U/Uraan

Naam

De naam uraan is afgeleid van de planeet Uranus, op zijn beurt vernoemd naar de Griekse god Ouranus, die samen met Gaea het oudste godenpaar vormt. De ontdekking van deze planeet in 1781 (door Herschel) had diepe indruk 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 het Nederlands taalgebied is de wat formele benaming uraan zo goed als verdrongen door uranium, dat ook de Engelse benaming voor het element is.

Ontdekking

Uraan werd in 1789 ontdekt door de Duitse scheikundige Martin Heinrich Klaproth (foto) in het mineraal pekblende. Achteraf bleek het om het oxide van uraan te gaan.

In 1841 was de Franse chemicus Eugène-Melchior Péligot de eerste die metallisch uraan verkreeg, door het verhitten van uraantetrachloride met kalium.

Voorkomen

Voor wat betreft het voorkomen is uraan een heel gemiddeld element. Het staat op nummer 49 in de lijst van meest voorkomende elementen in de aardkorst, met een gewichtsaandeel van 2,7.10^-4 %. Uraan is een groot aantal mineralen te vinden. De belangrijkste zijn:

Winning

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.

Vroeger

De Franse chemicus Eugène-Melchior Péligot verkreeg in 1841 het eerste metallisch uraan. Hij wist uraanoxide met behulp van chloorgas om te zetten in uraniumtetrachloride, waaruit hij vervolgens via reductie met kalium elementair uraan kon maken.

Tegenwoordig

Vanwege de grote behoefte aan uraan voor nucleaire toepassingen zijn zeer geavanceerde scheidingsmethoden ontwikkeld. Daarmee is het element ook vrij te maken uit ertsen met een zeer laag uraangehalte.

Nadat het erts is voor behandeld gaat de bereiding van start met een procedure voor volledige oxidatie, bijvoorbeeld met mangaan(IV)oxide of geconcentreerd salpeterzuur. Dit leidt ertoe dat alle aanwezige uraan verbin­dingen zijn omgezet in oplosbare uranylcomplexen.

De uranylionen (UO₂²⁺) zijn vervolgens zeer selectief af te scheiden via procedures gebaseerd op ionenwis­se­ling en vloeistofextractie. Indampen leidt vervolgens tot zuivere uranylzouten, die bij 300 °C worden omgezet in uraan(VI)oxide. Bij 700 °C is daar met waterstof zuiver uraan(IV)oxide van te maken.

Door reductie met natrium, kalium, magnesium, calcium, calciumhydride of aluminium verkrijgt men vervolgens het metaal. Het is ook mogelijk uraan(IV)oxide met waterstoffluoride om te zetten in uraatetrafluoride en dat met calcium of magnesium tot het metaal te reduceren. Tenslotte is het metaal te verkrijgen via elektroly­se van het gesmol­ten oxide, fluoride of chloride.

Verrijken van natuurlijk uraan

Natuurlijk uraan is ongeschikt als splijtstof (‘brandstof’) voor kernreactoren. Het bestaat voor minder dan driekwart procent uit het goed splijtbare ²³⁵U. De rest is onbruikbaar ²³⁸U.

Met het ‘verrijken’ van uraan wordt het proces aangeduid om het gehalte ²³⁵U te verhogen tot ongeveer drie procent, zodat het bruikbaar is in kernreactoren.

Een bekende methode maakt gebruik van het principe van ultracentrifuge. Hiervoor wordt uraanerts eerst omgezet in uraanhexafluoride (UF₆). Dit verloopt via het omzetten van uraanoxide tot uraantetrafluoride (met waterstoffluori­de), en vervolgens tot uraniumhexaf­luoride (met fluor):

${\mathrm{UO}}_{2 }+ 4 \mathrm{HF} \to {\mathrm{UF}}_4 + 2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

.

${\mathrm{UF}}_4 + {\mathrm{F}}_2 \to {\mathrm{UF}}_6$

De verbinding met fluor resulteert in een uraangas dat geschikt is voor isotopenscheiding. Fluor is namelijk niet alleen een erg licht element, het komt bovendien slechts voor als één natuurlijke isotoop. Massaverschillen tussen UF₆ moleculen berusten daarom uitsluitend op de massaverschillen tussen de uraanisoto­pen (235 respectievelijk 238 massa-eenheden).

Hiervan wordt gebruik gemaakt in speciale ultracentrifuges. Deze zijn in staat het aandeel van moleculen met ²³⁵U te vergroten door met ca. 60.000 – 100.000 omwentelingen per mi­nuut te draaien. Door de centrifugale kracht verplaatsen de zwaarde­re moleculen (met ²³⁸U) zich naar de buitenwand. In het midden van de centrifuge stijgt dus het gehalte van moleculen met ²³⁵U. Dit licht verrijkte gas wordt afgezogen en vervolgens opnieuw gecentrifugeerd. Door dit procédé in een cascade van centrifuges (foto) vele malen te herhalen is uiteindelijk uraanhexafluoride met voldoende ²³⁵U te verkrijgen.

Uit het verrijkte uraanhexafluoride is weer elementair uranium te maken via reductie met waterstofchloride of jood tot uraniumtetrafluoride, dat vervolgens (bijvoorbeeld met calcium) wordt gereduceerd tot uranium.