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ウラン（VI）酸化物または「イエローケーキ」はウラン鉱石の処理における中間工程であり、この酸化物はウラン鉱石を処理する際に発生します。 |
ウラン
| 原子番号： | 92 | 原子半径： | 240 pm（ファンデルワルス） |
| 原子記号：Atomic Symbol.A.B.B.B.B.B.B.B.B.B.B.B.B.B.B.B.B.B.B: | U | 融点: | 1133 ℃ |
| 原子量: | 238 | 沸点: | 4131 ℃ |
| 電子配置: | 7s25f36d1 | 酸化状態： | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
History
自然酸化物としてのウランの使用は紀元79年にまでさかのぼり、陶器の釉薬に黄色の着色剤として使用されています。 イタリアのナポリ近郊の古代ローマの別荘から、1％の酸化ウランを含む黄色いガラスが発見されました。 中世後期には、銀山から抽出されたピッチブレンデがガラス製造の着色料として使用されていた。 ウランが元素として同定されたのは、一般にマーティン・H・クラプロスの功績とされている。 クラプロスは1789年にピッチブレンデの実験を行い、この中に新元素が含まれていると結論付けた。 クラプロスが実際に確認したのは、純粋な元素ではなく、ウランの酸化物であった。 1841年、ウジェーヌ・メルキオール・ペリゴが無水四塩化ウランを金属カリウムで還元し、純金属を初めて単離した。
1896年、アントワーヌ H. ベクレルが、ウランが見えない光や線を出していることを発見し、それが放射能であるとした。 1934年、エンリコ・フェルミらの研究により、ウランの核分裂は戦争で使われた最初の核兵器に、その後、ウランは原子力発電の燃料として平和利用されるようになった。 その後、米ソ冷戦下の軍拡競争により、ウラン金属やウラン由来のプルトニウム239を使用した核兵器が何万発と生産された。 1991年のソビエト連邦崩壊後、これらの核兵器や核分裂性物質の安全保障は、現在も続いている。
1972年、フランスの物理学者フランシス・ペランは、西アフリカのガボンにあるオクロ鉱山のウラン鉱床に、オクロ化石炉と総称される古くてもう活動していない先史時代の天然核分裂炉を発見しました。 この鉱床は17億年前のもので、当時、ウラン235は地球上の全ウランの約3％（現在は0.72％）を占めていた。 これは、他の地質学的条件が整っていれば、持続的な核分裂連鎖反応を起こすのに十分な高さである。
同位体
ウランは弱い放射性物質です。なぜなら、すべての自然発生（または原始）ウランの同位体（238U、235U、234U）は不安定で、半減期は15万9200年～45億年とさまざまです。 ウランの同位体は、原子量217-219、222-240、242の27種類が知られており、半減期は数十億年から数ナノ秒の範囲である。 天然に存在するウランは、238U（存在率99.28％）、235U（0.71％）、234U（0.0054％）の3つの主同位体から構成されています。 (米国DOEは天然ウランに占める235Uの割合を0.711としている）。 3つの同位体はすべて放射性物質であり、自然核分裂を起こす確率は小さいが、アルファ線を放出することで優先的に崩壊する。 ウラン238の半減期は約44億7000万年、ウラン235の半減期は7億400万年であり、地球年齢の年代測定に有効である。 また、地球形成時から存在したウランの半分が他の放射性元素に崩壊し、やがて安定した元素になったことを示唆している。
ウラン238はα粒子を放出し（時折、自発核分裂を起こす）、核崩壊の「ウラン系列」を経て、18のメンバーからなり、すべてが様々な崩壊経路を経て最終的に鉛206になる。 アクチニウム系列と呼ばれる235Uの崩壊系列は15メンバーで、そのすべてが最終的に鉛-207に崩壊する。 これらの崩壊系列は崩壊速度が一定であるため、親元素と娘元素の比率を比較することで放射性年代測定に役立てることができる。 ウラン234は「ウラン系列」に属し、比較的短寿命の同位体を経て鉛206に崩壊します。 ウラン233は、通常原子炉内でトリウム232から中性子照射によって作られ、233Uも核分裂性を持ちます。 その崩壊系列はタリウム205で終わります。
