Bookshelf

Tabel 4-3

Percentage voorkomen en radioactieve eigenschappen van natuurlijk voorkomende isotopen van Uranium.

Metallurgisch gezien kan uraniummetaal bestaan in drie allotrope vormen: orthorhombisch, tetragonaal, of lichaamsgecentreerd kubisch (Lide 2008), en kan het worden gelegeerd met andere metalen om de structurele en fysische eigenschappen aan te passen aan de toepassing. Zoals aluminiummetaalpoeder is uraniummetaalpoeder autopyroof en kan het spontaan verbranden bij kamertemperatuur in aanwezigheid van lucht, zuurstof en water. Op dezelfde wijze oxideert het oppervlak van bulkmetaal, wanneer het voor het eerst aan de atmosfeer wordt blootgesteld, snel en vormt een dunne oppervlaktelaag van UO2, die het binnendringen van zuurstof weerstaat en het binnenmetaal tegen oxidatie beschermt. Bij temperaturen van 200-400°C kan uraniumpoeder zelfontbranden in een atmosfeer van CO2 en N2. Om zelfontbranding te voorkomen, kunnen uraniumspanen worden opgeslagen in open containers en onder machineolie of water om de opbouw van waterstofgas te voorkomen. Brandend uranium kan onder water worden geplaatst tot het dooft, hetgeen kan worden vertraagd door hydrolyse van het water, dat wat zuurstof en waterstof levert om te blijven branden. Waternevel, CO2, en halon zijn niet effectief, en halonontlading kan explosief zijn en giftige gassen produceren (DOE 2001).

Uranium kan in vijf oxidatietoestanden bestaan: +2, +3, +4, +5, en +6 (Lide 2008); echter, alleen de +4 en +6 toestanden zijn stabiel genoeg om van praktisch belang te zijn. Tetravalent uranium is redelijk stabiel en vormt hydroxiden, gehydrateerde fluoriden en fosfaten met een lage oplosbaarheid. Zeswaardig uranium is de meest stabiele toestand en de meest voorkomende toestand is U3O8, hoewel er in de Verenigde Staten een paar gelokaliseerde opslagplaatsen zijn voor antropogeen uraniumhexafluoride (UF6) (DOE 2011a). Belangrijke verbindingen van uranium zijn oxiden, fluoriden, carbiden, nitraten, chloriden, acetaten, en andere. Een van de kenmerken van UO2+2 ionen is hun vermogen om te fluoresceren onder ultraviolet licht.

Hoewel het element uranium in 1789 werd ontdekt door Klaproth, die het “uranium” noemde naar de pas ontdekte planeet Uranus, duurde het tot 1896 vooraleer Becquerel ontdekte dat uranium radioactief is. Er zijn 22 isotopen van uranium bekend, waarvan er slechts 3 in de natuur voorkomen (NNDC 2011). Deze drie isotopen, 234U, 235U en 238U, hebben relatieve massabundanties in het ongestoorde aardkorstgesteente van respectievelijk 0,005, 0,72 en 99,275%. Een gram natuurlijk uranium met deze relatieve isotopische abundantie heeft een activiteit van 0,69 µCi. Van deze 0,69 µCi is 49,0% van de activiteit toe te schrijven aan 234U, 2,27% van de activiteit is toe te schrijven aan 235U, en 48,7% van de activiteit is toe te schrijven aan 238U (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Deze verhouding geldt alleen voor onverstoord korstgesteente. Hoewel de relatieve massabundantie van 234U slechts 0,005% bedraagt, vertegenwoordigt het ongeveer de helft van de totale activiteit. De hierboven gegeven relatieve isotopische abundanties kunnen tot op zekere hoogte worden gewijzigd door natuurlijke processen die niet volledig worden begrepen, maar die kunnen leiden tot verschillende verhoudingen in lucht, water en bodem, zoals aangetoond in EPA-rapporten (EPA 1994a, 2007).

