|  | ||||||
2,7.10-4 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit uraan; het is het 49e element in rangorde van voorkomen. In een groot aantal mineralen wordt uraan aangetroffen. De belangrijkste zijn:
autuniet of uraanglimmer CaO(UO2)2(PO4)2.10-12H2O branneriet (U,Ca,Y,Ce)(Ti,Fe)2O6 carnotiet K2(UO2)2V2O8.3H2O coffiniet U(SiO4)1-x(OH)4x curiet Pb2U5O17.4H2O joliotiet (UO2)CO3.nH2O kasoliet Pb(UO2)SiO4.H2O pekblende of uraniniet UO2 thoriet (Th,U)SiO4 tjujamuniet CaO(UO2)2.V2O8.5-8H2O uranofan CaO(UO2)2[SiO3(OH)2]2.5H2O
De belangrijkste wingebieden voor uraanhoudende ertsen of -mineralen liggen in Canada (Ontario), Zuid-Afrika, Australië, Democratische Republiek Congo, de Verenigde Staten van Amerika (Colorado), Namibië, Niger, Brazilië, Frankrijk, Argentinië en Rusland.
De naam is afgeleid van de planeet Uranus, die op haar beurt was genoemd naar de Griekse god Ouranus, vader der Titanen, die samen met Gaea het oudste godenpaar vormde. Deze naam werd gekozen omdat de ontdekking van deze planeet in 1781 (door Herschel) diepe indruk had gemaakt in wetenschappelijke kringen. Bovendien was Uranus de verst van de aarde gelegen (bekende) planeet en uraan het element met de grootste atoommassa (en op dat moment het laatste in de lijst van elementen).
In vele publicaties wordt de niet-officiële – en dus eigenlijk foutieve - naam uranium gebruikt.
Uraan werd in 1789 ontdekt door M.H. Klaproth toen hij in pekblende naast de oxiden van zink, ijzer en wolfraam een nieuwe stof aantoonde. Dit bleek - achteraf - het oxide van uraan te zijn, maar werd in eerste instantie voor een niet-ontleedbare stof aangezien.
In 1841 gelukte het B. Péligot om uit uraanoxide - met behulp van chloorgas - eerst uraantetrachloride te bereiden, waaruit via reductie met kalium het metaal uraan werd gemaakt.
Om uraan te bereiden uit uraanerts wordt het erts - na een aantal bewerkingen, zoals flotatie en uitlogen - eerst volledig geoxideerd (bv. met mangaan(IV)oxide of geconcentreerd salpeterzuur) om er zeker van te zijn dat alle uraanverbindingen zijn omgezet in oplosbare uranylcomplexen. Vervolgens worden de uranylionen (UO22+) via ionenwisseling of vloeistofextractie (met 30% tributylfosfaat –TBP – in keroseen of met metylisobutylketon) gescheiden . Deze scheiding is afhankelijk van de zuurgraad en de nitraatconcentratie en is zeer selectief. Door de steeds geavanceerdere scheidingsmethode kan men uraan winnen uit ertsen met een zeer laag uraangehalte.
Na de scheiding wordt door indampen zuiver uranylnitraat {UO2(NO3)2} verkregen, dat bij 300 °C wordt ontbonden tot uraan(VI)oxide en bij 700 °C met waterstof gereduceerd tot zuiver uraan(IV)oxide.
Door reductie met natrium, kalium, magnesium, calcium, calciumhydride of aluminium ontstaat het metaal.
Ook kan uraantetrafluoride, dat ontstaat bij inwerking van waterstoffluoride op uraan(IV)oxide, worden gereduceerd met calcium of magnesium tot uraan of kan het metaal worden verkregen via elektrolyse van het gesmolten oxide - gemengd met barium- en lithiumfluoride, ter verlaging van het smeltpunt -, fluoride of chloride.
Verrijken van natuurlijk uraan.
Natuurlijk uraan is ongeschikt als splijtstof (de 'brandstof') voor kernreactoren. Het bevat slechts 0,72 % van het goed splijtbare 235U, de rest bestaat uit 238U. Als splijtstof voor kernreactoren gebruikt men uraan dat rijk is aan 235U (ca. 3 %). Om dit te verkrijgen wordt uraanerts omgezet in hexafluoruraan of uraanhexafluoride (UF6), door uraanoxide met waterstoffluoride om te zetten in uraantetrafluoride en dat vervolgens met fluor te oxideren tot uraanhexafluoride:
UO2 + 4 HF → UF4 + 2 H2O
UF4 + F2 → UF6
Door centrifugeren van dit gas kan men mengsels verkrijgen die armer of rijker zijn aan 235U. De speciaal hiertoe ontworpen centrifuges, die in serie staan, draaien met een toerental van ca. 60.000 - 100.000 omwentelingen per minuut. De zwaardere moleculen (met 238U) gaan door de grote centrifugale kracht meer naar de buitenwand dan de lichtere. Licht verarmd uraanhexafluoride wordt bij de wand verkregen, licht verrijkt wordt in het midden afgezogen. Door het proces vele malen te herhalen wordt uraanhexafluoride met voldoende 235U verkregen.
Men gebruikt voor deze scheiding de fluorverbinding, omdat fluor licht is en slechts één natuurlijk isotoop bevat. De massaverschillen tussen de deeltjes berusten dus uitsluitend op de verschillen in de uraanisotopen.
Het verrijkte uraanhexafluoride kan met waterstofchloride of jood worden gereduceerd tot uraantetrafluoride, dat vervolgens met calcium kan worden gereduceerd tot uraan.
