Uranyum

Özellikler

Uranyum, atom numarası 92 olan ve "U" harfiyle gösterilen kimyasal bir elementtir. Gümüşümsü bir metal olan uranyum, birçok ülkenin elektrik ihtiyacını karşılamak içim nükleer reaktörlerde kullanılır. Periyodik tabloda aktanitler kısmında bulunan uranyum, radyoaktif bir elementtir.

Uranyum, doğada bulunan elementlerin en ağırlarından biridir. Çekirdeğinde 92 proton ve 140 ile 146 arasında değişen sayıda nötronu vardır. Ancak bu bileşimlerin sadece bazıları kendiliğinden oluşur ve Uranyum-238 (92 proton, 92 elektron, 146 nötron) ile Uranyum-235 (92 proton, 92 elektron, 143 nötron) en bol bulunan izotoplarıdır.

Uranyumun oldukça radyoaktif olmasının nedenlerinden birisi, uranyum izotoplarının stabil (kararlı) olmamasıdır. Radyoaktivite, atom çekirdeklerinin radyoaktif bozunum denilen bir süreçte başka bir elementin çekirdeklerine dönüşecek şekilde parçalanmasıyla oluşur. Bu süreç sırasında bozunuma uğrayan atomlar; ışın ya da parçacık salar. "Radyoaktif element" sıfatı, çekirdekleri bu şekilde yavaş yavaş bölünen elementlere verilen sıfattır. Bu elementlerin çekirdeklerinin bölünmesi, kararlı olmayışlarından kaynaklanır; bunun nedeni de genellikle ya kütle numaralarının çok yüksek olmasıdır ya da proton ve nötron sayıları arasındaki dengesizliktir.

Yer kürenin iç ısısına sahip olmasının nedeni, uranyum bozunumunun varlığıdır. Bu, Uranyumun belirgin karakteristik özelliğidir: Zamanla, genellikle Toryuma dönüşerek, Helyum atomları şeklinde parçacık ışıması yapar.

Uranyumun yarılanma süresi, izotopuna bağlı olarak değişmektedir. Neredeyse tüm Uranyum izotopları (nötron sayıları farklı, proton sayıları aynı olan uranyum atomları) çok uzun yarılanma ömrüne (bir numune için onun Uranyum içeriğini yarıya indirmedeki geçen süredir) sahiptir. Örneğin uranyum-234'ün yarı ömrü 25.000 yıl kadarken, uranyum-235'in yarı ömrü 700 milyon yıl, uranyum-238'inki 4.5 milyar yıldır. Uranyumun doğada en çok bulunan izotopu uranyum-238'dir - ki bu Dünya’daki uranyum rezervlerinin %99’na tekabül eder.

Uranyum, kurşundan %70 daha yoğundur lakin tungsten ve altından daha az yoğundur. Katı hâlde bulunan uranyumun erime noktası 1132.2 ^oC, kaynama noktasıysa 4131 ^oC’dir. Yoğunluğu 19.1 g/cm³ olan uranyum, 417.1 kJ/mol ısısında buharlaşmaya başlar. Atom yarıçapı 156 pikometredir (1 metrenin trilyonda biri). Füzyon ısısı 9,14 kj/mol’dur.

Atom ağırlığı demirden büyük diğer elementler gibi uranyum da sadece süpernovalarda ve nötron yıldızlarında gerçekleşen "r-süreci" (İng: "Rapid Neutron Capture") sayesinde elde edilebilir. R-süreci nükleer astrofizikte atom ağırlığı demirden daha ağır olan birtakım elementlerin yaklaşık yarısının ortaya çıkmasını sağlayan bir çeşit nükleer tepkime zinciridir. Diğer elementler buna benzer olmayan bir şekilde "p-süreci" veya "s-süreci" şeklinde ortaya çıkabilirler. Uranyumun atom ağırlığı demirden daha büyük elementlerin diğer yarısının ortaya çıkmasını sağlayan "s-süreci" (İng: "Slow Neutron Capture") nükleer tepkime zinciriyle ortaya çıkmamasının en büyük nedeni ise s-sürecinin çok yavaş olması ve de bizmuttan sonraki kararsız elementlerin çekirdeklerinin içindeki boşluktan geçememesidir.

