Uranium

Halaman ini berisi artikel tentang unsur kimia. Untuk kegunaan lain, lihat Uranium (disambiguasi).

92U Uranium
Uranium yang diperkaya tinggi
Garis spektrum uranium
Sifat umum
Pengucapan	/uranium/
Penampilan	metalik abu-abu keperakan; teroksidasi menjadi hitam ketika terpapar dengan udara
Uranium dalam tabel periodik
92U Hidrogen Helium Lithium Berilium Boron Karbon Nitrogen Oksigen Fluor Neon Natrium Magnesium Aluminium Silikon Fosfor Sulfur Clor Argon Potasium Kalsium Skandium Titanium Vanadium Chromium Mangan Besi Cobalt Nikel Tembaga Seng Gallium Germanium Arsen Selen Bromin Kripton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson Nd ↑ U ↓ (Uqh) protaktinium ← uranium → neptunium Lihat bagan navigasi yang diperbesar
Nomor atom (Z)	92
Golongan	golongan n/a
Periode	periode 7
Blok	blok-f
Kategori unsur	aktinida
Berat atom standar (Ar)	238,02891±0,00003 238,03±0,01 (diringkas)
Konfigurasi elektron	[Rn] 5f3 6d1 7s2
Elektron per kelopak	2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
Sifat fisik
Fase pada STS (0 °C dan 101,325 kPa)	padat
Titik lebur	1405,3 K ​(1132,2 °C, ​2070 °F)
Titik didih	4404 K ​(4131 °C, ​7468 °F)
Kepadatan mendekati s.k.	19,1 g/cm3
saat cair, pada t.l.	17,3 g/cm3
Kalor peleburan	9,14 kJ/mol
Kalor penguapan	417,1 kJ/mol
Kapasitas kalor molar	27,665 J/(mol·K)
Tekanan uap P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k pada T (K) 2325 2564 2859 3234 3727 4402
Sifat atom
Bilangan oksidasi	+1, +2, +3, +4, +5, +6 (oksida amfoter)
Elektronegativitas	Skala Pauling: 1,38
Energi ionisasi	ke-1: 597,6 kJ/mol ke-2: 1420 kJ/mol
Jari-jari atom	empiris: 156 pm
Jari-jari kovalen	196±7 pm
Jari-jari van der Waals	186 pm
Lain-lain
Kelimpahan alami	primordial
Struktur kristal	​ortorombus
Kecepatan suara batang ringan	3155 m/s (suhu 20 °C)
Ekspansi kalor	13,9 µm/(m·K) (suhu 25 °C)
Konduktivitas termal	27,5 W/(m·K)
Resistivitas listrik	0,280 µΩ·m (suhu 0 °C)
Arah magnet	paramagnetik
Modulus Young	208 GPa
Modulus Shear	111 GPa
Modulus curah	100 GPa
Rasio Poisson	0,23
Skala Vickers	1960–2500 MPa
Skala Brinell	2350–3850 MPa
Nomor CAS	7440-61-1
Sejarah
Penamaan	dari planet Uranus, ia sendiri dinamai dari dewa langit Yunani Uranus
Penemuan	Martin H. Klaproth (1789)
Isolasi pertama	E. Péligot (1841)
Isotop uranium yang utama
Iso­top Kelim­pahan Waktu paruh (t1/2) Mode peluruhan Pro­duk 232U sintetis 68,9 thn SF – α 228Th 233U renik 1,592×105 thn SF – α 229Th 234U 0,005% 2,455×105 thn SF – α 230Th 235U 0,720% 7,04×108 thn SF – α 231Th 236U renik 2,342×107 thn SF – α 232Th 238U 99,274% 4,468×109 thn α 234Th SF – β−β− 238Pu

Uranium adalah sebuah unsur kimia dengan lambang U dan nomor atom 92. Ia merupakan logam berwarna abu-abu keperakan dalam deret aktinida tabel periodik. Sebuah atom uranium memiliki 92 proton dan 92 elektron, dimana 6 di antaranya adalah elektron valensi. Uranium meluruh secara radioaktif dengan memancarkan sebuah partikel alfa. Waktu paruh peluruhan ini bervariasi antara 159.200 dan 4,5 miliar tahun untuk isotop yang berbeda, menjadikannya berguna untuk menentukan usia Bumi. Isotop paling umum dalam uranium alami adalah uranium-238 (yang memiliki 146 neutron dan menyumbang lebih dari 99% uranium di Bumi) dan uranium-235 (yang memiliki 143 neutron). Uranium memiliki berat atom tertinggi dari unsur-unsur yang terjadi secara primordial. Kepadatannya sekitar 70% lebih tinggi dari timbal, dan sedikit lebih rendah dari emas atau wolfram. Ia terjadi secara alami dalam konsentrasi rendah, yaitu beberapa bagian per juta di tanah, batu dan air, dan ia diekstraksi secara komersial dari mineral yang mengandung uranium seperti uraninit.

Banyak penggunaan uranium kontemporer mengeksploitasi sifat nuklirnya yang unik. Uranium-235 adalah satu-satunya isotop fisil alami, yang membuatnya banyak digunakan pada pembangkit listrik tenaga nuklir dan senjata nuklir. Namun, karena konsentrasi kecil yang ditemukan di alam, uranium perlu mengalami pengayaan agar uranium-235 dapat cukup. Uranium-238 dapat difisi oleh neutron cepat, dan ia bersifat subur, artinya ia dapat ditransmutasikan menjadi plutonium-239 yang fisil dalam reaktor nuklir. Isotop fisil lainnya, uranium-233, dapat diproduksi dari torium alami dan dipelajari untuk penggunaan industri di masa depan dalam teknologi nuklir. Uranium-238 memiliki kemungkinan kecil untuk mengalami fisi spontan atau bahkan fisi terinduksi dengan neutron cepat; uranium-235, dan pada tingkat yang lebih rendah uranium-233, memiliki penampang lintang fisi yang jauh lebih tinggi untuk neutron lambat. Dalam konsentrasi yang cukup, isotop-isotop ini mempertahankan reaksi rantai nuklir yang berkelanjutan. Hal ini menghasilkan panas dalam reaktor tenaga nuklir, dan menghasilkan bahan fisil untuk senjata nuklir. Uranium terdeplesi (²³⁸U) digunakan dalam penetrator energi kinetik dan pelapisan pelindung.

