ウランとは何ですか?
ウラン(記号U)は周期表の元素92で、7周期のアクチノイドです。 最も重い原始元素であり、20世紀を二つに分けた元素です。 室温では固体で、放射性です。
構造
リング上の点の図ではありません — 占有されている各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。
測定値
各バーは、その性質についてウランが118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。
大きさ、実寸比
半径156 pmです。これは0.156 nmなので、約3.21百万個を横に並べると1ミリメートルになります。
熱範囲
ウランは、1405 Kから4404 Kまでの2999 Kの範囲で液体です。
物語
ウランは天然元素の中でも重量級の王者で、都市を明るく照らすほど、あるいは都市を破壊するほどの力を秘めています。この放射性金属は、1942年の世界初の持続的な核反応から、世界の電力の10%を生み出す現代の発電所まで、原子力時代を支えてきました。指先ほどの大きさのウラン燃料ペレット1個には、石炭1トンと同じくらいのエネルギーが含まれています。天王星にちなんで名付けられたこの元素は、数十億年をかけてゆっくり鉛へと変化し、科学者が地球の年齢を45億年と推定するのに役立った天然の時計として働きます。ウランの原子核は陽子が非常に密集しているため、かろうじて安定しており、絶えず粒子とエネルギーを放出しています。この不安定性は原子炉と核兵器の両方に力を与えるため、ウランは地球上で最も厳しく規制されている物質の一つです。放射性崩壊は地球の核も温めています。
ウランは1789年、ドイツの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロートによって発見されました。クラプロートは、ボヘミア(現在のチェコ共和国)のヨアヒムスタール鉱山産のピッチブレンド鉱石を分析していました。分析化学の創始者の一人であるクラプロートは、新しい金属だと考えた物質を分離し、1781年にウィリアム・ハーシェルが発見した、最近発見された惑星天王星にちなんで「ウラン」と名付けました。
クラプロートの当初の試料は純粋な金属ウランではなく、実際には二酸化ウランでした。しかし、彼の化学分析は、それが未知の元素を含むことを正しく示しました。彼はこの新しい物質が既知の金属とは異なる独特の化学的性質を持つと説明しましたが、18世紀の技術では純粋な金属を製造できませんでした。
純粋な金属ウランが分離されたのは、1841年、フランスの化学者ウジェーヌ=メルシオール・ペリゴーによってでした。ペリゴーは四塩化ウランを金属カリウムで還元しました。彼の研究によってウランの真の原子量が確立され、独立した元素であることが確認されるとともに、クラプロートの当初の分析に含まれていた誤解の一部が訂正されました。
ウランの最も重要な性質は、1896年にアンリ・ベクレルによって発見されました。ベクレルは、ウラン塩が自然に放射線を放出し、写真乾板を感光させることを発見しました。この天然放射能の発見は、原子核物理学と核化学の分野を切り開き、ラジウム、ポロニウム、核分裂の発見へとつながりました。
ウラン235の核分裂を、1938年にオットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンが発見し、リーゼ・マイトナーとオットー・フリッシュが解釈したことで、科学と技術は一変しました。この画期的な発見は核兵器と原子力発電の両方につながり、ウランを現代史上最も戦略的に重要な元素の一つにしました。
ウランの発見とその後の研究は、原子構造、エネルギー、宇宙に関する私たちの理解を根本的に変えました。クラプロートによる最初の同定から原子力時代に至るまで、ウラン研究は数多くのノーベル賞を生み出し、核科学、エネルギー生産、宇宙探査の進歩を今も推進しています。
用途
ウランは世界中の原子力発電所の主要な燃料であり、世界の発電量のおよそ10%を供給しています。天然ウランには、核分裂を起こす核分裂性同位体であるウラン235が0.7%含まれています。ほとんどの原子炉では、六フッ化ウラン気体と遠心分離機カスケードを用いる複雑な工程によって、ウランをU-235濃度3~5%まで濃縮する必要があります。
