Uraan is 'n silwerwit metaalagtige chemiese element in die aktiniede reeks van die periodieke tabel, met 'n atoomgetal van 92. Uraan word met die chemiese simbool U 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. 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%),%), 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, 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 splytbare isotoop 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. .
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. "U.S. to pump money into nuke stockpile, increase security," RIA Novosti 18 Februarie 2010
Eienskappe duimnael|links|150px| 'n Geïnduseerde kernsplytingsgeval met uraan-235.|alt=’n Diagram wat die kettingtransformasie van uraan-235 na uraan-236 na barium-141 en kripton-92 voorstel.
Wanneer uraan gesuiwer word, is dit 'n silwer-wit, swak radioaktiewe metaal, weinig sagter as staal, sterk elektropositief en 'n swak elektriese geleier. Dit is pletbaar, smeebaar en effens paramagneties. Uraanmetaal het 'n baie hoë digtheid, omtrent 70% digter as lood, maar effens minder dig as goud.
Uraanmetaal reageer met byna alle nie-metaal elemente en hul chemiese verbindings, met 'n reaktiwiteit wat verhoog met temperatuur. Soutsuur en salpetersuur los uraan op, maar nie-oksiderende sure val die element baie stadig aan. Indien dit fyn gemaal word, sal uraan met koue water reageer, en in lug word uraanmetaal bedek met 'n donker laag uraanoksied. 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. 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.
Uraanmetaal het drie allotropiese vorme: α (ortorombies) stabiel tot en met 660 °C β (tetragonaal) stabiel vanaf 660 °C tot 760 °C γ (ruimtegesentreerde kubies) vanaf 760 °C tot en met smeltpunt—dit is die mees plet- en rekbare toestand.
Toepassings
Militêr duimnael|links|Verarmde uraan word gebruik by verskeie krygsafdelings, onder andere in hoë-digtheid penetratore.|alt= Glansende metaalsilinder met 'n skerp punt. Die algehele lengte is 9 cm met 'n diameter van ongeveer 2 cm.
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).
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. Ander gebruike van verarmde uraan sluit die volgende in: teengewigte vir vliegtuigbeheeroppervlaktes, ballas in missiel herintrede voertuie, en as skutmateriaal. Weens uraan se hoë digtheid, word hierdie materiaal gebruik in traagheidsgeleidingstelsels en in giroskopiese kompasse. Verarmde uraan geniet voorkeur bo soortgelyke digte materiale weens die betreklik maklike masjieneerbaarheid, gieting, en die relatiewe lae koste daarvan. . 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 deuterium kernfusie ondergaan.
Siviel duimnael|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 biljoen joule energie (8 joule) verskaf, met die aanname dat volledige kernsplyting plaasvind, wat 3 000 ton steenkool verteenwoordig.
Kommersiële kernkragaanlegte gebruik tipies brandstof wat verryk is tot ongeveer 3% uraan-235. 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: 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.
duimnael|links|Gloeiende uraanglas blootgestel aan ultravioletlig.|alt=’n Glasskinkbord op 'n glasstaander. Die skinkbord gloei groen, terwyl die staander kleurloos is. 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. 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.
duimnael|Uraanglas soos gebruik vir seëls in vakuumkapasitore.|alt=’n Glassilinder met metaal elektrodes op albei eindpunte vir dekplate. Binne-in die glassilinder is daar 'n metaalsilinder wat gekonnekteer is aan die elektrodes.
Uraan was ook gebruik in fotografiese chemikalieë (veral uraannitraat in die ink), 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 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.
Geskiedenis
Prehistoriese, natuurlike kernsplyting