Penemuan uranium pada tahun 1789 dalam mineral uraninit dikreditkan pada Martin Heinrich Klaproth, yang menamai unsur baru tersebut dengan nama planet Uranus yang saat itu baru ditemukan. Eugène-Melchior Péligot adalah orang pertama yang mengisolasi logam tersebut dan sifat radioaktifnya ditemukan pada tahun 1896 oleh Henri Becquerel. Penelitian yang dilakukan oleh Otto Hahn, Lise Meitner, Enrico Fermi dan lainnya, seperti J. Robert Oppenheimer mulai tahun 1934 menyebabkan penggunaannya mulai meningkat, seperti sebagai bahan bakar dalam industri tenaga nuklir dan Little Boy, senjata nuklir pertama yang digunakan dalam perang. Perlombaan senjata berikutnya selama Perang Dingin antara Amerika Serikat dan Uni Soviet menghasilkan puluhan ribu senjata nuklir yang menggunakan logam uranium dan plutonium-239 yang diturunkan dari uranium. Pembongkaran senjata ini dan fasilitas nuklir terkait dilakukan dalam berbagai program pelucutan senjata nuklir dan menelan biaya miliaran dolar. Uranium tingkat senjata yang diperoleh dari senjata nuklir kemudian diencerkan dengan uranium-238 dan digunakan kembali sebagai bahan bakar reaktor nuklir. Pengembangan dan penyebaran reaktor nuklir ini berlanjut di basis global karena merupakan sumber energi bebas CO₂ yang kuat. Bahan bakar nuklir bekas membentuk limbah radioaktif, yang sebagian besar terdiri dari uranium-238 dan menimbulkan ancaman kesehatan dan dampak lingkungan yang signifikan.

Karakteristik

Peristiwa fisi nuklir yang diinduksi oleh neutron yang melibatkan uranium-235

Uranium adalah logam radioaktif lemah berwarna putih keperakan. Ia memiliki kekerasan Mohs sebesar 6, cukup untuk menggores kaca dan kira-kira setara dengan titanium, rodium, mangan, dan niobium. Ia bersifat lunak, ulet, sedikit paramagnetik, elektropositif kuat, dan merupakan konduktor listrik yang buruk. Logam uranium memiliki kepadatan yang sangat tinggi, yaitu 19,1 g/cm³, lebih padat dari timbal (11,3 g/cm³), tetapi sedikit kurang padat dibandingkan wolfram dan emas (19,3 g/cm³).

Logam uranium bereaksi dengan hampir semua unsur nonlogam (kecuali gas mulia) dan senyawanya, dengan reaktivitas yang meningkat seiring peningkatan suhu. Asam klorida dan nitrat melarutkan uranium, tetapi asam nonoksidator selain asam klorida menyerang unsur tersebut dengan sangat lambat. Saat dibelah halus, ia dapat bereaksi dengan air dingin; di udara, logam uranium akan terlapisi dengan lapisan gelap uranium oksida. Uranium dalam bijih diekstraksi secara kimiawi dan diubah menjadi uranium dioksida atau bentuk kimia lain yang dapat digunakan dalam industri.

Uranium-235 adalah isotop pertama yang ditemukan bersifat fisil. Isotop alami lainnya dapat difisi, tetapi tidak fisil. Saat dibombardir dengan neutron lambat, isotop uranium-235-nya sebagian besar akan terbagi menjadi dua inti yang lebih kecil, melepaskan energi pengikatan inti dan lebih banyak neutron. Jika terlalu banyak neutron ini diserap oleh inti uranium-235 lainnya, reaksi rantai nuklir akan terjadi yang menghasilkan semburan panas atau (dalam keadaan khusus) ledakan. Dalam reaktor nuklir, reaksi rantai seperti itu diperlambat dan dikendalikan oleh racun neutron, menyerap beberapa neutron bebas. Bahan penyerap neutron tersebut sering menjadi bagian dari batang kendali reaktor (lihat fisika reaktor nuklir untuk penjelasan proses kendali reaktor ini).

Sesedikit 15 pon (6,8 kg) uranium-235 dapat digunakan untuk membuat bom atom. Senjata nuklir yang diledakkan di Hiroshima, disebut Little Boy, mengandalkan fisi uranium. Namun, bom nuklir pertama (Gadget yang digunakan pada Trinity) dan bom yang diledakkan di Nagasaki (Fat Man) adalah bom plutonium.

Logam uranium memiliki tiga bentuk alotropik:

• α (ortorombus) stabil hingga suhu 668 °C (1.234 °F). Ortorombus, grup ruang No. 63, Cmcm, parameter kisi a = 285,4 pm, b = 587 pm, c = 495,5 pm.
• β (tetragon) stabil dari 668 hingga 775 °C (1.234 hingga 1.427 °F). Tetragon, grup ruang P4₂/mnm, P4₂nm, atau P4n2, parameter kisi a = 565,6 pm, b = c = 1075,9 pm.
• γ (kubus berpusat-badan) dari 775 °C (1.427 °F) hingga titik lebur—ini adalah keadaan yang paling lunak dan ulet. Kubus berpusat-badan, parameter kisi a = 352,4 pm.

Aplikasi

Militer

Berbagai militer menggunakan uranium terdeplesi sebagai penetrator kepadatan tinggi.

