahko osiromašeni uran uporabljali v oplodnih reaktorjih (tansmutirali v cepilne materiale) in tako uporabili ta material, ki se trenutno smatra za odpadek.

Osiromašeni uran

Osiromašeni uran se zaradi velike gostote (19050 kg/m3), ki je večja od svinca, uporablja za protioklepne in protitankovske naboje. Američani so ga uporabljali za 30 mm hitrostrelno orožje Gatling in protitankovske granate v njihovih tankih M1 Abrams. Osiromašen uran so tudi uporabljali kot oklep na istem tanku. Naboj iz osiromašenega urana se ob zadetku deformira tako, da še vedno ostane oster (ang. Self Sharpening). Vendar pa njegova uporaba povzroča biološki hazard, po zadetku zgori in se spremeni v prah, ki je nevaren, če ga vdihnemo.

Uran v Sloveniji

V Sloveniji so med letoma 1981 in 1990 kopali uranovo rudo v rudniku urana v Žirovskem vrhu, od leta 1984 so proizvajali tudi uranov koncentrat. Do prenehanja del so izkopali 633.000 ton uranove rude in proizvedli 452 ton uranovega oksida v rumeni pogači. Od leta 1992 rudnik zapirajo, razgrajujejo naprave in dekontaminirajo okolico.

Izpostavljenost človeka

Človek je uranu (ali radioaktivnim potomcem kot je radon) izpostavljen z vdihavanjem prahu v zraku in z uživanjem kontaminirane hrane in vode. Količina urana v zraku je tipično zelo majhna; izpostavljenost je povečana za delavce v tovarnah, kjer proizvajajo fosfatna gnojila, živijo blizu objektov, kjer so delali ali testirali jedrska orožja, živijo ali delajo v bližini modernih bojišč, kjer so se uporabljala orožja z osiromašenim uranom, živijo ali delajo v bližini termoelektrarn na premog ter objektov za izkop in predelavo uranove rude. Izpostavljenost radonu je povečana v hišah in ostalih zgradbah nad nahajališči urana (bodisi naravnih ali odlagališčih žlindre).

Večina zaužitega urana se izloči s prebavo. Če je zaužiti uran vezan v netopno obliko, ko je uranov oksid, se absorbira le 0.5%, absorpcija bolj topnega uranil iona pa doseže tudi 5%. Vodotopne uranove spojine po navadi hitro zapustijo telo, za razliko od netopnih spojin, še posebej, če se v telo vnesejo s prahom v pljuča, zato netopne spojine predstavljajo resnejše tveganje. Uran, ki vstopi v krvni obtok, se kopiči v kostnem tkivu zaradi uranove afinitete do fosfatov. Uran se ne absorbira preko kože, prav tako alfa delci, nastali ob razpadu urana, ne prodrejo skozi kožo.

Učinki in previdnostni ukrepi

Izpostavljenost uranu lahko vpliva na normalno delovanje ledvic, možganov, jeter, srca in ostalih organov, saj je poleg šibke radioaktivnost uran strupena kovina in reproduktivni toksin. Radiološki efekti so večinoma krajevni, saj ima alfa sevanje, glavni razpadni kanal ²³⁸U, zelo kratek doseg in ne predre kože. V raziskavah na laboratorijskih živalih so ugotovili, da uranil (UO₂²⁺) ioni, ki so med drugim v uranovem trioksidu ali uranil nitratu in ostalih šest-valentnih uranovih spojinah, povzročajo prirojene napake in napake imunskega sistema. Čeprav ni poznanega nobenega primera, da bi bila izpostavljenost naravnemu ali osiromašenemu uranu neposredno povezana z rakom pri ljudjeh, je izpostavljenost uranu in razpadnim produktom, še posebej radonu, že dolgo poznana kot resna nevarnost zdravju. Izpostavljenost stronciju-90, jodu-131 in ostalim cepitvenim produktom ni povezana z izpostavljenostjo uranu, lahko pa do nje pride med medicinskimi postopki ali iztrošenemu jedrskemu gorivu. Podobno je tudi pri nenamerni izpostavljenosti visoki koncentraciji uranovega heksafluorida - čeprav je pri vdihavanju tega plina prišlo do smrtnih žrtev, smrti povezujejo z nastankom zelo strupene fluorovodikove kisline in uranil fluorida in ne s samim uranom. Fino mlet uran v kovinski obliki predstavlja požarno nevarnost, saj je uran samovnetljiv; majhna zrnca se samodejno vžgejo na zraku pri sobni temperaturi.