Sources
ウランは大量に入手可能な最も重い自然発生的な元素である。 より重い「超ウラン」元素は人工的に作られたものか、放射化生成物としてウラン鉱床に微量に存在するのみです。 ウランは土壌、岩石、水中に数百万分の一の低濃度で自然に存在し、商業的にはウランを含む鉱物から抽出される。 ウランは、かつて考えられていたほど希少な物質ではなく、現在では水銀、アンチモン、銀、カドミウムよりも多く、モリブデンやヒ素と同程度に豊富であると考えられている。 ピッチブレンデ、ウラニナイト、カルノタイト、オーチュナイト、ウラノファン、トベルナイトなど多くの天然鉱物に含まれる。 また、リン鉱石、褐炭、モナザイト砂にも含まれ、これらから商業的に回収されている。 米国エネルギー省は、許容されるU3O8精鉱の形でウランを購入している。 この奨励制度により、既知のウランの埋蔵量は大幅に増加した。
特性
純粋なウランは銀白色の弱い放射性金属で、ほとんどの元素より硬いです。 可鍛性、延性があり、わずかに常磁性で、強く電気陽性を示しますが、電気伝導度は低いです。 ウランは非常に密度が高く、鉛の約70%ですが、金よりわずかに密度が低いです。 ウラン金属は3つの結晶学的変化を示します：α –> (688°C) –> β –> (776°C) –> γ。 ウランは細かく砕くと発火する。 空気中では、ウラン金属は酸化物の層で覆われます。 酸は金属を溶かし、+3酸化状態を形成し、水と空気で急速に酸化され、より高い酸化状態を形成します。 ウラン金属はアルカリに影響されません。 ウラン金属は、アルカリまたはアルカリ土類金属でウランのハロゲン化物を還元するか、カルシウム、アルミニウムまたは炭素でウランの酸化物を高温で還元することにより調製することができる。 また、KUF5またはUF4をCaCl2とNaClの溶融塩混合物に溶解し、電気分解することによっても製造できる。
ウラン金属は、ほとんどすべての非金属元素およびその化合物と反応し、その反応性は温度とともに高くなります。 塩酸と硝酸はウランを溶かしますが、塩酸以外の非酸化性の酸はウランを非常にゆっくりと攻撃します。 細かく分けると冷水と反応することがある。 空気中では、ウラン金属は酸化され、黒っぽい酸化ウランの層で覆われる。 ウランは様々な合金や化合物を形成し、最も重要な酸化状態はウラン(IV)とウラン(VI)で、対応する2つの酸化物はそれぞれ、二酸化ウラン(UO2)と三酸化ウラン(UO3)であります。 酸化物の他に、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、炭酸塩、水素化物、炭化物、窒化物、リン酸塩などの重要なウラン化合物がある。 六フッ化ウランは室温で高い蒸気圧を持ち、U-235とU-238の分離に用いられる気体拡散法に有効である。 ウランの水素化物、窒化物、炭化物は比較的不活性な半金属化合物で、酸にほとんど溶けないため、原子力発電炉技術において安定した燃料ペレットとして使用されてきた。
ウランは水溶液中では+3、+4、+5、+6の酸化状態で存在します。 酸化状態の+6はUO22+イオン（黄色）として、溶液中で最も安定な状態です。 5の酸化状態のUO2+イオンは無色で非常に不安定であり、不均化（自分自身と反応）して+6と+4の状態を形成します。 4状態（緑色）は溶液中で適度に安定ですが、+3状態（昼光と蛍光灯の光源によって濃い緑または濃い赤）は不安定で、容易に+4状態に酸化されます。
用途