Aplikasi utama uranium di sektor militer adalah penetrator kepadatan tinggi. Amunisi ini terdiri dari uranium terdeplesi (DU) yang dipadukan dengan 1–2% unsur lain, seperti titanium atau molibdenum. Pada kecepatan tumbukan tinggi, kerapatan, kekerasan, dan piroforisitas proyektil memungkinkan penghancuran target lapis baja berat. Perisai tank dan perisai kendaraan yang bisa dilepas lainnya juga bisa dikeraskan dengan pelat uranium terdeplesi. Penggunaan uranium terdeplesi menjadi perdebatan politik dan lingkungan setelah penggunaan amunisi tersebut oleh AS, Inggris dan negara-negara lain selama perang di Teluk Persia dan Balkan menimbulkan pertanyaan mengenai senyawa uranium yang tersisa di tanah (lihat sindrom Perang Teluk).

Uranium terdeplesi juga digunakan sebagai bahan pelindung pada beberapa wadah yang digunakan untuk menyimpan dan mengangkut bahan radioaktif. Meskipun logam itu sendiri bersifat radioaktif, kepadatannya yang tinggi membuatnya lebih efektif daripada timbal dalam menghentikan radiasi dari sumber yang kuat seperti radium. Kegunaan lain dari uranium terdeplesi meliputi penyeimbang untuk permukaan kontrol pesawat, sebagai pemberat untuk kendaraan re-entry rudal, dan sebagai bahan pelindung. Karena kepadatannya yang tinggi, bahan ini ditemukan dalam sistem navigasi inersia dan kompas giroskopis. Uranium terdeplesi lebih disukai daripada logam padat serupa karena kemampuannya untuk mudah dikerjakan dan dicor serta biayanya yang relatif rendah. Risiko utama paparan uranium terdeplesi adalah keracunan kimia dari uranium oksida dan bukan radioaktivitasnya (uranium hanya merupakan pemancar alfa yang lemah).

Selama tahap akhir Perang Dunia II, seluruh Perang Dingin, dan pada tingkat yang lebih rendah sesudahnya, uranium-235 telah digunakan sebagai bahan peledak fisil untuk memproduksi senjata nuklir. Awalnya, dua jenis bom fisi utama dibangun: perangkat yang relatif sederhana yang menggunakan uranium-235 dan mekanisme yang lebih rumit yang menggunakan plutonium-239 yang berasal dari uranium-238. Kemudian, jenis bom fisi/fusi yang jauh lebih rumit dan jauh lebih kuat (senjata termonuklir) dibangun, yang menggunakan perangkat berbasis plutonium untuk menyebabkan campuran tritium dan deuterium mengalami fusi nuklir. Bom semacam itu dibungkus dalam kotak uranium nonfisil (tak diperkaya), dan mereka memperoleh lebih dari setengah kekuatan mereka dari fisi bahan ini oleh neutron cepat dari proses fusi nuklir.

Sipil

Penggunaan utama uranium di sektor sipil adalah sebagai bahan bakar pembangkit listrik tenaga nuklir. Satu kilogram uranium-235 secara teoretis dapat menghasilkan sekitar 20 terajoule energi (2×10¹³ joule), dengan asumsi fisi sempurna; energi sebanyak 1,5 juta kilogram (1,500 ton) batu bara.

Pembangkit listrik tenaga nuklir komersial menggunakan bahan bakar yang biasanya diperkaya sekitar 3% uranium-235. Desain CANDU dan Magnox adalah satu-satunya reaktor komersial yang mampu menggunakan bahan bakar uranium yang tak diperkaya. Bahan bakar yang digunakan untuk reaktor Angkatan Laut Amerika Serikat biasanya sangat diperkaya dengan uranium-235 (nilai pastinya dirahasiakan). Dalam reaktor pembiak, uranium-238 juga dapat diubah menjadi plutonium melalui reaksi berikut:

238
92U + n → 239
92U + γ β⁻→  239
93Np β⁻→  239
94Pu

Kaca uranium bersinar di bawah sinar UV

Sebelum (dan, kadang-kadang, sesudah) penemuan radioaktivitas, uranium digunakan terutama dalam jumlah kecil untuk kaca kuning dan glasir tembikar, seperti kaca uranium dan di Fiestaware.

Penemuan dan isolasi radium dalam bijih uranium (uraninit) oleh Marie Curie memicu pengembangan penambangan uranium untuk mengekstraksi radium, yang digunakan untuk membuat cat berpendar dalam gelap untuk jam dan dial pesawat. Pengekstrasian ini meninggalkan jumlah uranium yang luar biasa sebagai produk limbah, karena dibutuhkan tiga ton uranium untuk mengekstraksi satu gram radium. Produk limbah ini dialihkan ke industri kaca, membuat kaca uranium sangat murah dan melimpah. Selain glasir tembikar, glasir ubin uranium menyumbang sebagian besar penggunaan, termasuk ubin kamar mandi dan dapur umum yang dapat diproduksi dalam warna hijau, kuning, ungu pucat, hitam, biru, merah, dan warna lainnya.

Glasir uranium pada keramik Sencer Sarı bersinar di bawah sinar UV.

Kaca uranium digunakan sebagai segel timbal dalam kapasitor vakum

Uranium juga digunakan dalam bahan kimia fotografi (khususnya uranium nitrat sebagai toner), dalam filamen lampu untuk lampu penerangan panggung, untuk memperbaiki penampilan gigi palsu, dan dalam industri kulit dan kayu untuk noda dan pewarna. Garam uranium adalah mordan dari sutra atau wol. Uranil asetat dan uranil format digunakan sebagai "noda" padat-elektron dalam mikroskop transmisi elektron, untuk meningkatkan kontras spesimen biologis pada bagian ultratipis dan penodaan negatif virus, organel sel terisolasi, dan makromolekul.

