Uraani

Protaktinium ← Uraani → Neptunium Nd ↑ U ↓ -       Koko taulukko
Yleistä
Nimi	Uraani
Tunnus	U
Järjestysluku	92
Luokka	Aktinoidi
Lohko	f-lohko
Ryhmä	-
Jakso	7
Tiheys	19,1×103 kg/m3
Kovuus	6,0 (Mohsin asteikko)
Väri	hopeanharmaa
Löytövuosi, löytäjä	1789, Martin Heinrich Klaproth
Atomiominaisuudet
Atomipaino	238,02891 amu
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)	175 pm
Van der Waalsin säde	186 pm
Orbitaalirakenne	[Rn] 5f36d17s2
Elektroneja elektronikuorilla	2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
Hapetusluvut	+VI, +V, +IV, +III
Kiderakenne	ortorombinen
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto	kiinteä
Sulamispiste	1405,3 K (1132,2 °C)
Kiehumispiste	4404 K (4131 °C)
Höyrystymislämpö	417 kJ/mol
Sulamislämpö	9,14 kJ/mol
Äänen nopeus	3155 m/s 293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus	1,38 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti	0,116 kJ/kg K
Lämmönjohtavuus	27,5 W/(m×K)
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Uraanimalmi on maankuoressa yhtä yleinen kuin tina. Uraani ja torium muodostavat yhdessä maapallon merkittävimmän nykytekniikalla hyödynnettävissä olevan uusiutumattoman energiavaran.

Uraani (lat. uranium) on raskas, lievästi radioaktiivinen alkuaine. Jaksollisessa järjestelmässä sen kemiallinen merkki on U, järjestysluku 92 ja CAS-numero 7440-61-1. Uraanin sulamispiste on 1 132 °C ja tiheys 19 050 kg/m³. Uraani on myrkyllinen raskasmetalli. Uraania käytetään yleisesti ydinpolttoaineena.

Uraanin yleisimmät isotoopit ovat ²³⁵U (U-235) ja ²³⁸U (U-238). Isotooppia ²³⁵U käytetään sekä ydinreaktoreissa että ydinaseissa, koska se on ainoa luonnossa esiintyvä isotooppi, jolla saadaan aikaan fissioiden ketjureaktio termisillä neutroneilla. Myös isotoopista ²³⁸U tuotetaan ydinpolttoainetta. Absorboidessaan neutronin se muodostaa radioaktiivisen, fissiokelpoisen plutonium-isotoopin ²³⁹Pu.

Fissioituva on myös keinotekoinen isotooppi ²³³U, jota tuotetaan pommittamalla toriumin isotooppia 232 neutroneilla.

Uraani oli ensimmäinen fissioituvaksi havaittu alkuaine. ²³⁵U muodostaa erittäin lyhytikäisen isotoopin ²³⁶U, joka jakaantuu heti pienemmiksi ytimiksi vapauttaen samalla energiaa ja neutroneita. Jos neutronit osuvat toisiin ²³⁵U-ytimiin, tuloksena on ydinketjureaktio. Ketjureaktiosta seuraa ydinräjähdys vain hyvin erityisissä olosuhteissa. Tällä tavoin toimi ensimmäinen atomipommi (ydinfissio). Täsmällisempi termi sille ja vetypommille (ydinfuusio) on ydinpommi, koska reaktiossa ovat mukana vain ytimet.

Tärkeimpiä uraania sisältäviä aineita

Yleisin uraanimalmi on uraniniitti.

Uraanipelletti

Nykyisten erottelulaitosten tuottama uraanioksidi (U₃O₈) on lähes mustaa tai vihertävää. Vanhempien laitosten tuote oli kellertävää. Erottelualtaissa uraanimalmin uraanioksidipitoisuus nostetaan kemiallisesti jopa 90 prosenttiin malmin painosta. Erotteluprosessin välivaiheena uraani muodostaa kirkkaankeltaista ammoniumdiuranaattia ((NH₄)₂U₂O₇).

Uraanimalmi on uraanin mineraaleja sisältävää kiveä, jota on taloudellisesti kannattavaa louhia. Tyypillisesti uraanimalmista 0,05–0,20 prosenttia on uraanioksidia. Kaivoksen yhteydessä rikastamolla louhittu uraanimalmi rikastetaan, eli malmista poistetaan arvottomat mineraalit (harmeet). Saatu uraanirikaste toimitetaan jatkojalostukseen, jossa uraanin 235U isotoopin määrää lisätään isotoopin 238U suhteen. Tätä prosessia kutsutaan väkevöinniksi.

