ウラン

I

プロローグ

銀白色の放射性金属元素。アクチノイドに属し、核分裂性物質として核爆弾や原子炉に利用される。

1789年、ドイツの化学者クラプロートが、瀝青ウラン鉱(ピッチブレンド)の中から発見し、81年に発見された新惑星、天王星Uranusにちなんで、ウランと命名した。1841年には、ウランがはじめて金属としてとりだされた。96年、フランスの物理学者ベクレルが、ウラン化合物のそばにおいた写真乾板が、黒い紙につつまれていても感光する現象を観察し、ウランの放射能を発見した。ベクレルにはじまる放射能の研究は、その後のラジウムの発見をみちびき、さらに原子の構造についても、素粒子という新しい概念をもたらすことになった。

II

性質

化学反応性の高い元素で、空気中では表面が黒く酸化する。粉末は空気中で熱すると発火して酸化ウランになる。水とも反応して水素を発生する。水素とは250°Cで、窒素とは400°C以上で反応し、それぞれ水素化ウランUH₃、窒化ウランUN₂となる。ハロゲンとは容易に反応し、ハロゲン化物を生成する。硫黄とも直接反応する。塩酸、硝酸をはじめ、ほとんどの酸に溶解するが、アルカリ水溶液にはとけない。

ウランには3種類の結晶構造があり、常温では強度の高いアルファ型だが、668°Cの温度で、もろいベータ型にかわり、さらに775°Cでやわらかいガンマ型になる。

ウランの化合物は、3～6価の酸化数(→酸化と還元の「酸化数」)をもつが、おもなものは4価と6価の化合物である。6価の化合物がもっとも安定で、三酸化ウランUO₃、塩化ウラニルUO₂Cl₂などがあげられる。4価の化合物には、四塩化ウランUCl₄、二酸化ウランUO₂などがあげられるが、安定度はややおとり、空気中ではしだいに酸化されて6価の化合物にかわる。

天然同位体と存在比は、²³⁴U(ウラン234：0.005%)、²³⁵U(ウラン235：0.72%)、²³⁸U(ウラン238：99.275%)である。また、質量数227から240まで12種の人工同位体が存在する。→ 放射性同位体

天然ウランで、核燃料に必要な核分裂性のものは、²³⁸Uである。²³⁸Uは、おそい中性子を衝突させると2個の原子核に分裂し、1個以上の中性子を放出する。このとき、原子核を結合させていたエネルギーが解放される。ウラン原子の核分裂で放出された中性子が、別のウラン原子に衝突してふたたび核分裂をひきおこすように条件をととのえると、連鎖的に核分裂が進行し、膨大なエネルギーを生みだすことになる。→ 核エネルギー

III

産出

天然のウランが単体の金属として産出することはなく、酸化物などの化合物の形で存在する。おもな鉱石は瀝青ウラン鉱、カルノー石、リン灰ウラン石、リン銅ウラン石などである。海水や生物の体内にも、ごく微量のウランがふくまれている。鉱石としては地殻に広くうすく分布しており、埋蔵量はオーストラリア、南アフリカ共和国、アメリカ、カナダ、ブラジルの順に多い。日本では1955年(昭和30)に鳥取、岡山県境にある人形峠ではじめて発見された。

IV

抽出と濃縮

ウランの抽出法は鉱石によってことなるが、瀝青ウラン鉱からウランを抽出する場合は、粉砕した鉱石を硫酸で処理し、ウランを溶解させる。このとき鉱石にふくまれるラジウムなどの金属は、硫酸塩の沈殿として除去される。また、カルノー石からの抽出では、熱アルカリ水溶液による処理で、鉱石中のウランをとかしだす。酸やアルカリに溶解したウランは、溶媒抽出法で有機溶媒中に再抽出し、さらに濃度を高め、不純物をのぞく。そのほかイオン交換によってウランの濃度を高める方法もある。こうしてウラン濃度の高まった溶液にアルカリを作用させると、溶液中のウランは黄色い二ウラン酸塩となって沈殿する。この沈殿からつくられる酸化ウランU₃O₈の黄色粉末はイェローケーキとよばれ、濃縮ウランの原料となる。

天然ウランの核分裂を利用するには、0.72%しかふくまれていない核分裂性の²³⁵Uの比率を高くする必要がある。この工程はウラン濃縮とよばれ、たいていはウランを六フッ化ウランUF₆の気体にかえて濃縮をおこなう。代表的なウラン濃縮法はガス拡散法で、微細孔をもつ隔膜に六フッ化ウランの気体をとおして²³⁵Uの濃度を高める。そのほか遠心分離機を利用したガス遠心分離法、ノズル法、レーザー法などが開発、実用化されている。

天然ウランのほとんどを占める²³⁸Uは、核分裂性ではないが、中性子を吸収してプルトニウム239になると、核分裂性になる。核分裂性の²³³Uは、トリウムに中性子を照射して、人工的に合成することができる。²³³Uの核分裂は、現在ではまだ利用されていないが、将来はトリウムから²³³Uを生成し、トリウム炉の核燃料として利用する可能性がある。