Penemuan radioaktivitas uranium mengantarnya pada penggunaan ilmiah dan praktis tambahan. Waktu paruh yang panjang dari isotop uranium-238 (4,47×10⁹ tahun) membuatnya sangat cocok untuk digunakan dalam memperkirakan usia batuan beku paling awal dan untuk jenis penanggalan radiometrik lainnya, meliputi penanggalan uranium–torium, penanggalan uranium–timbal, dan penanggalan uranium–uranium. Logam uranium dapat digunakan untuk target sinar-X dalam pembuatan sinar-X berenergi tinggi.

Sejarah

Penggunaan pra-penemuan

Penggunaan uranium dalam bentuk oksida alaminya dimulai setidaknya pada tahun 79 CE, ketika ia digunakan di Kekaisaran Romawi untuk menambah warna kuning pada lapisan keramik. Kaca kuning dengan 1% uranium oksida ditemukan di sebuah vila Romawi di Tanjung Posillipo di Teluk Napoli, Italia, oleh R. T. Gunther dari Universitas Oxford pada tahun 1912. Dimulai pada akhir Abad Pertengahan, bijih-bijih uranium diekstrak dari tambang perak Habsburg di Joachimsthal, Bohemia (sekarang Jáchymov di Republik Ceko), dan digunakan sebagai zat pewarna dalam industri pembuatan kaca lokal. Pada awal abad ke-19, satu-satunya sumber bijih uranium yang diketahui di dunia adalah tambang ini. Penambangan uranium di Pegunungan Erz dihentikan di sisi Jerman setelah Perang Dingin berakhir dan SDAG Wismut ditutup. Di sisi Ceko ada upaya selama gelembung harga uranium tahun 2007 untuk memulai kembali penambangan, tetapi upaya itu dengan cepat ditinggalkan menyusul jatuhnya harga uranium.

Penemuan

Planet Uranus, asal nama uranium

Penemuan unsur ini dikreditkan pada ahli kimia Jerman Martin Heinrich Klaproth. Saat dia bekerja di laboratorium eksperimentalnya di Berlin pada tahun 1789, Klaproth mampu mengendapkan senyawa kuning (kemungkinan natrium diuranat) dengan melarutkan uraninit dalam asam nitrat dan menetralkan larutan itu dengan natrium hidroksida. Klaproth menganggap bahwa zat kuning itu adalah oksida dari unsur yang belum ditemukan dan memanaskannya dengan arang untuk mendapatkan bubuk hitam, yang menurutnya adalah logam yang baru ditemukan itu sendiri (sebenarnya, bubuk itu adalah sebuah oksida uranium). Dia menamai unsur yang baru ditemukan itu dari nama planet Uranus (dinamai dari dewa langit Yunani purba), yang telah ditemukan delapan tahun sebelumnya oleh William Herschel.

Pada tahun 1841, Eugène-Melchior Péligot, Profesor Kimia Analitik di Conservatoire National des Arts et Métiers (Sekolah Pusat Seni dan Manufaktur) di Paris, mengisolasi sampel pertama logam uranium dengan memanaskan uranium tetraklorida dengan kalium.

Antoine Henri Becquerel menemukan fenomena radioactivity radioaktivitas dengan memaparkan pelat fotografi ke uranium pada tahun 1896.

Henri Becquerel menemukan radioaktivitas dengan menggunakan uranium pada tahun 1896. Becquerel membuat penemuan ini di Paris dengan meninggalkan sampel garam uranium, K₂UO₂(SO₄)₂ (kalium uranil sulfat), di atas pelat fotografi yang tidak terpapar di dalam laci dan mencatat bahwa pelat telah menjadi "berkabut". Dia menentukan bahwa suatu bentuk cahaya atau sinar tak terlihat yang dipancarkan oleh uranium telah memapari pelat tersebut.

Selama Perang Dunia I ketika Blok Sentral kekurangan molibdenum untuk membuat laras senapan artileri dan baja perkakas berkecepatan tinggi, mereka secara rutin menggantinya dengan paduan ferouranium yang menghadirkan banyak karakteristik fisik yang sama. Ketika praktik ini dikenal pada tahun 1916, pemerintah A.S. meminta beberapa universitas terkemuka untuk meneliti penggunaan uranium ini dan alat yang dibuat menggunakan formula ini tetap digunakan selama beberapa dekade. Praktik ini berakhir ketika Proyek Manhattan dan Perang Dingin menempatkan permintaan besar pada uranium untuk penelitian fisi dan pengembangan senjata.