235U is een isotoop van bijzonder belang omdat het splijtbaar is (kan worden gesplitst) en bijgevolg een nucleaire kettingreactie kan onderhouden in aanwezigheid van neutronen met de juiste energie. De voornaamste isotoop van uranium die in de natuur wordt aangetroffen, 238U, is niet gemakkelijk splijtbaar, maar een klein deel van zijn transformaties resulteert in spontane splijting in plaats van het typische alfaverval; deze neutronen kunnen volstaan om een kettingreactie op gang te brengen onder passende concentratie-, massa- en neutronthermisatievoorwaarden. Om uranium als splijtstof in kernreactoren te kunnen gebruiken, wordt de verhouding 235U tot 238U bijgevolg verhoogd van 0,72 tot 2-4% door middel van een proces dat verrijking wordt genoemd. Het verrijkingsproces dat het meest wordt gebruikt in de Verenigde Staten heet gasdiffusie, maar andere verrijkingsprocessen met thermische, centrifuge- en lasermethoden kunnen worden gebruikt, en andere landen zijn actief betrokken bij de productie van verrijkt uranium. Uraniumerts wordt verwerkt tot uraniumoxide (U3O8) en vervolgens gefluoreerd tot UF6; vervolgens wordt een stroom UF6-gas dat de drie isotopische verbindingen bevat, door een lange reeks diffusiestappen geleid, waarbij de 234U en 235U sneller passeren dan de 238U. Het voorste deel van de stroom heeft dus een verhoogde 235U-concentratie en wordt verrijkt uraniumhexafluoride genoemd, terwijl het achterste deel van de stroom een verlaagde 235U-concentratie heeft en verarmd uraniumhexafluoride wordt genoemd. Het verrijkingspercentage is een maat voor het massapercentage 235U in het eindproduct, en de mate van verrijking wordt bepaald door het gebruik. Verrijkt UF6 wordt gewoonlijk omgezet in uraniummetaal of -oxide voor kernreactorsplijtstof of in metaal voor wapentoepassingen. Verarmd UF6 wordt ofwel omgezet in uraniummetaal voor diverse civiele en militaire toepassingen, ofwel opgeslagen voor toekomstig gebruik. Laagverrijkt uranium (2-4% verrijkt) wordt gebruikt in civiele kernreactoren (DOE 2000), terwijl hoogverrijkt uranium (>90% verrijkt) wordt gebruikt in speciale onderzoeksreactoren (waarvan de meeste buiten bedrijf zijn gesteld), reactorkernen van kernonderzeeërs, en kernwapens. Verarmd uraniummetaal wordt gebruikt als stralingsafscherming, raketprojectielen, doelelementen in plutoniumproductiereactoren, een gyroscooponderdeel, en tegengewichten of stabilisatoren in vliegtuigen.

Uranium ondergaat voortdurend een transformatie door het vervalproces waarbij het energie afgeeft om uiteindelijk een stabiel of niet-radioactief element te worden. Voor de uraniumisotopen is dit een complex proces waarbij een keten van vervalproducten, progeny’s genaamd, in serie wordt geproduceerd totdat een uiteindelijk stabiel element wordt gevormd. De vervalproducten van de uraniumisotopen, die ook radioactief zijn, zijn weergegeven in tabel 4-4. 238U is de moederisotoop van de uraniumreeks (234U is een vervalproduct van 238U), terwijl 235U de moederisotoop van de actiniumvervalreeks is. Alle natuurlijke uraniumisotopen en sommige van hun nakomelingen vervallen door de emissie van alfadeeltjes; de andere leden van beide reeksen vervallen door de emissie van betadeeltjes en gammastralen (NNDC 2011). Zowel de vervalreeks van uranium als die van actinium hebben drie gemeenschappelijke kenmerken. Elke reeks begint met een langlevende ouder, 235U of 238U, elke reeks bevat een isotoop van het edelgas radon, en elke reeks eindigt met een stabiele isotoop van lood, 207Pb of 206Pb.

De hoeveelheid tijd die nodig is voor de transformatie van de helft van de atomen van een radionuclide wordt de radioactieve halveringstijd genoemd. De snelheid van het verval, en dus de halveringstijd, is voor elke radionuclide uniek. De halfwaardetijd van 238U is zeer lang, 4,5×109 jaar; de halfwaardetijden van 235U en 234U zijn ordes van grootte lager, respectievelijk 7,0×108 en 2,5×105 jaar. Aangezien de activiteit van een gegeven massa uranium afhangt van de massa en de halveringstijd van elke aanwezige isotoop, zal de activiteit hoger zijn naarmate de relatieve overvloed van de sneller verterende isotopen 234U en 235U groter is. Verarmd uranium is dus minder radioactief dan natuurlijk uranium en verrijkt uranium is meer radioactief.

Uranium is ongewoon onder de elementen omdat het zowel een chemisch als een radioactief materiaal is. De aan uranium verbonden gevaren zijn afhankelijk van de chemische en fysische vorm van het uranium, de wijze van inname en de graad van verrijking. De chemische vorm van uranium bepaalt zijn oplosbaarheid en dus zijn transporteerbaarheid in lichaamsvloeistoffen en zijn retentie in het lichaam en de verschillende organen. De chemische toxiciteit van uranium is het voornaamste gezondheidsrisico, omdat oplosbare uraniumverbindingen zware metalen in het nierweefsel aantasten. De radiologische gevaren van uranium kunnen een primaire zorg zijn wanneer ingeademde, verrijkte (DOE 2001) en onoplosbare uraniumverbindingen langdurig worden vastgehouden in de longen en de bijbehorende lymfevaten.