VETENSKAP.

Hanna Sager har skrivit en uppsats om grundämnet uran som vi här publicerar. Vem upptäckte det och hur? Vad är grundämnet uran för något? Hur har det använts och vilka konsekvenser har det fått? Här har ni historien om grundämnet uran som kan användas för tillverka kärnvapen, men som också kan användas i mer positiva syften. 

Uran är ett radioaktivt grundämne som upptäcktes 1789 av en tysk apotekare och kemist, men det var inte förrän 1896 som Henri Becquerel förstod att ämnet var radioaktivt.

Uppfinnaren

Henri Becquerel var en fysiker från Frankrike och en av upptäckarna till radioaktiviteten. Han levde mellan 1852 och 1908. Han föddes i en familj som i många generationer utmärkt sig som naturvetenskapsmän och forskare. År 1903 tog han emot nobelpriset i fysik tillsammans med Pierre och Marie Curie för upptäckten av radioaktiviteten. Både Pierre och Marie var franska fysiker som, med hjälp av Henris upptäckt, delade in fenomenet i alfa- beta- och gammastrålning.

Upptäckt

Upptäckten av radioaktivitet år 1896 skedde av en slump då Becquerel undersökte fosforescerande material. Fosforescerande material har egenskapen att lysa i mörker efter att ha exponerats för ljus. Han trodde att skenet som röntgenstrålning framkallade i katodstrålerör på något sätt var ett sammankopplat fenomen. Därför utförde han ett experiment för att se om olika fosforescerande material kunde exponera en fotografisk plåt som var invecklad i svart papper, trots pappret. Ingenting lyckades påverka plåten förrän han använde sig av uransalt. Då drog Becquerel slutsatsen att det inte var fosforescensen, utan uranet som avgav någon form av strålning som exponerade plåten.

Efter upptäckten av fenomenet blev andra forskare snabbt väldigt intresserade. Två av de många forskarna var, Pierre och Marie Curie, som utförde experiment som ledde till att strålningen kunde delas in i alfa- beta- och gammastrålning. Alfa– beta– och gammastrålning kallas tillsammans joniserande strålning. Joniserande strålning innehåller tillräckligt med energi för att slå sönder atomerna i den materia som träffas. Då stöts elektronerna ut från atomen och kvar blir elektriskt laddade joner. En jon är en laddad atom som har fler eller färre elektroner än protoner, då den blivit av med, eller lockat till sig fler elektroner.

Den starkaste joniserande strålningen är gammastrålning som består av fotoner och är en elektromagnetisk strålning. Fotoner är elektroner som har fått extra energi, av den energin får de då kraft att hoppa till andra elektronskal längre bort från kärnan. När den extra energin tar slut faller de tillbaka till sitt vanliga skal och den extra energin som finns kvar sänds ut i form av ljus som kallas foton. Elektromagnetisk strålning är ett strålningsfenomen där energi överförs som en vågrörelse av elektromagnetiska vågor, det vill säga elektriska och magnetiska fält. Gammastrålningen når djupare in i materien än vad alfa- och betastrålning gör eftersom den inte består av några partiklar.

Alfastrålning består av alfapartiklar. Det är atomkärnor av helium med två protoner och två neutroner. Strålningen har kort räckvidd eftersom partiklarna är stora och tunga och träffar en mängd elektroner på sin färd, då de snabbt förlorar sin rörelseenergi. I luften är räckvidden för alfastrålning maximalt 10 centimeter och kan stoppas av ett papper. Det betyder att den inte kan tränga igenom människans hud, men den kan fortfarande orsaka svåra skador om man får in strålningen vid till exempel inandning eller genom mat.

Betastrålning består av betapartiklar, nämligen elektroner och/eller positroner. En positron är elektronens antipartikel, vilket betyder att den har samma massa som en elektron men motsatt elektrisk laddning. På grund av att betapartiklarna är mindre än partiklarna i alfastrålning blir jonisationen mindre och de klarar av att tränga längre in i materien. Betastrålningen kan i fria luften nå nästan 10 meter men kan dock enkelt stoppas av exempelvis en plastskiva.

Enligt Helene Jönsson, som är strålskyddsinspektör på SSI, färdas gammastrålning med ljusets hastighet. Till skillnad från alfa- och betastrålning har gammastrålning en exakt hastighet. Hastigheten hos alfa- och betapartiklar beror på vilken energi partikeln har.

Joniserande strålning har dock inte bara farliga effekter. Betastrålning kan användas för behandling av struma och gammastrålning används vid röntgenundersökningar.

Grundämnet uran

Grundämnet uran har den kemiska beteckningen U och har det högsta atomnumret av de naturliga grundämnena, vilket är atomnummer 92. Atomnumret anger antalet protoner i grundämnets atomkärna. Naturligt uran förekommer i flera olika isotoper. En isotop är en variant av grundämnet. Alla isotoper av ett grundämne har samma antal protoner men varierande antal neutroner. Det betyder att isotoper har olika masstal. Masstalet står för antalet nukleoner, det vill säga summan av antalet protoner och neutroner i en atom.

Det finns sexton isotoper av uran men tre isotoper av naturligt uran och alla är svagt radioaktiva med halveringstider på miljontals år. Halveringstiden är den tid det tar för hälften av atomkärnorna i ett radioaktivt ämne att sönderfalla. Eftersom halveringstiden är så lång innebär det att ämnena är potentiellt skadliga under en lång tid. Det medför svårigheter att hantera avfall av radioaktiva ämnen.