Zadostno zaščito pri rokovanju z uranom v kovinski obliki predstavljajo že rokavice. Z uranovim koncentratom se rokuje in se ga shranjuje tako, da ni nevarnosti za zaužitje ali vdihovanje.

Uran v okolju

Uran v okolju se nanaša na znanost o virih, obnašanju v okolju in vplivih urana na ljudi in živali. Uran je šibko radioaktiven in ima dolg razpolovni čas (4.468 milijarde let za izotop uran-238). Biološki razpolovni čas za uran (povprečni čas potreben, da človeško telo izloči polovico količine urana v telesu) znaša približno 15 dni. Ker je uran strupena kovina, lahko izpostavljenost uranu vpliva na normalno delovanje ledvic, možganov, jeter, srca in številnih drugih organov. Uporaba osiromašenega urana (OU) za strelivo je kontroverzna zaradi morebitnih daljno-ročnih vplivov na zdravje.

Uran v naravi

Uran je v naravi prisoten v majhnih deležih v vseh skalah, tleh in vodi. Je element z najvišjim vrstnih številom, ki ga na Zemlji v naravi najdemo v znatnih količinah. Po navedbah Znanstveni komite ZN za vplive atomskega sevanja se običajna koncentracija giblje urana v tleh med 300 μg/kg do 11.7 mg/kg.

Uran velja za bolj pogostega kot berilij, antimon, kadmij, zlato, živo srebro, srebro ali volfram, in je približno tako pogost kot kositer, arzen ali molibden. Nahaja se v mnogih mineralih, kot so uraninit (najbolj pogosta uranova ruda), otunit, uranofan, torbernit in kofinit. Znatne koncentracije urana se pojavijo tudi v nekaterih snoveh, kot so nahajališča fosfatov, in mineralih kot so lignit in monacitni pesek v rudah bogatih z uranom (iz teh virov se uran pridobiva komercialno).

Morska voda vsebuje približno 3.3 ppb masnega deleža urana ali 3.3 mikrograma na liter morske vode. Uran(VI) tvori vodotopne karbonatne komplekse. Pridobivanje urana iz morske vode so preučevali tudi kot način pridobivanja tega elementa.

Viri urana

Rudarjenje in mletje rude

Na začetku pri pridobivanju in mletju uranove rude niso bili pozorni na nevarnosti zaradi sevanja, zato so bili delavci izpostavljeni visokim dozam sevanja. Konvencionalni mlini za uranovo rudo ustvarjajo radioaktivne odpadke v obliki jalovin, ki vsebujejo uran, radij in polonij. Kopanje urana torej vodi k neizogibnemu radioaktivnemu onesnaženju okolja v obliki trdnih, tekočih in plinastih odpadkov. Vdihavanje radona je povzročilo močan porast pljučnega raka pri delavcih v podzemnih rudnikih urana, zaposlenih v štiridesetih in petdesetih letih prejšnjega stoletja.

V tem obdobju so jalovine nekaznovano izpuščali v vodne vire - radij, ki se je izpral iz teh jalovin, je onesnažil tisoče kilometrov porečja reke Kolorado. Med letoma 1966 in 1971 so v tisočih domovih in poslovnih zgradbah na Koloradski planoti našli nenavadno visoke koncentracije radona, saj so zgradbe gradili kar na uranovih jalovinah.

Kovina

Osiromašen uran (OU) je uporaben zaradi velike gostote 19.1 g/cm3 (68.4% gostejši kot svinec). Osiromašen uran se uporablja za protiuteži v letalih, zaščito pred sevanjem v medicinski terapiji z obsevanjem in industrijski radiografijski opremi ter za transport radioaktivnih materialov. V vojaške namene se OU uporablja za protioklepne izstrelke ter zaščitne plošče.

