Bookshelf

4.2. FYSISKA, KEMISKA OCH RADIOLOGISKA EGENSKAPER

De fysiska egenskaperna hos uran och uranföreningar som är viktiga för kärnbränslecykeln och försvarsprogrammen anges i tabell 4-2. Den procentuella förekomsten och de radioaktiva egenskaperna hos naturligt förekommande isotoper av uran anges i tabell 4-3. De två sönderfallsserierna för de naturligt förekommande isotoperna av uran visas i tabell 4-4.

Metallurgiskt sett kan uranmetall finnas i tre allotropa former: ortorhombisk, tetragonal eller kroppscentrerad kubisk (Lide 2008) och kan legeras med andra metaller för att förändra dess strukturella och fysiska egenskaper för att passa tillämpningen. Liksom aluminiummetallpulver är uranmetallpulver autopyroforiskt och kan brinna spontant vid rumstemperatur i närvaro av luft, syre och vatten. På samma sätt oxiderar massmetallens yta snabbt när den först utsätts för atmosfären och bildar ett tunt ytskikt av UO2, som motstår syreinträngning och skyddar den inre metallen från oxidation. Vid temperaturer på 200-400 °C kan uranpulver självantända i atmosfärer av CO2 och N2. För att förhindra självantändning kan uranbearbetningsflisor förvaras i öppna behållare och under maskinolja eller vatten för att förhindra att vätgas bildas. Brinnande uran kan placeras under vatten tills det är släckt, vilket kan fördröjas genom hydrolys av vattnet, vilket ger en del syre och väte för fortsatt bränning. Vattenspray, CO2 och halon är ineffektiva, och halonutsläpp kan vara explosivt och ge upphov till giftiga gaser (DOE 2001).

Uran kan existera i fem oxidationstillstånd: Det kan finnas fem oxidationstillstånd: +2, +3, +4, +5 och +6 (Lide 2008), men endast tillstånden +4 och +6 är tillräckligt stabila för att vara av praktisk betydelse. Tetravalent uran är någorlunda stabilt och bildar hydroxider, hydrerade fluorider och fosfater med låg löslighet. Sexvärt uran är det mest stabila tillståndet och det vanligaste tillståndet är U3O8, även om det finns några få lokala lagringsplatser för antropogen uranhexafluorid (UF6) i USA (DOE 2011a). Bland de viktigaste uranföreningarna finns oxider, fluorider, karbider, nitrater, klorider, acetater och andra. En av egenskaperna hos UO2+2-joner är deras förmåga att fluorescera i ultraviolett ljus.

Och även om grundämnet uran upptäcktes 1789 av Klaproth, som döpte det till ”uranium” efter den nyupptäckta planeten Uranus, dröjde det till 1896 innan Becquerel upptäckte att uran är radioaktivt. Det finns 22 kända isotoper av uran, varav endast tre förekommer naturligt (NNDC 2011). Dessa tre isotoper, 234U, 235U och 238U, har relativa massöverskott i jordens ostörda jordskorpa på 0,005, 0,72 respektive 99,275 %. Ett gram naturligt uran med denna relativa isotophalt har en aktivitet på 0,69 µCi. Av dessa 0,69 µCi kan 49,0 % av aktiviteten hänföras till 234U, 2,27 % av aktiviteten till 235U och 48,7 % av aktiviteten till 238U (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Detta förhållande gäller endast ostörda jordskorpelager. Även om den relativa massförekomsten av 234U endast är 0,005 % står den för ungefär hälften av den totala aktiviteten. De relativa isotophalter som anges ovan kan i viss utsträckning förändras av naturliga processer som inte är helt kända, men som kan orsaka olika förhållanden i luft, vatten och jord, vilket har visats i EPA-rapporter (EPA 1994a, 2007).

