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【元素図鑑】ウラン U【自然界で最も重い元素】

ウランは、アクチノイド元素で、原子番号92の元素です。

元素図鑑

ウランの基本情報

和名 ウラン
英名 Uranium
語源 天王星 (Uranus)
元素記号 U
原子量 238.0
常温(25℃)での状態 固体(金属)
銀白色
臭い
密度 18.950 g/cm3(20℃)
融点 1132.3℃
沸点 4172℃
発見者 クラップロート(ドイツ)[1789年]
含有鉱物 閃ウラン鉱, リン灰ウラン鉱
項目 トリウム (Th) ウラン (U)
原子番号 90 92
主な天然同位体 Th-232(ほぼ100%) U-238(約99.3%)、U-235(約0.7%)
天然存在量 ウランの約3~4倍 トリウムより少ない
放射能 弱い(Th-232の半減期:約140億年) 強い(U-238:約45億年、U-235:約7億年)
核分裂性 自発的には分裂しない(核変換が必要) U-235は直接核分裂性
燃料としての利用 Th-232 → U-233に変換して使用(増殖型) U-235はそのまま核燃料に利用可能
核兵器への利用性 困難(U-233は濃縮が難しく高放射線) U-235は濃縮で核兵器利用可能
廃棄物の放射性寿命 比較的短命な核分裂生成物が多い 長寿命アクチニドが多く含まれる
現在の商用利用 研究段階(主にインド、中国など) 広く使用(軽水炉、加圧水型炉など)
安全性 増殖炉や溶融塩炉での高い安全性が期待される 実績はあるが、高圧・冷却材管理が必要

 ウランの主な特徴

  • アクチニウム系列に属する金属元素で、自然界で最も重い原子
  • 銀白色の金属で放射性を持ち、自然界では主にU-238(99.3%)とU-235(0.7%)の同位体として存在する
  • 化学的には+6価、+5価、+4価があり、特に+6価のウラニルイオン(UO₂²⁺)がよく知られている
  • 比重は18.95と非常に高く、熱中性子を吸収する性質から原子力エネルギー源として極めて重要

ウランの歴史

発見

ウランは1789年、ドイツの化学者マルティン・クラプロートによって、鉱石「ピッチブレンド(瀝青ウラン鉱)」から発見されました。

当時は酸化物(UO₂)として分離されただけで、単体金属としてのウランは1841年にフランスの化学者ペリゴによって得られました。

名前の由来

元素名「ウラン(Uranium)」は、1781年に発見された天王星(Uranus)にちなんで命名されました。

当時の天文学的発見と化学の発見が重なった象徴的な命名です。

ウランの主な用途

ウランの最大の用途は原子力発電や核兵器の燃料です。

  • 原子力発電: ウラン-235が核分裂を起こすことで大量のエネルギーを発生
  • 核兵器: 高濃縮ウラン(HEU)は核爆弾に使用される
  • 劣化ウラン: 原子力燃料に使われた後のU-238は弾芯・遮蔽材などに使用
  • ガラス・陶器: ウラン化合物は古くは黄色や緑色の着色剤に用いられた(現在は規制)
  • 研究用途: 中性子源や放射性標識物質としての利用

 ウランの生成方法

ウランは自然界でウラン鉱石として存在し、以下のようにして抽出・精製されます:

  • 鉱石採掘: 主にピッチブレンド(UO₂)、カルノー石、ウラン雲母など
  • 酸・アルカリ処理: 溶解後、溶媒抽出やイオン交換で精製
  • 濃縮: 遠心分離法によりU-235の割合を高める
  • 燃料加工: UO₂などに加工し、燃料ペレットとして原子炉に投入

ウランを含む化合物

ウランは多価元素で、さまざまな酸化状態を取り、以下のような代表的化合物を形成します:

  • 酸化ウラン(IV)(UO₂): 黒色粉末、軽水炉などの燃料
  • 酸化ウラン(VI)(UO₃): 黄褐色粉末、可溶性が高い
  • ウラニルイオン(UO₂²⁺): 水溶液中で安定、ウランの移動に関与
  • 六フッ化ウラン(UF₆): 気体遠心分離による濃縮に用いられる
  • 硝酸ウラニル(UO₂(NO₃)₂): 再処理工程で生成される中間体

ウランに関わる研究事例

ウランに関する研究はエネルギー、安全保障、環境保全の分野で進められています:

  • 高速増殖炉の燃料: U-Puサイクルによる燃料再利用
  • 濃縮・再処理技術の最適化: 遠心分離、レーザー分離など
  • ウラン汚染水の浄化: ゼオライト・活性炭・錯体吸着剤の開発
  • 核兵器不拡散研究: 使用済み燃料のトレーサビリティ確保
  • 自然界における移動性評価: 土壌中のウランの溶出挙動や拡散モデル

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