Bulunma Sıklığı

Uranyum madenciliği, birkaç yol ile yapılır: yüzey madenciliği, yeraltı madenciliği, boru madenciliğidir. Uranyum cevherinde genellikle %0.01 ila %0.25 oranında uranyum oksit bulunur. Kanada’daki Saskatchewan maden sahası uranyum oksit açısından verimliliği ile (%23 civarında) tanınır. Avustralya, Dünya’da bilinen uranyum maden sahalarının %31’ine ev sahipliği yapar. Ayrıca Dünya’nın en büyük tekli uranyum maden sahası olan "Olympic Dam", Güney Avustralya’da bulunur.

Uygulama ve Kullanım Alanları

Uranyum, radyoaktivitenin keşfinden nükleer silahların geliştirilmesine, nükleer santrallerde elektrik temin edilmesinden atom altı parçacıkların dünyasına açılan pencereyi sağlamasına kadar çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bilim, politika ve sanat, bu özel kimyasal elementten büyük ölçüde etkilenmiştir.

Askerî Kullanım

Uranyum, yüksek etki hızı, yoğunluğu, sertliği ve de yanıcı bir element olmamasından dolayı askerî alanda kullanılmaktadır. Buna örnek olarak: tank ve diğer zırhlı araçlarda zırh yapımında, havacılık alanında uçaklardaki ağırlık dengesini sağlamada ve kalkan yapımında kullanılmaktadır. Elbette uranyum, nükleer bombalarda da kullanılan radyoaktif elementlerden biridir.

Sanayi Alanında Kullanım

Uranyumun sanayi alanındaki en temel kullanım alanı nükleer santrallerdir. 1 kilogram uranyum-235 20 terajoule’e kadar enerji üretebilir. Tam bir füzyon gerçekleştiğinde 1,5 milyon kilogram kömüre eş değer enerji üretilebilir. Uranyumu plütonyuma dönüştürmek için aşağıdaki formül kullanılır:

${}^{238}U+n\to {}^{239}U+\gamma -\beta \to {}^{239}Np-\beta \to {}^{239}Pu$

Nükleer santrallerde, Uranyumdan yapılmış yakıt çubuklarının radyoaktif ışımasının sırayla ısıttığı bir soğutucu, diğer kaptaki suyu ısıtmada ve buhara dönüştürmede kullanılır. Buhar, bir jeneratöre bağlı elektrik oluşturan türbinleri iter ve en önemlisi de sera gazı salınımı üretmez.

Uranyum Zenginleştirme ve Seyreltme

Yaygın bulunan uranyum, birçok reaktörde ideal değildir. Yeryüzünde çıkarılan uranyumun %99,2’sinden fazlası uranyum-238'dir, geriye kalanın neredeyse hepsini oluşturan Uranyum-235'tir. Bu ikinci izotop, istikrarlı ve sürdürülebilir bir reaksiyona sahip olmayı mümkün kılan bir nükleer zincir reaksiyon oluşturmada çok iyidir. Ancak yakıt çubuğunda yeterince çok miktarda olması gerekmektedir. Bu, "kritik kütle" olarak bilinir ve zenginleştirilmiş uranyum için genellikle %3-5 arasındadır.

Zenginleştirme işleminden arta kalan, daha az uranyum-235 içeren uranyumun seyreltilen oluşumudur; zırh kaplama ve zırh delici mermiler gibi askeri kullanımlarla birlikte endüstriyel radyografi ekipmanı ve radyoaktif maddeleri taşımada kap olarak kullanılmaktadır. Savaşlarda yaygın olarak kullanımıyla ilgili uzun vadeli sağlık etkileri konusunda ciddi endişelere yol açmıştır.

Etimolojisi

Kökeni Yunan mitolojisindeki Ana Tanrı’lardan biri olan Uranus'e dayanmaktadır. Uranus, Zeus'tan önceki gök Tanrısıydı (bazı kaynaklara göre göğün saf, vücut bulmuş hâliydi). Gücü, gökyüzü gibi uçsuz bucaksızdı; lâkin zayıflığı, kendi hükümranlığından uzaklaştıkça gücünün azalmasıydı. Eşi Gaia ve oğulları bir gün onun hükümranlığından sıkıldı ve ona tuzak kurdu. Onu yeryüzüne hapsettiler ve göğe çıkmasına engel oldular. Oğlu Kronos onu elindeki tırpanla keserek parçalara ayırdı, kanı denize karıştı ve Afrodit doğdu; ama Uranus ölmüştü. Böylece Ana Tanrı’ların hükümranlığı sona erdi ve titanların altın çağı başladı. Uranyum kelimesinin kökeni de Uranus’ten gelmektedir.