加圧水型原子炉(PWR)と沸騰水型原子炉(BWR)では、濃縮二酸化ウランのペレットをジルコニウム合金製の燃料棒に積み重ねて使用します。カナダ重水素ウラン(CANDU)原子炉のような先進的な設計では、重水減速材を使用するため天然ウランを利用できます。一方、高速増殖炉ではウラン238をプルトニウム239に変換でき、ウラン燃料の供給を実質的に60倍まで延ばせます。
使用済み核燃料には、未使用のウラン235と新たに生成されたプルトニウム239がかなり含まれています。核燃料の再処理によってこれらの物質を回収して再利用できますが、核拡散への懸念から、この慣行は国によって異なります。フランス、日本、英国は大規模な再処理施設を運用しており、米国は現在、将来の再処理の可能性に備えて使用済み燃料を保管しています。
高濃縮ウラン(U-235 90%超)は核兵器や艦艇用原子炉の燃料に使われます。原子力潜水艦や航空母艦は、燃料補給なしで数十年間運用できる兵器級ウラン燃料を使用します。軍事用途に特有の要件から、強化された安全対策を備えた独立したウラン濃縮計画が進められています。
ウランは、太陽光発電が不十分な深宇宙ミッション向けの放射性同位体熱電気転換器(RTG)に電力を供給します。NASAのボイジャー探査機、火星探査車、外惑星ミッションでは、長期的な発電のためにウラン238の放射性崩壊を利用しています。世界中の研究炉では、医療用同位体の生産、材料研究、原子力科学者の訓練にウラン燃料を使用しています。
劣化ウラン(主にU-238)は、放射線遮蔽、航空機のカウンターウェイト、特殊合金に利用されています。密度が高い(19.1 g/cm³)ため、最小の空間に最大の質量を必要とする用途で価値があります。軍事用途には徹甲弾や戦車装甲がありますが、健康への懸念から、これらの用途には議論があります。
開発中の先進的な原子力技術には、小型モジュール炉(SMR)、トリウム・ウラン燃料サイクル、核融合・核分裂ハイブリッドシステムがあります。これらの技術は、安全性の向上、廃棄物の削減、気候変動への対応における原子力の役割の拡大を目指しながら、原子力エネルギーにおけるウランの中心的な重要性を維持するものです。
ウランの最も主要な用途は、発電用の原子炉燃料です。世界中の440基を超える原子力発電用原子炉が年間約65,000トンのウランを消費し、石炭25億トンを燃焼するのに相当する、二酸化炭素を排出しない電力を生産しています。フランスなどの国では、電力の70%を原子力で発電しています。
原子力艦艇は、燃料補給なしで数十年間の運用を可能にする高濃縮ウラン燃料を使用します。米国海軍は80隻を超える原子力潜水艦と11隻の航空母艦を運用しており、ロシア、中国、フランス、英国もウラン原子炉を動力源とする原子力艦隊を保有しています。
ウラン燃料を使用する研究炉は、がん治療や画像診断に用いる医療用同位体を生産します。これらの原子炉は、材料研究、中性子放射化分析、原子核物理学研究も支援します。世界中の大学や国立研究所が、教育と科学研究のためにウラン燃料研究炉を運用しています。
深宇宙ミッションでは、太陽エネルギーが不十分な場合にウラン238放射性同位体電源を使用します。これらのシステムは、木星、土星、冥王星、さらに遠方へのミッションに電力を供給し、過酷な宇宙空間で数十年間にわたって信頼性の高い電力を提供してきました。
劣化ウランは、航空機のカウンターウェイト、医療施設の放射線遮蔽、最大の密度を必要とする特殊産業用途に使われています。取り扱いには課題がありますが、その独自の性質により、特定の工学用途で価値があります。
起源
地殻に2.7 mg/kg存在し、60%の元素より存在度が高い
ウランは地殻中に平均濃度2.7 ppmで天然に存在し、銀、水銀、カドミウムよりも豊富です。最大のウラン鉱床は、オーストラリア(世界埋蔵量の28%)、カザフスタン(15%)、カナダ(9%)、ロシア(8%)、ニジェール(7%)にあります。この5か国で世界のウラン資源の3分の2以上を占めています。
最も重要なウラン鉱物には、ウラニナイト(二酸化ウラン、多くの鉱床における主要鉱石)、ピッチブレンド(ウラニナイトの一種)、カルノー石(ウラン・バナジウム鉱物)、オートゥナイト(ウランリン酸塩鉱物)があります。これらの鉱物は、火成岩から堆積鉱床まで、さまざまな地質環境で形成されます。