Uran lahko pronica v zrak in vodo, kar lahko predstavlja ekološki problem pri uporabi streliva z osiromašenim uranom zaradi onesnaženja podtalnice.

Izgorevanje

Raziskave izpostavljenosti aerosolom osiromašenega urana kažejo, da se produkti pri izgorevanju urana hitro usedejo iz zraka in tako ne vplivajo na prebivalstvo več kot nekaj kilometrov od kraja nastanka.

Združene države Amerike so priznale, da so zabeležili preko 100 incidentov, kjer so bili člani vojske ZDA zadeti s strelivom z osiromašenim uranom in da je bila neznano število vojakov izpostavljenih osiromašenemu uranu preko vdihavanja produktov pri kurjenju streliva z osiromašenim uranom.

Korozija

Pri koroziji urana v vodnih raztopinah bogatih s silicijevim dioksidom nastajata tako uranov dioksid kot uranov trioksid.

V čisti vodi v prvem tednu nastaja schoepite {(UO2)8O2(OH)12.12(H2O)}, po štirih mesecih pa studtite {(UO2)O2·4(H2O)}.

Uran reagira z vodo tako da tvori vodik, uranov dioksid ter 2-9% uranovega hidrida. Pomembno je omeniti, da je hitrost korozije zaradi vode precej večja kot korozija zaradi kisika okoli 100 °C. V kislem okolju (pH vrednosti pod 2) se hitrost korozije pri 100 °C močno zniža, prav tako pa hitrost pada z zviševanjem pH vrednosti nad 7. Obsevanje z žarki gama ne vpliva dosti na hitrost korozije.

Kisik zavira korozijo urana zaradi vode.

Jedrski odpadki

Izrabljeno gorivo (uranov dioksid) je zelo slabo topno v vodi in sprošča uran (in fizijske produkte) še počasneje kot borosilikatno steklo v stiku z vodo.

S pomočjo postopka PUREX lahko iz iztrošenega goriva za ponovno uporabo pridobijo večino urana v gorivu. Poleg urana, ki ga niso mogli izločiti v postopku, odpadki vsebujejo še preostali plutonij in nekatere aktinide, ki s časom razpadajo in tako povečujejo koncentracijo urana v odpadkih. Ta proces traja stotine in tisoče let.

Vplivi na zdravje

Vodotopne uranove soli so strupene, vendar ne toliko kot druge težke kovine, na primer svinec in živo srebro. Vodotopne uranove soli najbolj prizadenejo ledvice in se kljub izločanju z urinom ob trajni izpostavljenosti lahko nabirajo v njih. Svetovna zdravstvena organizacija je določila mejno vrednost za dnevni vnos vodotopnih uranovih soli za splošno populacijo na 0.5 μg/kg telesne teže (35 μg za 70 kg težkega odraslega): izpostavljenost do te vrednosti ne vodi k znatnim poškodbam ledvic.

Uran (VI) tvori komplekse s karbonati, zato se v primeru zastrupitve kot protistrup uporabljajo hidrogenkarbonati. Kot alternativa se v ta namen lahko uporabi tiron (natrijev 4,5-dihidroksibenzen-1,3-disulfonat).

Ljudje

Glej tudi: Uran#Izpostavljenost človeka

Rak

Leta 1950 so v ZDA izvedli celovito preiskavo rudarjev v rudnik urana, zaključke pa so objavili leta 1962, kar je bila prva objava statistične korelacije med rakom in kopanjem urana.

Izpostavljenost osiromašenemu uranu

Glej tudi: Osiromašeni uran

Uporaba osiromašenega urana (OU) za strelivo je kontroverzna zaradi morebitnih daljnoročnih vplivov na zdravje. Izpostavljenost uranu, ki je strupena kovina, lahko ogrozi normalno delovanje ledvic, možganov, jeter, srca in mnogih ostalih organov. Aerosol, ki nastane pri trkih in vžigih streliva z OU, lahko onesnaži prostrana območja okoli mesta trka, zaradi česar lahko pride do vdihavanja omenjenega aerosola. Med tri tedenskim obdobjem spopadov v Iraku leta 2003 je bilo uporabljeni 1000-2000 ton streliva z OU.