En sönderfallskedja är ett radioaktivt ämnes serie av dotterämnen, som dess partiklar skapar vid olika steg som gås igenom innan sönderfallet når sitt slut vid ett stabilt ämne. Ur sönderfall av atomkärnor samt reaktioner med atomkärnor, frigörs kärnenergi. Kärnenergi är den energi som håller ihop atomkärnor. Klyvning och ihopslagning av atomkärnor är de två sätt som det går att frigöra kärnenergi genom. När två atomkärnor slås ihop kallas det fusion och när en atomkärna klyvs kallas det fission. Kärnenergi används främst i kärnkraftverk för att utvinna elektricitet. Hälften av Sveriges el kommer från kärnkraft som är ett mycket säkert sätt att utvinna energi på. Kärnkraftens miljöpåverkan är liten men risken för radioaktivt utsläpp är för stor. Uran är det vanligaste kärnbränslet men i Sverige finns det inte tillräckligt med Uran så vi importerar det från länder med större uranfyndigheter, som till exempel Australien och Kanada.

Av de tre isotoperna är det U-235 som har den speciella egenskapen att frigöra stora mängder energi när den klyvs av fria neutroner. Den processen används för att producera energi i ett kärnkraftverk. Naturligt uran kan inte användas direkt som bränsle i en kärnkraftsreaktor. Det eftersom mängden av den klyvbara isotopen U-235 är för låg för att hålla igång klyvningsprocessen. Därför anrikas naturligt uran så att halten av U-235 ökar i det kärnbränsle som används.

Uran är vanligt förekommande och finns naturligt nästan överallt i jordskorpan, jordens inre och i världshaven. De flesta berg- och jordlager innehåller uran i låga koncentrationer. Världens största uranfyndigheter finns i Australien, Kazakstan, USA, Kanada och Sydafrika. De svenska uranfyndigheterna finns i urberget och i alunskiffrar som bildades på havsbottnen under kambrisk tid för cirka 500 miljoner år sedan.

Användning

Uranets viktigaste användningsområde är som bränsle i kärnreaktorer. Eftersom uran används som bränsle i kärnkraftverk har det blivit en av våra mest omdiskuterade råvaror. Uran används även för att tillverka kärnvapen. Exempelvis den första atombomben använd i krig, Little Boy, som fälldes av USA över den japanska staden Hiroshima år 1945 under andra världskriget, var ett fissionsvapen som tillverkats av bland annat uran. Uran har använts som pigment vid framställningen av färg och glas. Uran används också på grund av sin höga densitet som tyngd och barlast i olika sammanhang. Även utarmat uran används i pilprojektiler till moderna stridsvagnskanoner och i ammunition. Utarmat uran är avfall från tillverkning av bränsle till kärnkraftverk, kärnbränsle. Även om utarmat uran är avfall från uran, är det inte slut på radioaktivitet eller toxicitet. Toxicitet är den förmåga ett ämne har att skada en organism, ett mått på dess grad av giftighet. Benämningen utarmat syftar bara på att ämnet tömts på U-235 isotop som behövs för fissionsreaktionerna i kärnreaktorer.

Konsekvenser

Uran går igenom en miljö- och hälsofarlig omvandlingsprocess för att det ska kunna användas som bränsle i kärnkraftverk. Vid brytning av uranmalm frigörs radioaktiva gaser och mängder av radioaktivt damm. Gasen och dammet leder till ökad risk för lungcancer och andra lungsjukdomar. Dessutom frigörs stora volymer flytande radioaktivt och giftigt avfall som samlas i sjöar och orsakar utsläpp i vattendrag. Landskapet runt omkring skadas. Det giftiga radioaktiva slammet blir kvar i generationer.

Processen för framställning av kärnkraftsbränsle är väldigt lik anrikningen av uran för kärnvapenframställning. FN anser därför att urananrikningsanläggningar är en sannolik risk för ökning av kärnvapen.

Uran är grunden för upptäckten till radioaktivitet , det har lett till många negativa händelser. Uran används som energikälla i kärnkraftverk, men kärnkraftverk är ingenting som är helt positivt. Kärnkraft är väldigt miljö- och hälsofarligt, och de olyckor som sker vid kärnkraftverk påverkar människor, djur och miljön väldigt mycket. De tre större kärnkraftsolyckorna i världen inträffade i Harrisburg i USA år 1979, i Tjernobyl i nuvarande Ukraina år 1986 och i Fukushima i Japan år 2011. I Fukushima inträffade en jordbävning som ledde till att det uppstod en tsunami som ledde till en allvarlig kärnkraftsolycka. Kärnkraftverket var konstruerat att stå emot jordskalv och tsunamis, men inte av den grad som inträffade. Olyckan klassades som en sjua (stor olycka) på den sjugradiga internationella INES-skalan, samma klass som den olyckan som inträffade i Tjernobyl.

Det finns många negativa konsekvenser och risker med att använda uran som energikälla, men det finns vissa fördelar. Uranet används som bränsle vid kärnkraftsproduktion. Utsläppen av koldioxid vid kärnkraftsproduktion är mycket låga under hela livscykeln. Man kan jämföra utsläppen från kärnkraften, som är några gram CO₂ per producerad kWh el, med utsläppen från ett kolkraftverk, som är runt 700 gram CO₂ per kWh. Därför är kärnkraften minst lika klimateffektiv som förnybar energi som vind- och vattenkraft.

Källförteckning

Jag har använt mig utav välkända källor som många människor använder. Källorna jag använt är Wikipedia, Illustrerad Vetenskap, Allt om Vetenskap, Nationalencyklopedin, periodiskasystemet.nu, fysikb.n.nu, OKG, analys.se, SGU (Sveriges geologiska undersökning), vaken.se, Greenpeace och Strålsäkerhetsmyndigheten.

Hanna Sager, 9i

Bild: Wikimedia Commons; Uranium Reserves