Penelitian fisi

Kubus dan balok uranium yang diproduksi selama proyek Manhattan

Sebuah tim yang dipimpin oleh Enrico Fermi pada tahun 1934 mengamati bahwa pembombardiran uranium dengan neutron akan menghasilkan pancaran sinar beta (elektron atau positron dari unsur yang dihasilkan; lihat partikel beta). Produk fisi pada awalnya disalahartikan sebagai unsur baru dengan nomor atom 93 dan 94, yang oleh Dekan Fakultas Roma, Orso Mario Corbino, masing-masing diberi nama ausonium dan hesperium. Eksperimen yang mengarah pada penemuan kemampuan uranium untuk memfisi (membelah) menjadi unsur yang lebih ringan dan melepaskan energi pengikatan dilakukan oleh Otto Hahn dan Fritz Strassmann di laboratorium milik Hahn di Berlin. Pada Februari 1939, Lise Meitner dan keponakannya, fisikawan Otto Robert Frisch, menerbitkan penjelasan fisika dan menamakan proses itu sebagai "fisi nuklir". Segera setelah itu, Fermi berhipotesis bahwa fisi uranium mungkin melepaskan cukup banyak neutron untuk mempertahankan reaksi fisi. Konfirmasi hipotesis ini datang pada tahun 1939, dan penelitian selanjutnya menemukan bahwa rata-rata sekitar 2,5 neutron dilepaskan oleh setiap fisi isotop uranium-235 yang langka. Fermi mendesak Alfred O. C. Nier untuk memisahkan isotop uranium untuk penentuan komponen fisil, dan pada 29 Februari 1940, Nier menggunakan instrumen yang dibuatnya di Universitas Minnesota untuk memisahkan sampel uranium-235 pertama di dunia di Laboratorium Tate. Setelah dikirimkan ke siklotron Universitas Columbia, John Dunning memastikan bahwa sampel tersebut adalah bahan fisil yang diisolasi pada 1 Maret. Pekerjaan lebih lanjut menemukan bahwa isotop uranium-238 yang jauh lebih umum dapat ditransmutasikan menjadi plutonium, yang, seperti uranium-235, juga dapat difisi oleh neutron termal. Penemuan ini menyebabkan banyak negara mulai mengerjakan pengembangan senjata nuklir dan tenaga nuklir. Meskipun fisi telah ditemukan di Jerman, Uranverein ("klub uranium") proyek masa perang Jerman untuk meneliti tenaga nuklir dan/atau senjata terhambat oleh sumber daya yang terbatas, pertikaian, pengasingan atau tidak terlibatnya beberapa ilmuwan terkemuka di lapangan dan beberapa kesalahan krusial seperti gagal memperhitungkan ketidakmurnian dalam sampel grafit yang tersedia yang membuatnya tampak kurang cocok sebagai moderator neutron daripada kenyataannya. Upaya Jerman untuk membangun reaktor air berat/uranium alami belum mencapai titik kritis pada saat Amerika mencapai Haigerloch, tempat percobaan reaktor perang terakhir Jerman.

Pada tanggal 2 Desember 1942, sebagai bagian dari Proyek Manhattan, tim lain yang dipimpin oleh Enrico Fermi dapat memulai reaksi rantai nuklir swadaya buatan pertama, Chicago Pile-1. Rencana awal menggunakan uranium-235 yang diperkaya ditinggalkan karena ia belum tersedia dalam jumlah yang cukup. Bekerja di laboratorium di bawah Lapangan Stagg di Universitas Chicago, tim itu menciptakan kondisi yang diperlukan untuk reaksi semacam itu dengan menumpuk bersama 360 ton grafit, 53 ton uranium oksida, dan 5,5 ton logam uranium, yang mayoritas dipasok oleh Pabrik Lampu Westinghouse dalam proses produksi darurat.

Persenjataan nuklir

Awan jamur di atas Hiroshima setelah dijatuhkannya bom atom berbasis uranium yang dijuluki 'Little Boy'

Dua jenis bom atom utama dikembangkan oleh Amerika Serikat selama Perang Dunia II: perangkat berbasis uranium (nama kode "Little Boy") yang bahan fisilnya adalah uranium yang diperkaya tinggi, dan perangkat berbasis plutonium (lihat uji Trinity dan "Fat Man") yang plutoniumnya berasal dari uranium-238. Perangkat Little Boy berbasis uranium menjadi senjata nuklir pertama yang digunakan dalam perang ketika ia diledakkan di atas kota Hiroshima di Jepang pada 6 Agustus 1945. Meledak dengan hasil setara dengan 12.500 ton TNT, ledakan dan gelombang termal dari bom tersebut menghancurkan hampir 50.000 bangunan dan menewaskan sekitar 75.000 orang (lihat Serangan bom atom Hiroshima dan Nagasaki). Awalnya diyakini bahwa uranium relatif langka, dan proliferasi nuklir dapat dihindari hanya dengan membeli semua stok uranium yang diketahui, tetapi dalam satu dekade, deposit uranium besar ditemukan di banyak tempat di seluruh dunia.

Reaktor

Empat bola lampu dinyalakan dengan listrik yang dihasilkan dari reaktor nuklir penghasil listrik buatan pertama, EBR-I (1951)

Reaktor Grafit X-10 di Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL) di Oak Ridge, Tennessee, sebelumnya dikenal sebagai Clinton Pile dan X-10 Pile, adalah reaktor nuklir buatan kedua di dunia (setelah Chicago Pile milik Enrico Fermi) dan merupakan reaktor pertama yang dirancang dan dibangun untuk operasi berkelanjutan. Reaktor Pembiak Eksperimental I milik Laboratorium Nasional Argonne, terletak di Stasiun Pengujian Reaktor Nasional milik Komisi Energi Atom dekat Arco, Idaho, menjadi reaktor nuklir pertama yang menghasilkan listrik pada 20 Desember 1951. Awalnya, empat bola lampu 150 watt dinyalakan oleh reaktor tersebut, tetapi perbaikan akhirnya memungkinkannya untuk menyalakan seluruh fasilitas (kemudian, kota Arco menjadi yang pertama di dunia dimana semua listriknya berasal dari tenaga nuklir yang dihasilkan oleh BORAX-III, reaktor lain yang dirancang dan dioperasikan oleh Laboratorium Nasional Argonne). Pembangkit listrik tenaga nuklir skala komersial pertama di dunia, Obninsk di Uni Soviet, memulai pembangkitan dengan reaktor AM-1 pada 27 Juni 1954. Pembangkit listrik tenaga nuklir awal lainnya adalah Calder Hall di Inggris, yang memulai pembangkitan pada 17 Oktober 1956, dan Pembangkit Listrik Tenaga Atom Shippingport di Pennsylvania, yang dimulai pada 26 Mei 1958. Tenaga nuklir pertama kali digunakan untuk tenaga penggerak kapal selam, USS Nautilus, pada tahun 1954.