ウラン採掘では、鉱床の特徴に応じていくつかの方法が使われます。露天掘りは、カナダ北部の鉱床のような浅く高品位の鉱床に用いられます。地下採掘ではより深い鉱床に到達し、現位置浸出(ISL)では、地下で浸出液を循環させて透水性の鉱体からウランを抽出します。これは世界のウラン生産量の50%超を占めています。
ウランは海水中に3.3 ppb存在し、約45億トンのウランに相当します。これは現在確認されている陸上埋蔵量の1,000倍以上です。日本などの国々は、特殊な吸着材を使って海水からウランを抽出する技術を開発しており、ほぼ無限のウラン供給源となる可能性があります。
天然ウランは、世界中の土壌、岩石、水にバックグラウンド濃度で存在します。石炭には1~4 ppmのウランが含まれており、石炭の燃焼によって、通常運転中の原子力発電所よりも多くのウランが環境中に放出されます。肥料に使われるリン鉱石には、かなり高濃度のウランが含まれることがあります。
確認されているウラン資源は、現在の市場価格で約810万トンに達し、現在の消費率で130年以上分に相当します。価格が上昇すれば、低品位鉱や非在来型資源など、追加の資源も経済的に利用可能になり、供給を数世紀にわたって延ばせる可能性があります。
取り扱い
ウランは放射性です。 安定同位体はなく、すべての原子核が崩壊します。 取り扱いには適切な遮蔽と許可が必要です。
危険:ウランは放射性と化学的毒性の両方を持ちます。すべてのウラン同位体は放射性であり、U-238の半減期は45億年です。ウランの崩壊によるアルファ線は、がんや遺伝的損傷を引き起こす可能性があります。一方、ウランの化学的毒性は主に腎機能に影響します。
ウランの粉じんや粒子は、吸入または摂取した場合、深刻な健康リスクをもたらします。吸入すると肺がんや呼吸器障害を引き起こす可能性があり、摂取すると腎障害や、ウランが骨に蓄積することによる骨がんにつながる可能性があります。少量でも長期的な健康影響を及ぼすことがあります。
ウランの取り扱いには、個人用保護具、放射線監視、立入管理区域、専用換気システムなどの厳格な安全手順が必要です。作業員は放射線安全について十分な訓練を受け、尿検査や全身計測を含む定期的な健康監視を受けなければなりません。
ウランの採掘と処理は、長期的な修復が必要となる環境汚染を引き起こす可能性があります。ウラン精錬所の鉱滓は数千年間放射性を保つため、適切に封じ込めなければなりません。ウランの輸送には、放射線上の懸念と核拡散への懸念の両方から、特別な許可と安全対策が必要です。
ウラン汚染事故には、訓練を受けた放射線緊急対応チームによる直ちに行う専門的な対応が必要です。除染手順は複雑で、医療的介入が必要になる場合があります。ウランにばく露した可能性がある人には、長期的な健康監視が不可欠です。
簡単な回答
ウラン(記号U)は周期表の元素92で、7周期のアクチノイドです。 最も重い原始元素であり、20世紀を二つに分けた元素です。 室温では固体で、放射性です。
[Rn] 5f³ 6d¹ 7s²で、2, 8, 18, 32, 21, 9, 2という分布の電子殻が7個あります。ウランの融点は1405.3 K(1132.2 °C)、沸点は4404 K(4130.9 °C)です。
ウランの標準原子量は238.029 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。
ウランの密度は19.1 g/cm³です。水は1.0 g/cm³なので、ウランの塊は約19.1倍重いです。
ウランのポーリング電気陰性度は1.38です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 この中間の範囲の値では、強いイオン結合よりも共有結合を形成する傾向があります。
ウランは1789年にMartin Heinrich Klaprothによって発見されました。 惑星Uranusにちなんで名付けられました。
地球の地殻におけるウランの割合は約2.7 mg/kgで、珍しいものの希少ではありません。
はい。ウランには安定同位体がなく、その原子核はすべて崩壊します。 重い元素の崩壊生成物として、微量が自然に存在します。