Uraanitetrafluoridi (UF₄) on välivaihe uraaniheksafluoridin tuotannossa.

Uraaniheksafluoridi (UF₆) on valkoista kiinteää ainetta, joka kaasuuntuu yli 56 celsiusasteen lämpötilassa. UF₆ on väkevöinnissä yleisimmin käytetty uraaniyhdiste.

Väkevöidyssä uraanissa ²³⁵U-isotoopin pitoisuutta on nostettu 0,711 prosentista, joka on lähes kaiken nykyään louhitun uraanin luonnontilainen pitoisuus. Isotooppierotuksella ²³⁵U-isotoopin pitoisuutta kohotetaan joko diffuusioprosessissa tai sentrifugissa, kunnes saavutetaan noin neljän prosentin ²³⁵U-pitoisuus. Alhaisella 3–5 %:n rikastusasteella uraani kelpaa ydinpolttoaineeksi. Ydinaseissa käytetään yli 90 %:n rikastusastetta.

Köyhdytetyssä uraanissa ²³⁵U-pitoisuus on alle 0,711 prosenttia. Se on yleensä väkevöinnin jätetuote, mutta sitä on löydetty myös Afrikasta Oklon alueelta. Sitä käytetään lentokoneiden vastapainoissa ja ammuksissa.

Uraanin esiintyminen

Pääartikkeli: Uraanin esiintyminen, uraanikaivos

On arvioitu, että maapallolla lienee noin 63 biljoonaa tonnia uraania. Tästä valtaosa on kertynyt geologisten prosessien kautta maankuoreen. Maapallon sisäosien kuumuus johtuu osittain siellä olevan uraanin hajoamisesta.

Nykyiset varannot ovat pääosin vuosikymmeniä sitten tehdyn etsintätyön tulosta. Epäilemättä varantoa voitaisiin tarvittaessa laajentaa nopeasti uusilla etsinnöillä, kuten 1950- ja 1970-luvuilla tehtiin. Uraanin hinnan nousu viime vuosina onkin uudistanut kiinnostusta uraaninetsintään.

Tällä hetkellä kaivostoiminta edellyttää vähintään 1000 ppm pitoisuutta uraania malmissa, jotta sen hyödyntäminen olisi kannattavaa. Tällaisia pitoisuuksia sisältävät suonimaiset uraaniesiintymät, pegmatiitit, inkonformiteettiesiintymät, alluviumkivettymät ja hiekkakivet. Näissä esiintymissä on maankuoressa arviolta 90 miljoonaa tonnia uraania.

Maailman tunnetut varannot sisältävät noin 5,3 miljoonaa uraanitonnia. Siitä Australian osuus on kolmannes. Seuraavina tulevat Kazakstan 12 prosentillaan sekä Venäjä ja Kanada, joilla kummallakin on 9 prosenttia tunnetuista uraanivaroista.

Historiallista taustaa

Uraanin löysi saksalainen kemisti Martin Heinrich Klaproth vuonna 1789 pikivälkkeestä. Pikivälkettä löydettiin varsinkin Böömissä sijainneen Joachimsthalin vanhasta hopeakaivoksesta. Se nimettiin Uranus-planeetan mukaan, joka oli löydetty kahdeksan vuotta aikaisemmin.

Klaprothin tiedetään harkinneen uraanille nimeä klaprothium sen aikaisen nimeämiskäytännön mukaisesti. Ilmeisesti hän oli kuitenkin liian vaatimaton antamaan uudelle alkuaineelle omaa nimeään ja sen sijaan ehdotti vasta löydetyn Uranus-planeetan mukaan "väliaikaista" nimeä uraani, kunnes parempi nimi löydettäisiin. Nimi uraani kuitenkin jäi käyttöön. Myöhemmin jaksollisen järjestelmän seuraavat alkuaineet, neptunium ja plutonium nimettiin seuraten Klaprothin vahingossa aloittamaa tapaa liikkuen planeettakunnassa ulommas: Neptunus ja Pluto ovat Uranusta kauempana Auringosta. Pluto menetti kuitenkin asemansa planeettana vuonna 2006, kun aurinkokunnan ulko-osista oli löytynyt useita samanlaisia kohteita ja Pluton huomattiin olevan vain yksi niistä. Pluto luokiteltiin uudelleen kääpiöplaneetaksi. Pluton kohtalo ei kuitenkaan ole ainutlaatuinen. Kun ensimmäiset nykyään asteroideina tunnetut kappaleet löydettiin 1800-luvun alussa, niitäkin pidettiin planeettoina. Tästä syystä myös kahden ensimmäiseän löydetyn asteroidin, kääpiöplaneetta Cereksen (löyd. 1801) ja toisena löydetyn Pallaksen (löyd. 1802) mukaan on nimetty alkuaineet cerium ja palladium. Nämäkin kaksi alkuainetta on siis nimetty Klaprothin aloittaman tavan mukaan. Cerium ja palladium eivät kuitenkaan sijaitse jaksollisessa järjestelmässä uraanin jälkeen, sillä niiden järjestysluvut ovat 58 ja 46. Toisaalta myös Ceres ja Pallas sijaitsevat aurinkokunnassa lähempänä Aurinkoa kuin Uranus.