Fisi prasejarah yang terjadi secara alami

Artikel utama: Reaktor nuklir alam

Pada tahun 1972, fisikawan Prancis Francis Perrin menemukan lima belas reaktor fisi nuklir alami kuno dan tidak lagi aktif di tiga endapan bijih terpisah di tambang Oklo di Gabon, Afrika Barat, yang secara kolektif dikenal sebagai Reaktor Fosil Oklo. Deposit bijih itu berumur 1,7 miliar tahun; kemudian, uranium-235 merupakan sekitar 3% dari total uranium di Bumi. Nilai ini cukup tinggi untuk memungkinkan terjadinya reaksi rantai fisi nuklir yang berkelanjutan, asalkan ada kondisi pendukung lainnya. Kapasitas sedimen sekitarnya untuk mengandung produk limbah nuklir yang mengancam kesehatan telah dikutip oleh pemerintah federal A.S. sebagai bukti pendukung kelayakan untuk menyimpan bahan bakar nuklir bekas di repositori limbah nuklir Gunung Yucca.

Kontaminasi dan warisan Perang Dingin

Cadangan senjata nuklir A.S. dan Uni Soviet/Rusia, 1945–2005

Uji coba nuklir di atas tanah oleh Uni Soviet dan Amerika Serikat pada 1950-an dan awal 1960-an dan oleh Prancis pada 1970-an dan 1980-an telah menyebabkan tersebarnya sejumlah besar luruhan dari isotop anak uranium di seluruh dunia. Luruhan dan polusi tambahan terjadi dari beberapa kecelakaan nuklir.

Penambang uranium memiliki insiden kanker yang lebih tinggi. Kelebihan risiko kanker paru-paru di antara penambang uranium Navajo, misalnya, telah didokumentasikan dan dikaitkan dengan pekerjaan mereka. UU Kompensasi Paparan Radiasi, undang-undang tahun 1990 di A.S., mewajibkan pembayaran sebesar AS$100.000 sebagai "bentuk balas budi" kepada penambang uranium yang didiagnosis menderita kanker atau penyakit pernapasan lainnya.

Selama Perang Dingin antara Uni Soviet dan Amerika Serikat, persediaan uranium yang sangat besar dikumpulkan dan puluhan ribu senjata nuklir dibuat menggunakan uranium yang diperkaya dan plutonium yang terbuat dari uranium. Setelah pecahnya Uni Soviet pada tahun 1991, diperkirakan 600 ton pendek (540 ton metrik) uranium tingkat senjata yang diperkaya tinggi (cukup untuk membuat 40.000 hulu ledak nuklir) telah disimpan di fasilitas yang seringkali tidak dijaga dengan baik di Federasi Rusia dan beberapa negara bekas Soviet lainnya. Dari tahun 1993 hingga 2005, polisi di Asia, Eropa, dan Amerika Selatan telah mencegat pengiriman uranium atau plutonium tingkat bom selundupan setidaknya 16 kali, yang sebagian besar berasal dari sumber bekas Soviet. Dari tahun 1993 hingga 2005, Program Perlindungan, Kontrol, dan Akuntansi Material, yang dioperasikan oleh pemerintah federal Amerika Serikat, menghabiskan sekitar AS$550 juta untuk membantu mengamankan cadangan uranium dan plutonium di Rusia. Uang ini digunakan untuk perbaikan dan peningkatan keamanan di fasilitas penelitian dan penyimpanan.

Keamanan fasilitas nuklir di Rusia telah meningkat secara signifikan sejak stabilisasi gejolak politik dan ekonomi pada awal 1990-an. Sebagai contoh, pada tahun 1993 terdapat 29 insiden dengan peringkat di atas level 1 pada Skala Kejadian Nuklir Internasional, dan jumlah ini turun di bawah empat per tahun pada tahun 1995–2003. Jumlah pekerja yang menerima dosis radiasi tahunan di atas 20 mSv, yang setara dengan satu pemindaian CT seluruh tubuh, mengalami penurunan tajam sekitar tahun 2000. Pada November 2015, pemerintah Rusia menyetujui program federal untuk keselamatan nuklir dan radiasi untuk tahun 2016 hingga 2030 dengan anggaran ₽562 miliar (sekitar AS$8 miliar). Masalah utamanya adalah "kewajiban yang ditangguhkan yang terakumulasi selama 70 tahun industri nuklir, terutama pada masa Uni Soviet". Sekitar 73% dari anggaran akan dihabiskan untuk penonaktifan reaktor nuklir dan fasilitas nuklir yang sudah tua dan usang, terutama yang terlibat dalam program pertahanan negara; 20% akan digunakan untuk pemrosesan dan pembuangan bahan bakar nuklir dan limbah radioaktif, dan 5% akan digunakan untuk memantau dan memastikan keselamatan nuklir dan radiasi.

Keterjadian

Asal

Bersama dengan semua unsur yang memiliki berat atom lebih tinggi dari besi, uranium hanya secara alami dibentuk oleh proses-r (penangkapan neutron cepat) dalam supernova dan tabrakan bintang neutron. Torium dan uranium primordial hanya diproduksi dalam proses-r, karena proses-s (penangkapan neutron lambat) dinilai terlalu lambat dan tidak dapat melewati celah ketidakstabilan setelah bismut. Selain dua isotop uranium primordial yang masih ada, ²³⁵U dan ²³⁸U, proses-r juga menghasilkan ²³⁶U dalam jumlah yang signifikan, yang memiliki waktu paruh lebih pendek dan juga merupakan sebuah radionuklida punah, yang telah lama meluruh sepenuhnya menjadi ²³²Th. Uranium-236 itu sendiri diperkaya oleh peluruhan ²⁴⁴Pu, terhitung untuk kelimpahan torium yang diamati lebih tinggi dari perkiraan dan kelimpahan uranium lebih rendah dari perkiraan. Meskipun kelimpahan alami uranium telah dilengkapi dengan peluruhan ²⁴²Pu yang telah punah (waktu paruh 0,375 juta tahun) dan ²⁴⁷Cm (waktu paruh 16 juta tahun), masing-masing menghasilkan ²³⁸U dan ²³⁵U, hal ini terjadi hampir dapat diabaikan karena waktu paruh kedua induk ini lebih pendek dan produksinya lebih rendah daripada ²³⁶U dan ²⁴⁴Pu, kedua induk torium: rasio ²⁴⁷Cm:²³⁵U pada pembentukan Tata Surya adalah (7,0±1,6)×10⁻⁵.

