ウラン元素の性質と用途

説明

ウランは緻密な銀灰色の金属で、その放射能と原子力エネルギーにおける中心的な役割で最もよく知られている。自然界に存在する元素の中で最も重い元素のひとつであるウランは、化学反応性、複数の酸化状態、核特性を併せ持つユニークな元素であり、現代のテクノロジー、エネルギー生産、科学研究に欠かせない存在となっている。

元素紹介

科学者、化学者、技術者がウランに寄せる関心の高さは、周期表におけるウランのユニークな位置と常に関係している。ウランは原子番号92であり、天然に存在する最後の元素の一つであり、天然の重金属と合成超ウラン元素の架け橋となっている。ドイツの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロスが1789年に発見したが、19世紀後半にアンリ・ベクレルが放射能を発見し、ウランの真の科学的重要性が明らかになるまでは、単に特異な性質を持つ重金属として認識されていた。

ウランを含む主な鉱物には、ウラニナイト、カルノタイト、ブランネライトなどがあり、世界各地で採掘されている。高密度で鉛の約2倍の重さがあり、核分裂を起こす能力があるため、民間および防衛産業の両方で重要な材料となっている。

化学的性質

化学的にウランは非常に汎用性が高く、+3から+6までの酸化状態をとり、さらに+4と+6で表される一般的で安定した形態をとる。この柔軟性により、ウランは様々な化合物を形成することができ、その多くは核燃料サイクルや産業用途において重要な役割を果たしている。

- 二酸化ウランは安定で耐火性が高く、原子炉の条件下で適合するため、核燃料ペレットに使用される主な形態である。

- 加工中の一般的な中間体には、三酸化ウラン（UO₃）と八酸化三ウラン（U₃O₈）がある。

- 六フッ化ウラン（UF₆）は、化学的に最も重要なウラン化合物の一つである。揮発性が高いため、原子炉級や兵器級に必要な同位体を分離する濃縮工程に最適である。

環境系におけるウランの溶解度は、pHと炭酸イオンまたはリン酸イオンの存在に強く影響される。この化学的性質は、ウランが地下水中でどのように移動し、採掘によってどのように抽出され、環境修復プロジェクトでどのように管理されなければならないかを支配する。

物理的性質

性質.値.単位.説明

原子番号 92 - 原子核内の陽子の数

原子量 238.03 g/mol ウラン原子の平均質量

密度 19.1 g/cm³ 極めて高い密度；鉛の約2倍

融点 1132 °C 固体のウランが液体になる温度

沸点 4131 °C ウランが気化する温度

比重 19.1 - 水と比較した相対密度

詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

純粋なウラン金属は可鍛性で延性があるが、空気に触れると変色し、容易に反応して様々なウラン酸化物を形成する。ウラン金属は放射性物質であるが、崩壊生成物は主にアルファ粒子であり、内部被ばくは危険であるものの皮膚を透過することはなく、取り扱い管理は厳格でなければならない。

U-235とU-238：重要な同位体

ウランの技術的重要性を決定づける同位体は2つある：U-238とU-235である。

U-238

天然ウランの約99.3％はU-238である。つまり、中性子を吸収し、最終的に原子炉と核兵器の両方で使用される核分裂性同位体であるプルトニウム239になることができる。この特性により、U-238は混合酸化物燃料（MOX）でも増殖炉技術でも重要な役割を果たしている。

U-235

天然ウランのわずか0.72％がU-235であるが、連鎖反応を維持できる唯一の天然同位体である。この同位体は、低速中性子が当たると小さな原子に分裂し、大量のエネルギーとより多くの中性子を放出する。この連鎖反応が

- 原子力発電

- 原子力潜水艦の推進力

- 原子力兵器

- 研究炉の運転

U-235は希少であるため、原子炉で使用するためには多くの場合濃縮する必要がある。濃縮は通常、UF₆の気体拡散または遠心分離によって行われ、発電に適した濃縮ウランを生成する。

ウランが採れる場所

ウランは地殻に比較的多く存在する元素で、タングステンやモリブデンとほぼ同量存在する。主に鉱物の形をとり、通常の技術と原位置浸出法によって採掘される。主なウラン産出国は以下の通り：

- カザフスタンは現在世界最大のウラン生産国で、主に原位置浸出法による採掘に依存している。

- カナダには、世界で最も豊富な高品位鉱床がある。

- オーストラリア - さまざまな大規模露天掘り鉱山や地下鉱山に膨大な埋蔵量がある。

ナミビア、ニジェール、ウズベキスタン、米国：ウラン採掘の長い歴史を持つ重要な生産国。

ウランはリン鉱床、海水、花崗岩の一部にも微量に含まれている。海水からのウラン抽出技術は改善されつつあり、将来的にはウランを実質的に無制限に供給できるようになるかもしれない。

一般的な用途

ウランのユニークな核および物理的特性は、いくつかの重要な用途を生み出している：

1.核エネルギー生産

ウランの最も重要な用途は、原子炉の燃料である。U-235が核分裂を起こすと、大量の熱が発生する。この熱によって蒸気が発生し、タービンを動かして電気を生産する。ウランからの原子力エネルギーは、世界の低炭素電力の大部分を供給している。

2.防衛・軍事利用

濃縮ウランは核兵器のコアを形成するために使用される。劣化ウラン（DU）-主にU-238-は徹甲弾や装甲車のメッキに使用されている。

3.科学と医療への応用

ウラン化合物の用途には、地質学における岩石の年代測定、環境トレース研究、および癌治療のための医療用アイソトープを製造する研究炉が含まれる。

精製方法

採掘と粉砕は、ウランの商業的調製における最初のステップである。採掘後、鉱石は破砕、粉砕、化学浸出（一般的に硫酸またはアルカリ溶液を使用）によって処理され、ウランと他の鉱物が分離される。

最終溶液は次の方法で精製される：

- 溶媒抽出

イオン交換

- 通常U₃O₈の「イエローケーキ」への沈殿

イエローケーキは、濃縮のためにUF₆に、または燃料ペレットに加工するためにUO₂に変換されます。

よくある質問

ウランの何がそんなに特別なのですか？

天然に存在する元素の中で、ウランが放射能、高密度、複数の酸化状態、核分裂を起こす能力を兼ね備えていることが特徴です。

ウランはどのように採掘されるのですか？

伝統的な採掘方法、原位置浸出法、鉱石からウランを分離する化学精製法。

なぜU-235とU-238が重要なのか？

U-235は核分裂性で連鎖反応を起こす可能性があるのに対し、U-238は肥沃で使用可能な核燃料に変換することができる。

なぜウランは産業界にとって重要なのか？

ウランの核特性は、世界的なエネルギー生産と防衛技術の基礎となっています。

安全性はどのようにして確保されるのですか？

厳格なプロトコル、放射線防護基準、管理された化学プロセスにより、ウランは安全に取り扱われ、使用されます。