Uraaniyhdisteitä käytettiin 1800-luvulla varsinkin lasin ja keramiikan värjäämiseen. Uraanioksidi värjää lasin hohtavan kellanvihreäksi. Vuonna 1896 Henri Becquerel tutki useille uraaniyhdisteille ominaista fluoresenssia ja havaitsi tällöin odottamatta niiden radioaktiivisuuden.

Radioaktiivisten malmien tutkinta ja louhinta Yhdysvalloissa alkoi 1900-luvun vaihteessa, kun mm. kellotauluissa käytetyn itsevalaisevan maalin raaka-aineeksi etsittiin radiumia, jota uraanimalmikin sisältää. Sotakäyttöön uraani valjastettiin toisessa maailmansodassa, kun ns. Manhattan-projektissa kehitettiin ensimmäinen ydinase. 1970-lukuun mennessä Yhdysvaltain hallitus luopui uraanintuotannon tukemisesta, koska uraani ei ollut enää sotilaallisesti tärkeää. Samoihin aikoihin uraanille avautui uudet markkinat ydinvoimaloiden polttoaineena.

Tilastoja

Yhdysvaltain siviilireaktorit ostivat vuonna 2001 kaikkiaan 21 300 tonnia uraania, josta maksettiin keskimäärin 26,39 dollaria kilolta. Hinta oli pudonnut 16 prosenttia vuoden 1998 tasosta. Huhtikuussa 2007 uraani taas rikkoi 100 dollarin naulahinnan (noin 235 dollarin kilohinnan) maksettuaan vielä kesällä 2006 noin 40 dollaria naulalta (noin 94 dollaria/kilo).

Vuonna 2001 Yhdysvallat tuotti 1 018 tonnia uraania seitsemältä kaivauspaikalta, jotka kaikki sijaitsevat Mississippijoen länsipuolella.

Uraania jaellaan maailmanlaajuisesti, erityisesti Ranskasta. Yleensä suuret maat tuottavat uraania pieniä maita enemmän, koska uraani on jakautunut maaperään melko tasaisesti. Australialla on laajat uraanivarat, jotka muodostavat arviolta 30 % maailman tunnetuista uraanivarannoista.

Suurin osa maailman uraanista tuotetaan Kanadassa ja Australiassa. Muita yli 1000 tonnia uraania vuodessa tuottavia maita on Kazakstan, Niger, Venäjä, Namibia, Uzbekistan ja Yhdysvallat. Yhdessä ne tuottavat yli 90 % maailman uraanista.

Uraani ei ole kovin harvinaista; se on suurin piirtein yhtä tavallista kuin tina. Uraania on maapallon meriin liuenneena arviolta viisi miljardia tonnia. Suomessa uraania on maaperässä keskimäärin 4,5 g kuutiometrissä.

Uraaninetsintä Suomessa

Kauppa- ja teollisuusministeriö teki päätöksen uraanivaltauksesta Enon ja Kontiolahden rajalle 10. lokakuuta 2006. Päätös antaa ranskalaiselle Cogema-yhtiölle (Compagnic Générale des Matières Nucléaires, nykyisin Areva) oikeuden uraanin ja muiden malmien etsintään. Päätös ei oikeuta koelouhintaan tai koerikastukseen. Valtaus on voimassa 5 vuotta. Yhtiö sai Enossa ja Kontiolahdella valtausoikeudet 18 alueeseen, joiden kokonaispinta-ala on noin 1 500 hehtaaria. Valtausalueilta etsitään uraania ja toriumia.