Biotik dan abiotik

Artikel utama: Uranium di lingkungan

Uraninit adalah bijih yang paling umum ditambang untuk mengekstraksi uranium.

Evolusi aliran panas radiogenik Bumi dari waktu ke waktu: kontribusi dari ²³⁵U berwarna merah dan dari ²³⁸U berwarna hijau

Uranium adalah unsur yang terjadi secara alami yang dapat ditemukan dalam kadar rendah di semua batuan, tanah, dan air. Uranium adalah unsur ke-51 dalam urutan kelimpahan di kerak Bumi. Uranium juga merupakan unsur dengan jumlah tertinggi yang ditemukan secara alami dalam jumlah yang signifikan di Bumi dan hampir selalu ditemukan berkombinasi dengan unsur lain. Peluruhan uranium, torium, dan kalium-40 di mantel Bumi dianggap sebagai sumber utama panas yang menjaga inti luar Bumi dalam keadaan cair dan mendorong konveksi mantel, yang pada gilirannya mendorong lempeng tektonik.

Konsentrasi rata-rata uranium di kerak Bumi adalah (tergantung referensi) 2 hingga 4 bagian per juta, atau sekitar 40 kali lebih melimpah daripada perak. Kerak Bumi dari permukaan hingga 25 km (15 mi) ke bawah diperkirakan mengandung 10¹⁷ kg (2×10¹⁷ lb) uranium sedangkan samudra mungkin mengandung 10¹³ kg (2×10¹³ lb). Konsentrasi uranium dalam tanah berkisar antara 0,7 hingga 11 bagian per juta (hingga 15 bagian per juta di tanah pertanian karena penggunaan pupuk fosfat), dan konsentrasinya dalam air laut adalah 3 bagian per miliar.

Uranium lebih banyak daripada antimon, timah, kadmium, raksa, atau perak, dan jumlahnya sama melimpahnya dengan arsen atau molibdenum. ditemukan dalam ratusan mineral, meliputi uraninit (bijih uranium yang paling umum), karnotit, autunit, uranofan, torbernit, dan kofinit. Konsentrasi uranium yang signifikan terjadi pada beberapa zat seperti endapan batuan fosfat, dan mineral seperti lignit, dan pasir monasit dalam bijih yang kaya uranium (ia diperoleh secara komersial dari sumber dengan uranium sesedikit 0,1%).

Beberapa bakteri, seperti Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens, dan beberapa galur Burkholderia fungorum, menggunakan uranium untuk pertumbuhannya dan mengubah U(VI) menjadi U(IV). Penelitian terbaru menunjukkan bahwa jalur ini mencakup reduksi U(VI) terlarut melalui keadaan pentavalen U(V) perantara. Organisme lain, seperti lumut Trapelia involuta atau mikroorganisme seperti bakteri Citrobacter, dapat menyerap konsentrasi uranium hingga 300 kali lipat dari lingkungannya. Spesies Citrobacter menyerap ion uranil ketika diberi gliserol fosfat (atau fosfat organik serupa lainnya). Setelah satu hari, satu gram bakteri dapat mengerakkan diri dengan sembilan gram kristal uranil fosfat; ini menciptakan kemungkinan bahwa organisme ini dapat digunakan dalam bioremediasi untuk mendekontaminasi air yang tercemar uranium. Proteobacterium Geobacter juga telah terbukti melakukan bioremediasi uranium dalam air tanah. Jamur mikoriza Glomus intraradices meningkatkan kandungan uranium di akar tanaman simbiotiknya.

Di alam, uranium(VI) membentuk kompleks karbonat yang sangat larut pada pH basa. Hal ini menyebabkan peningkatan mobilitas dan ketersediaan uranium ke air tanah dan tanah dari limbah nuklir yang menyebabkan bahaya kesehatan. Namun, sulit untuk mengendapkan uranium sebagai fosfat dengan adanya kelebihan karbonat pada pH basa. Galur Sphingomonas sp. BSAR-1 telah ditemukan dapat mengekspresikan fosfatase alkali (PhoK) aktivitas tinggi yang telah diterapkan untuk biopresipitasi uranium sebagai spesies uranil fosfat dari larutan alkalin. Kemampuan pengendapannya ditingkatkan dengan mengekspresikan protein PhoK secara berlebihan dalam E. coli.

Tumbuhan menyerap beberapa uranium dari tanah. Konsentrasi berat kering uranium dalam tumbuhan berkisar antara 5 hingga 60 bagian per miliar, dan abu dari kayu yang terbakar dapat memiliki konsentrasi hingga 4 bagian per juta. Konsentrasi uranium dalam berat kering pada tumbuhan pangan biasanya lebih rendah dengan satu hingga dua mikrogram per hari tertelan melalui makanan yang dimakan manusia.

Produksi dan penambangan

Artikel utama: Penambangan uranium

Produksi uranium di seluruh dunia pada tahun 2021 berjumlah 48.332 ton, dimana 21.819 t (45%) ditambang di Kazakhstan. Negara penambangan uranium penting lainnya adalah Namibia (5.753 t), Kanada (4.693 t), Australia (4.192 t), Uzbekistan (3.500 t), dan Rusia (2.635 t).