ウランは古代ローマや中世で陶器の釉薬やガラスの着色料として使われ、オレンジがかった赤からレモンイエローの色調を作り出しました。 最近では、現代の Fiestaware© の食器にオレンジ色の釉薬として使用されましたが、健康上の理由から、後に中止されました。 現在、ウランの用途の多くは、そのユニークな核特性を利用したものである。 ウラン235は、天然に存在する唯一の核分裂性同位体であるという特徴がある。 つまり、熱中性子によって2つまたは3つの核分裂片（核分裂生成物）に分解することができるのです。 ウラン238は高速中性子で核分裂し、核分裂性であり、原子炉で核分裂性プルトニウム239に変換することができます。 もう一つの核分裂性同位体であるウラン233は、天然のトリウムから生産でき、これも原子力技術において重要である。 ウラン238は高速中性子による自発核分裂、あるいは誘導核分裂の可能性が小さいが、ウラン235とそれより小さいウラン233は低速中性子に対する核分裂断面積がはるかに大きい。 十分な濃度があれば、これらの同位体は持続的な核連鎖反応を維持することができる。 これは、原子力発電所の熱を発生させ、核兵器の核分裂性物質を生産する。 この核変換は、連鎖反応を維持するために使用される核分裂性物質よりも多くの新しい核分裂性物質を生産することができる増殖炉で行うことが可能である。 劣化ウラン（238U）（ウラン235の劣化）はバリスティック装甲の貫通や装甲板として使用されています。
ウラン238は核分裂性ではありませんが、中性子放射化後にもう一つの核分裂性同位体であるプルトニウム239を生成できるため、肥沃な同位体であることが知られています。 実際、238Uの原子核は1個の中性子を吸収して放射性同位体であるウラン239を生成することができる。 239Uはベータ線を放出し、同じくベータ線を放出するネプツニウム239に崩壊し、さらに数日以内にプルトニウム239に崩壊する。 239Puは、1945年7月15日にニューメキシコ州で行われた「トリニティ実験」で爆発した最初の原子爆弾の核分裂性物質として使用されました。
ウラン235は、ウランを利用するための鍵であるため、さらに重要である。 235Uは天然ウラン中に0.71％しか存在しないが、遅い中性子で核分裂するので、天然ウランと重水や黒鉛などの適当な減速材だけで原子炉を作り、自立した核分裂連鎖反応をさせることができる。
ウラン235は、必要に応じてガス拡散やその他の物理的プロセスによって濃縮し、天然ウランの代わりに核燃料として直接使用したり、爆発物として使用することができる。
235Uでわずかに濃縮した天然ウランは、発電のための原子炉燃料として使用されている。 天然トリウムに中性子を照射すると、以下のように重要な同位体233Uを生成することができる。 232Th(n, gamma) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U.となる。 トリウム自体は核分裂しないが、233Uは核分裂するため、核燃料として使用できる可能性がある。 核燃料の用途としては、発電、平和目的の同位体製造、爆発物製造がよく知られている。 米国内のウランは米国原子力規制委員会が管理している。 劣化ウラン（235Uの割合が0.2％程度に低下したウラン）の新しい用途が見つかっている。 ウランは慣性誘導装置、ジャイロコンパス、航空機の制御面のカウンターウェイト、ミサイル再突入時のバラスト、シールド材として使用されています。 ウラン金属は高エネルギーX線製造のためのX線ターゲットに使用され、硝酸塩はかつて写真のトナーとして、酢酸塩はかつて分析化学で使用されました。 硝酸ウランの結晶はトリボルミネセンスを持つ。 また、ウラン塩は黄色の「ワセリン」ガラスや釉薬の製造に使用されてきました。
危険性
ウランとその化合物は、化学的にも放射線学的にも非常に有毒です。 微粒子のウラン金属は発熱性があり、火災の危険があります。 自然界では、U(VI)はアルカリ性で溶解度の高い炭酸錯体を形成します。 このため、放射性廃棄物処分場から地下水や土壌へのウランの移動性、利用可能性が高まり、健康被害につながる。 ウランを取り扱う際には、吸入・摂取可能な最大濃度を知っておく必要があります。 最近、多くの土壌に自然に存在するウランは、特に地下室のような循環の少ない狭い空間で放射性ラドンガスとその娘を発生させるため、住宅所有者の関心事となっています。
Updated by Dr. David Hobart, July 23, 2013
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