Glede dejanske akutne in kronične toksičnosti OU so polemike tudi v zdravstveni stroki. Več raziskav z laboratorijskimi glodavci in kultiviranimi celicami meni, da lahko kronična izpostavljenost vodi k levkemiji ter vpliva na genetske, razmnoževalne in nevrološke sposobnosti. Epidemiološki povzetek leta 2005 je zaključil, da so epidemiološki podatki skladni s povečano verjetnostjo prirojenih okvar pri potomcih oseb, izpostavljenih OU. Svetovna zdravstvena organizacija na drugi strani trdi, da pri ljudeh niso zabeležili posledic za razmnoževanje, razvoj in povišane incidence raka zaradi izpostavljenosti OU. Dr. Keith Baverstock se z njihovim poročilom ne strinja, saj meni, da niso upoštevali možnih dolgoročnih vplivov OU na človeško telo.

Prirojene okvare

Večina znanstvenih raziskav ni odkrila povezave med uranom in prirojenimi okvarami, nekatere pa vseeno trdijo, da obstajajo statistične korelacije glede nepravilnosti pri razmnoževanju med vojaki, izpostavljenimi OU, in ostalimi.

Zaključek ene izmed raziskav je, da so epidemiološki podatki konsistentni s povečanim tveganjem za prirojene okvare pri otrocih oseb, izpostavljenih OU. Okoljevarstvene skupine in ostali so izrazili zaskrbljenost zaradi vplivov OU na zdravje. Nekateri ljudje nasprotujejo uporabi osiromašenega urana, še posebej v strelivu, zaradi njegove mutagenosti, teratogenosti pri miših, nevrotoksičnosti in domnevne karcinogenosti. Dodatno jih skrbi tudi pronicanje urana iz neeksplodiranega streliva v podtalnico.

Nekateri viri so pripisali povečanje verjetnosti za prirojene napake otrok veteranov Zalivske vojne in Iračanov zaradi vdihavanja OU. V študiji iz leta 2001, ki je zajela 15000 veteranov iz Zalivske vojne in 15000 kontrolnih veteranov, so ugotovili, da so bile prirojene napake pri otrocih veteranov Zalivske vojne 1.8 (očetje) in 2.8 (matere) pogostejše kot pri kontrolni skupini. Izsledki preiskava enot Velike Britanije so podobni, veterani Zalivske vojne so poročali o 50% večjem tveganju za prirojene napake kot ostali veterani. V preiskavi so zaključili, da niso našli dokaza o povezavi med bojevanjem v Zalivski vojni in povečanim tveganjem za splav, kromosomske napake in prirojenimi sindromi. Povezave, ki so jih opazili, so temeljile na pričanjih vojakov, ki pa so lahko pristranska. Pri vojakinjah ni bilo nobenega dokaza za povečano tveganje za splav.

Živali

Uran ima citotoksičen, genotoksičen in karcinogen vpliv na živali. Študije poročajo o reproduktivnih okvarah in ostalih zdravstvenih težavah pri glodavcih, žabah in drugih živalih. Ugotovile so tudi, da so za glodavce in žabe vodotopne oblike urana teratogene.

Bakterijska biokemija

Nekatere bakterije in protobakterije kot so Geobacter in Burkhilderia fungorum (sev Rifle) lahko zmanjšujejo vsebnost urana v zemlji in podtalnici, saj pretvarjajo vodotopen uran U(VI) v U(IV), ki tvori zelo slabo topne komplekse.

Obnašanje v tleh

Za zmanjšanje izpiranja urana v tleh se predlagata dve metodi. Prva temelji na dodajanju minerala (apatita) v tla, druga pa na dodajanju hranljive snovi, kot na primer acetata. To bi omogočilo bakterijam, da reducirajo U(VI) v U(IV) in s tem močno zmanjšajo topnost urana. Uran se v šotastih tleh pogosto veže v huminske kisline, kar tudi zmanjša izpiranje urana v podtalnico.

Zunanje povezave

• Rudnik urana Žirovski vrh