235U är en isotop av särskilt intresse eftersom den är klyvbar (kan klyvas) och följaktligen kan underhålla en nukleär kedjereaktion i närvaro av neutroner med lämplig energi. Den dominerande isotopen av uran som finns i naturen, 238U, är inte lätt klyvbar, men en liten del av dess omvandlingar resulterar i spontan klyvning i stället för det typiska alfaförfallet; dessa neutroner kan vara tillräckliga för att initiera en kedjereaktion under lämpliga koncentrations-, massa- och neutrontermeringsförhållanden. För att uran ska kunna användas som bränsle i kärnreaktorer ökas därför förhållandet mellan 235U och 238U från 0,72 till 2-4 % genom en process som kallas anrikning. Den anrikningsprocess som används mest i USA kallas gasdiffusion, men andra anrikningsprocesser med termiska metoder, centrifuger och lasermetoder kan användas, och andra länder är aktivt involverade i produktionen av anrikat uran. Uranmalm bearbetas till uranoxid (U3O8) och fluoreras sedan till UF6. Därefter leds en ström av UF6-gas som innehåller alla tre isotopföreningarna genom en lång rad diffusionssteg genom vilka 234U och 235U passerar snabbare än 238U. Den främre delen av strömmen har således en ökad 235U-koncentration och kallas anrikad uranhexafluorid, medan den bakre delen av strömmen har en minskad 235U-koncentration och kallas utarmad uranhexafluorid. Den procentuella anrikningen är ett mått på massprocenten av 235U i slutprodukten, och graden av anrikning bestäms av användningen. Anrikad UF6 omvandlas vanligtvis till uranmetall eller uranoxid för kraftreaktorbränsle eller till metall för vapentillämpningar. Utarmat UF6 omvandlas antingen till uranmetall för en rad olika civila och militära tillämpningar eller lagras för framtida användning. Låganrikat uran (2-4 % anrikat) används i civila kärnkraftsreaktorer (DOE 2000), medan höganrikat uran (>90 % anrikat) används i särskilda forskningsreaktorer (varav de flesta har tagits ur drift), reaktorhärdar för atomubåtar och kärnvapen. Utarmat uranmetall används som strålningsskydd, missilprojektiler, målelement i plutoniumproduktionsreaktorer, en gyroskopkomponent och motvikter eller stabilisatorer i flygplan.

Uran genomgår kontinuerligt en omvandling genom sönderfallsprocessen, varvid det frigör energi för att slutligen bli ett stabilt eller icke-radioaktivt grundämne. För uranisotoperna är detta en komplex process som innebär en serieproduktion av en kedja av sönderfallsprodukter, så kallade progenyprodukter, tills ett slutgiltigt stabilt element bildas. Sönderfallsprodukterna för uranisotoper, som också är radioaktiva, visas i tabell 4-4. 238U är uranseriens moderisotop (234U är en sönderfallsprodukt av 238U), medan 235U är aktiniums sönderfallsseriens moderisotop. Alla naturliga uranisotoper och vissa av deras avkommor sönderfaller genom emission av alfapartiklar; de övriga medlemmarna i båda serierna sönderfaller genom emission av betapartiklar och gammastrålar (NNDC 2011). Både uranets och aktiniumets sönderfallsserier har tre gemensamma egenskaper. Varje serie börjar med en långlivad förälder, 235U eller 238U, varje serie innehåller en isotop av ädelgasen radon, och varje serie slutar med en stabil isotop av bly, 207Pb eller 206Pb.

Den tid som krävs för att hälften av atomerna i en radionuklid ska omvandlas kallas dess radioaktiva halveringstid. Nedbrytningshastigheten, och därmed halveringstiden, är unik för varje radionuklid. Halveringstiden för 238U är mycket lång, 4,5×109 år; halveringstiderna för 235U och 234U är storleksordningar lägre, 7,0×108 respektive 2,5×105 år. Eftersom aktiviteten hos en given uranmassa beror på massan och halveringstiden för varje närvarande isotop, kommer aktiviteten att vara högre ju större den relativa förekomsten av de snabbare sönderfallande 234U och 235U är. Utarmat uran är således mindre radioaktivt än naturligt uran och anrikat uran är mer radioaktivt.

Uran är ovanligt bland grundämnena eftersom det är både ett kemiskt och ett radioaktivt ämne. De faror som är förknippade med uran är beroende av urans kemiska och fysiska form, intagningsväg och anrikningsgrad. Uranets kemiska form avgör dess löslighet och därmed dess transportabilitet i kroppsvätskor samt dess retention i kroppen och olika organ. Uranets kemiska toxicitet är det främsta hälsoproblemet, eftersom lösliga uranföreningar orsakar tungmetallskador på njurvävnad. De radiologiska riskerna med uran kan vara ett primärt problem när inandade, anrikade (DOE 2001) och olösliga uranföreningar behålls långsiktigt i lungorna och tillhörande lymfatiska system.