Önlem ve Güven

Uranyum yalnızca radyoaktif değil aynı zamanda zehirli bir metaldir. Bir nükleer enerji santralinde sızıntı olmadıkça yahut nükleer bir silah kullanılmadıkça radyoaktif etkisinden belki de daha çok zehirli oluşu insanlığa zarar verebilir. Özellikle yaydığı zehir insanlarda böbrek rahatsızlığına sebep olmaktadır. Ayrıca nükleer santrallerde kullanılan zenginleştirilmiş uranyuma maruz kalmak insanlarda mutajenik rahatsızlıklara yol açmaktadır.

Tarihi

Uranyum, Roma zamanından beri cam ve seramiklerde sarı renk sırlamada kullanılmaktadır. Orta çağda katranlı karışım (radyum ve uranyumlu maden cevheri) olarak tekrar canlanmasıyla bulundu ve hala cam yapımında boya olarak kullanılmaktaydı. 

1789'da Alman kimyacı Martin Heinrich Klaproth, katranlı karışımı nitrik asit ile karıştırdı, sonra sodyum hidroksit çözeltisiyle nötralize edildi. Bu reaksiyon, dipte çökelti şeklinde sarı bir madde oluşturdu. Odun kömürü ile ısıtıldığında, Kalproth'un yanlışlıkla saf uranyum olduğuna inandığı, en iyi olasılıkla bir oksit olan siyah toz haline dönüşür. Bu yeni element William Herschel tarafından sekiz yıl önce keşfedilen Uranüs gezegeni sonrasında, Uranyum adlandırıldı.

İlk saf Uranyum örneğinin ayrıştırılması 1841'e kadar sürdü. Bu başarı kimyager Eugène-Melchior Péligot tarafından elde edildi. Henri Becquerel tarafından tesadüfen bir parça uranyumun bir fotoğraf filminin üzerine koyulması üzerine de radyoaktifliği keşfedilmiştir.

Maalesef böylesine önemli elementler bile kötü amaçlar için kullanılabilmektedir. Hele ki uranyum gibi radyoaktivitesi yüksek elementler, insanlık için çok vahim sonuçları doğurabilmektedir: İlk atom bombası 6 Ağustos 1945 tarihinde "Küçük Çocuk" (Little Boy) kod adıyla Hiroşima'ya atılmıştır. Bu patlama on binlerce insanın ölümüne neden olmuştur. İlk birkaç gün ölenler yanarak ya da molozların altında kalarak öldüler ama sonraki birkaç ay içerisinde ölenler radyasyon zehirlenmesi ve mutajenik olaylardan ötürü öldüler.

İlginç Bilgiler ve Diğer

• Uranyum soygazlar hariç geri kalan tüm ametaller ve onların bileşikleri ile tepkimeye girer. Tepkimeye girdiğinin belirtisi ise sıcaklığın yükselmesidir. Hidroklorik asit ve nitrik asit uranyumda çözülür ama hidroklorik asit haricindeki oksitsiz asitler daha yavaş çözülürler.
• Radyoaktiviteliği keşfedilmeden önce uranyum fotoğrafçılık alanında da kullanılmaktaydı.(Özellikle uranyum nitrat) Dericilik sektöründe ise renklendirme amacıyla kullanılmaktaydı.
• Uranyumun radyoaktiviteliğinin keşfi bilim dünyası açısından çığır aşan bir gelişmeydi. Yarılanma ömrünün uzun olması, antik çağlardan kalma taşların yaşının belirlenmesine referans noktası olarak kullanılmaya başlanmasına sebebiyet verdi.
• MÖ. 79’lu yıllarda Roma İmparatorluğu tarafından seramiğe sarı renk vermede kullanılan uranyumun tarih öncesi çağlardaki kullanımının işaretlerine günümüzde hâlâ ulaşılabilmektedir. Batı Afrika’da bir ülke olan Gabon’da antik doğal nükleer reaktörlere rastlandı. Oklo Fosil Reaktörleri olarak da bilinen bu reaktörler 1,7 milyar yıl önce aktif haldeydi!
• Uranyum, doğal olarak ortaya çıkabilen bir element olup, kayaların içinde bulunabilir. Ayrıca uranyumun bir diğer özelliği ise doğada bulunabilen (laboratuvarda üretilmeyen) en büyük atom numarasına sahip elementtir ve ayrıca bulunacağı zaman daima başka elementlerle birlikte bulunur. Uranyum doğada antimon, kadmiyum ve gümüşten daha fazla bulunmakla beraber yaklaşık olarak arsenik ve molibdenle eşit miktarda bulunur.
• Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens ve bazı Burkholderia fungorum çeşitlerinin yaşamak için uranyumu kullandığı bilinmektedir.