It’s Elemental
Uranium werd ontdekt door Martin Heinrich Klaproth, een Duitse scheikundige, in het mineraal pekblende (hoofdzakelijk een mengsel van uraniumoxiden) in 1789. Hoewel Klaproth, evenals de rest van de wetenschappelijke gemeenschap, geloofde dat de stof die hij uit pekblende haalde zuiver uranium was, was het in feite uraniumdioxide (UO2). Nadat hij had opgemerkt dat “zuiver” uranium vreemd reageerde met uraniumtetrachloride (UCl4), isoleerde Eugène-Melchoir Péligot, een Franse scheikundige, zuiver uranium door uraniumdioxide met kalium te verhitten in een platina smeltkroes. Radioactiviteit werd voor het eerst ontdekt in 1896 toen Antoine Henri Becquerel, een Frans fysicus, het ontdekte in een monster van uranium. Vandaag wordt uranium gewonnen uit uraniumertsen zoals pekblende, uraniniet (UO2), carnotiet (K2(UO2)2VO4-1-3H2O) en autuniet (Ca(UO2)2(PO4)2-10H2O) alsook uit fosfaatgesteente (Ca3(PO4)2), bruinkool en monazietzand ((Ce, La, Th, Nd, Y)PO4). Aangezien er weinig vraag is naar uraniummetaal, wordt uranium meestal verkocht in de vorm van natriumdiuranaat (Na2U2O7-6H2O), ook bekend als gele koek, of triuraniumoctoxide (U3O8).
Omdat het van nature radioactief is, wordt uranium, meestal in de vorm van uraniumdioxide (UO2), het meest gebruikt in de kernenergie-industrie om elektriciteit op te wekken. Natuurlijk voorkomend uranium bestaat uit drie isotopen: uranium-234, uranium-235 en uranium-238. Hoewel alle drie de isotopen radioactief zijn, is alleen uranium-235 een splijtbaar materiaal dat voor kernenergie kan worden gebruikt.
Wanneer een splijtbaar materiaal door een neutron wordt getroffen, kan zijn kern energie afgeven door zich in kleinere fragmenten te splitsen. Als sommige van de fragmenten andere neutronen zijn, kunnen zij andere atomen treffen en deze eveneens doen splijten. Een splijtbaar materiaal, zoals uranium-235, is een materiaal dat in staat is voldoende vrije neutronen te produceren om een nucleaire kettingreactie in stand te houden.
Nauwelijks 0,7204% van het in de natuur voorkomende uranium is uranium-235. Dit is een te lage concentratie om een nucleaire kettingreactie in stand te houden zonder de hulp van een materiaal dat bekend staat als een moderator. Een moderator is een materiaal dat een neutron kan vertragen zonder het te absorberen. Langzame neutronen zullen eerder reageren met uranium-235 en reactoren die natuurlijk uranium gebruiken, kunnen worden gemaakt met grafiet of zwaar water als moderator. Er bestaan ook methoden om uranium-235 te concentreren. Zodra het gehalte aan uranium-235 tot ongeveer 3% is verhoogd, kan gewoon water als moderator worden gebruikt.
Uranium-238, de meest voorkomende isotoop van uranium, kan worden omgezet in plutonium-239, een splijtbaar materiaal dat ook kan worden gebruikt als brandstof in kernreactoren. Om plutonium-239 te produceren, worden atomen van uranium-238 blootgesteld aan neutronen. Uranium-239 ontstaat wanneer uranium-238 een neutron absorbeert. Uranium-239 heeft een halveringstijd van ongeveer 23 minuten en vervalt in neptunium-239 door bètaverval. Neptunium-239 heeft een halveringstijd van ongeveer 2,4 dagen en vervalt in plutonium-239, ook door bètaverval.
Hoewel het niet in de natuur voorkomt, is uranium-233 ook een splijtbaar materiaal dat als brandstof in kernreactoren kan worden gebruikt. Om uranium-233 te produceren, worden atomen thorium-232 blootgesteld aan neutronen. Thorium-233 ontstaat wanneer thorium-232 een neutron absorbeert. Thorium-233 heeft een halveringstijd van ongeveer 22 minuten en vervalt in protactinium-233 door bètaverval. Protactinium-233 heeft een halveringstijd van ongeveer 27 dagen en vervalt in uranium-233, eveneens door bètaverval. Bij volledige splijting levert een pond (0,45 kilogram) uranium-233 evenveel energie als de verbranding van 1.500 ton (1.350.000 kilogram) steenkool.
Uranium is een metaal met een hoge dichtheid dat ook buiten de kernenergie-industrie wordt gebruikt. Het wordt gebruikt als doelwit voor de productie van röntgenstralen, als munitie voor sommige soorten militaire wapens, als schild tegen straling, als tegengewicht voor stuurvlakken van vliegtuigen en in de gyroscopen van traagheidsgeleidingssystemen.
Uraniumverbindingen worden al eeuwenlang gebruikt om glas te kleuren. Een 2000 jaar oud monster van geel glas, gevonden in de buurt van Napels, Italië, bevat uraniumoxide. Uraniumtrioxide (UO3) is een oranje poeder en werd gebruikt bij de vervaardiging van Fiestaware-platen. Andere uraniumverbindingen zijn ook gebruikt om vaseline-glas en glazuur te maken. Het uranium in deze voorwerpen is radioactief en moet met zorg worden behandeld.
Uranium’s meest stabiele isotoop, uranium-238, heeft een halveringstijd van ongeveer 4.468.000.000 jaar. Het vervalt in thorium-234 door alfaverval of vervalt door spontane splijting.