Uusien valtausten hakeminen on vilkastunut, koska uraanin hinta on noussut viime vuosina. Aiheesta kerrotaan lisää artikkelissa uraanin esiintyminen.

Köyhdytetyn uraanin käyttö

Köyhdytettyä uraania käytetään mm. lentokoneissa, lääketieteellisissä laitteissa, panssareissa ja panssarinläpäisevissä ammuksissa. Sitä käytettiin aikaisemmin myös tekohampaissa. Se on tiheä, edullinen ja terveysriskit ovat vähäisiä tai olemattomia verrattuna esimerkiksi lyijyyn.^lähde? http://www.world-nuclear.org/info/inf14.html

Köyhdytetyllä uraanilla ei ole merkittäviä terveyshaittoja^{kenen mukaan?} , mutta esimerkiksi Maailman terveysjärjestö WHO:n mukaan köyhdytetylle uraanille altistuminen saattaa aiheuttaa häiriöitä munuaisten ja keuhkojen toiminnassa.

Kansainvälinen atomienergiajärjestö toteaa vuoden 2003 raportissaan, että tieteellinen näyttö todistaa että köyhdytetyllä uraanilla ei ole merkittäviä terveyshaittoja ("based on credible scientific evidence, there is no proven link between DU exposure and increases in human cancers or other significant health or environmental impacts"). Järjestö huomauttaa, että kuten muut raskasmetallit, se saattaa hengitettynä tai syötynä olla suurissa pitoisuuksissa myrkyllinen erityisesti munuaisille ("Like other heavy metals, DU is potentially poisonous. In sufficient amounts, if DU is ingested or inhaled it can be harmful because of its chemical toxicity. High concentration could cause kidney damage").

Säteilyturvakeskuksen mukaan tavallisten suomalaisten porakaivoveden käyttäjien virtsan uraanipitoisuudet ovat olleet samaa luokkaa kuin sellaisilla sotilailla, jotka ovat saaneet kehoonsa uraaniammusten sirpaleita. Raskasmetallien ominaisuuksien vuoksi Säteilyturvakeskus on varoittanut suomalaisia rauhanturvaajia keräämästä uraanikärkiä matkamuistoiksi.

Juomaveden uraani

Suomen kallioperän ollessa uraanipitoista on monilla alueilla kaivovedessä suuria uraanipitoisuuksia, erityisesti porakaivoissa. Maailman terveysjärjestön tuoreen arvion perusteella suositus enimmäispitoisuuden ohjearvoksi on vain 0,015 mg/l, kun taas 0,1 mg/l on tavallinen pitoisuus uraanialueilla. Tosin Suomessa on tavattu yksittäistapauksissa jopa yli 1 mg/l pitoisuuksia. Aikaisemmat ohjearvot perustuivat radioaktiivisuuteen, joka ei luonnon uraanin osalta ole merkittävin riski^lähde?. Pahin tunnettu haitta on myrkyllisyys munuaisille. Suomessa pitoisuuksien on todettu korreloivan kalsiumin ja fosfaatin lisääntyneeseen eritykseen virtsaan, mutta merkitystä ihmisen terveydelle ei tiedetä^lähde?. Asia on aktiivisen tutkimuksen kohteena.

Aiheesta muualla

• Kansanterveyslaitoksen tietosivu
• Helsingin Sanomat: Pikivälkkeestä radioaktiivisuuteen
• ATS Ydintekniikka lehti 2/1989
• Nuclear Chemistry - Uranium Production
• Energiateollisuus: Hyvä tietää uraanista (pdf)
• Uraanitietoa Pohjois-Karjalasta
• Ei Uraanikaivosta Kuusamoon -sivustolta uraanitietoa Kuusamon, Posion ja Sallan alueilta
• Kilpailu uraaniesiintymien hyödyntämisestä kiihtyy YLE 29.1.2008
• The Isotopes Project Home Page: Luettelo uraanin isotoopeista (englanniksi))
• Webmineral: Mineral Species containing Uranium (U) (englanniksi)
• Americanelements: Uranium Technical and Safety Data (englanniksi)
• Argonne National Laboratory: Radiological and Chemical Fact Sheets to Support Health Risk Analyses for Contaminated Areas, Uranium and Depleted Uranium sivut 58 - 63 (englanniksi) (pdf)

Ydintekniikka