Kernkweekmateriaal
Om plutonium als 'brandstof' te verkrijgen wordt in kweekreactoren 238U blootgesteld aan bestraling met neutronen:
Kernreactorbrandstof
Uraan (235U) is geschikt als brandstof (splijtstof) voor kernreactoren. Meestal wordt het toegepast in de vorm van UO2, vanwege de grotere chemische stabiliteit en het hogere smeltpunt. De splijtsof wordt verpakt in hulzen van roestvrijstaal, zirkonium of een legering van zirkonium. Als 235U-kernen (langzame) neutronen invangen, treedt kernsplijting op. Hierbij komen neutronen vrij, bijvoorbeeld volgens:
De vrijkomende neutronen kunnen op hun beurt - onder de juiste omstandigheden - ook weer kernen splijten, zodat een kettingreactie kan ontstaan. Daartoe dient voldaan te zijn aan twee voorwaarden. Ten eerste moet de splijtstof voldoende splijtbare kernen hebben. Dit kan gebeuren door natuurlijk uraan te verrijken (zie boven) of door andere splijtbare kernen (bijvoorbeeld 233U of 241Pu) toe te voegen. Ten tweede moet de snelheid van de neutronen niet te groot zijn. Men remt daarom de neutronen af met behulp van een moderator, bijvoorbeeld water of grafiet, die de splijtbare stof omgeeft.
Het vermogen van de reactor wordt geregeld door de hoeveelheid neutronen te variëren met behulp van staven van sterk neutronenadsorberend materiaal (zoals cadmium-, hafnium- of boorverbindingen).
In snelle (kweek)reactoren wordt geen moderator toegepast. De snelle neutronen kunnen daarin reageren, omdat de splijtstof meer splijtbare kernen bevat (tot ca. 20 %). Bij deze reacties wordt in de meeste gevallen meer splijtstof gewonnen dan er wordt verbruikt.
Aan de zuiverheid van de splijtstof voor kernreactoren worden zeer hoge eisen gesteld. De concentratie van sterk neutronen adsorberende stoffen, zoals bijvoorbeeld cadmium-, hafnium-, gadolinium- of boorverbindingen, moet lager zijn dan 0,1 ppm. Om dit te bereiken, zijn speciale scheidingsmethoden ontwikkeld, zoals ionenwisseling en vloeistof-vloeistofextractie.
In splijtstofstaven die enige tijd in de reactor hebben doorgebracht, stijgt de concentratie van neutronenadsorberende stoffen weer. Daarom moeten ze regelmatig worden vervangen, waarna de gebruikte staven weer worden gezuiverd in een opwerkingsfabriek.
Bij het splitsen van 235U-kernen komt ongeveer 1 à 2,5 miljoen keer zoveel energie vrij als bij verbranding van vergelijkbare hoeveelheden fossiele brandstof.
De eerste kernreactor werd op 2 december 1942 onder leiding van E. Fermi in gebruik gesteld op de Universiteit van Chicago. Voor deze reactor was 6 ton uraan, 50 ton uraanoxide en 400 ton grafiet nodig. Bij deze reactor waren brandstof en moderator zonder afschermimg opgestapeld. Wegens het stralingsgevaar heeft de reactor maar korte tijd gewerkt, echter lang genoeg om te bewijzen dat het onderhouden van een kettingreactie en het laten vrijkomen van grote hoeveelheden energie mogelijk was.
Ook 233U kan als splijtstof voor kernreactoren dienen; zie hiervoor 90 – Thorium.
Contragewicht
Als contragewicht in het staartstuk van vliegtuigen wordt gebruik gemaakt van 'verarmd' uraan (238U), vanwege de zeer hoge dichtheid van dit metaal (bijna 2x zo groot als lood). In de staart van oudere types van de Boeing 747 is ongeveer 400 kg verarmd uraan verwerkt. Ook in helikopters en raketten wordt verarmd uraan toegepast.
De laatste jaren wordt uraan steeds meer vervangen door wolfraam.
Gyrokompas
In een gyrokompas, dat gebruikt wordt bij de navigatie van schepen, bevindt zich een zeer snel draaiende tol (6.000 - 24.000 omwentelingen per minuut), waarvan de as zich richt naar de aardas. Voor deze tol is de traagheid van groot belang, omdat daardoor - zelfs bij heftige bewegingen van het schip - het gyrokompas zeer nauwgezet de koers blijft aanwijzen. Daarom wordt materiaal gebruikt met een zeer grote dichtheid. Verarmd uraan is hiervoor geschikt.
Glaskleuring
Om een gele of geelgroene fluorescerende werking te verkrijgen worden uraanverbindingen toegevoegd aan glas. Deze methode van glaskleuring bestond al in de tijd van de Romeinen. In Napels is glas gevonden uit het jaar 79, dat op deze wijze gekleurd was.
Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element) of als legering:
atoombom
beschermend metaal tegen straling, in de luchtvaartindustrie en in ziekenhuizen
ferro-uran
fotocellen
katalysatoren (toevoeging)
munitie (o.a. in de koppen van anti-pantsergranaten)
raketonderdelen
röntgenbuis
Toepassingen als ontleedbare stof (verbinding):
contrastmiddel bij elektronenmicroscoop UO2(CH3COO)2 fotografie UO2(NO3)2 kleurstof voor porselein UO2 diverse uraanzouten ouderdomsbepaling (via de verhouding van 233U, 235U en 238U) verven van textiel UO2(NO3)2