Bijih uranium ditambang dengan beberapa cara: dengan penambangan lubang terbuka, bawah tanah, pelindian in-situ, dan lubang bor (lihat penambangan uranium). Bijih uranium tingkat rendah yang ditambang biasanya mengandung 0,01 hingga 0,25% uranium oksida. Langkah-langkah ekstensif harus dilakukan untuk mengekstraksi logam dari bijihnya. Bijih bermutu tinggi yang ditemukan di deposit Cekungan Athabasca di Saskatchewan, Kanada rata-rata dapat mengandung hingga 23% uranium oksida. Bijih uranium dihancurkan dan dibuat menjadi bubuk halus dan kemudian dilindi dengan asam atau alkali. Air lindi mengalami salah satu dari beberapa urutan presipitasi, ekstraksi pelarut, dan pertukaran ion. Campuran yang dihasilkan, disebut yellowcake, mengandung sedikitnya 75% uranium oksida U₃O₈. Yellowcake kemudian dikalsinasi untuk menghilangkan kotoran dari proses penggilingan sebelum pemurnian dan konversi.

Uranium tingkat komersial dapat diproduksi melalui reduksi uranium halida dengan logam alkali atau alkali tanah. Logam uranium juga dapat dibuat melalui elektrolisis KUF₅ atau UF₄, dilarutkan dalam larutan kalsium klorida (CaCl₂) dan natrium klorida (NaCl) cair. Uranium yang sangat murni diproduksi melalui dekomposisi termal uranium halida pada filamen panas.

• 
  Produksi (tambang) dan permintaan uranium dunia
• 
  Yellowcake adalah campuran oksida uranium pekat yang disempurnakan lebih lanjut untuk mengekstrak uranium murni.
• 
  Produksi uranium tahun 2015, dalam ton

Sumber daya dan cadangan

Harga uranium 1990–2022.

Diperkirakan ada 6,1 juta ton uranium dalam cadangan bijih yang layak secara ekonomi dengan harga AS$130 per kg uranium, sementara 35 juta ton digolongkan sebagai sumber daya mineral (prospek yang masuk akal untuk ekstraksi ekonomi pada akhirnya).

Australia memiliki 28% dari cadangan bijih uranium dunia yang diketahui dan deposit uranium tunggal terbesar di dunia terletak di Tambang Olympic Dam di Australia Selatan. Terdapat pula cadangan uranium yang signifikan di Bakouma, sebuah subprefektur di prefektur Mbomou di Republik Afrika Tengah.

Beberapa uranium juga berasal dari senjata nuklir yang dibongkar. Misalnya, pada tahun 1993–2013 Rusia memasok Amerika Serikat dengan 15.000 ton uranium yang diperkaya rendah dalam Program Megatons to Megawatts.

Tambahan 4,6 miliar ton uranium diperkirakan terlarut dalam air laut (ilmuwan Jepang pada 1980-an menunjukkan bahwa ekstraksi uranium dari air laut menggunakan penukar ion secara teknis layak dilakukan). Terdapat percobaan untuk mengekstraksi uranium dari air laut, tetapi hasilnya rendah karena kandungan karbonat di dalam air. Pada tahun 2012, peneliti ORNL mengumumkan keberhasilan pengembangan bahan penyerap baru yang dijuluki HiCap yang melakukan retensi permukaan molekul padat atau gas, atom atau ion dan juga secara efektif menghilangkan logam beracun dari air, menurut hasil yang diverifikasi oleh para peneliti di Laboratorium Nasional Pacific Northwest.

Persediaan

Artikel utama: Pasar uranium

Harga spot uranium bulanan dalam AS$ per pon. Puncak harga 2007 terlihat jelas.

Pada tahun 2005, sepuluh negara menyumbang mayoritas oksida uranium terkonsentrasi di dunia: Kanada (27,9%), Australia (22,8%), Kazakhstan (10,5%), Rusia (8,0%), Namibia (7,5%), Niger (7,4%), Uzbekistan (5,5%), Amerika Serikat (2,5%), Argentina (2,1%), dan Ukraina (1,9%). Pada tahun 2008, Kazakhstan diperkirakan akan meningkatkan produksi dan menjadi pemasok uranium terbesar di dunia pada tahun 2009. Prediksi tersebut menjadi kenyataan, dan Kazakhstan memang mendominasi pasar uranium dunia sejak tahun 2010. Pada tahun 2021, pangsanya mencapai 45,1%, diikuti oleh Namibia (11,9%), Kanada (9,7%), Australia (8,7%), Uzbekistan (7,2%), Niger (4,7%), Rusia (5,5%), Tiongkok (3,9%), India (1,3%), Ukraina (0,9%), dan Afrika Selatan (0,8%), dengan total produksi dunia sebesar 48.332 ton. Sebagian besar uranium diproduksi bukan melalui penambangan bijih bawah tanah konvensional (29% dari produksi), tetapi melalui pelindian in-situ (66%).

Pada akhir 1960-an, ahli geologi PBB juga menemukan endapan uranium utama dan cadangan mineral langka lainnya di Somalia. Penemuan itu adalah yang terbesar dari jenisnya, dengan pakar industri memperkirakan simpanan itu memiliki lebih dari 25% dari cadangan uranium dunia yang diketahui saat itu sebanyak 800.000 ton.

Pasokan akhir yang tersedia diyakini cukup untuk setidaknya 85 tahun ke depan, meskipun beberapa penelitian menunjukkan kurangnya investasi di akhir abad ke-20 dapat menimbulkan masalah pasokan di abad ke-21. Endapan uranium tampaknya berdistribusi log-normal. Ada peningkatan 300 kali lipat dalam jumlah uranium yang dapat diperoleh kembali untuk setiap penurunan sepuluh kali lipat kadar bijih. Dengan kata lain, terdapat sedikit bijih berkadar tinggi dan secara proporsional jauh lebih banyak bijih berkadar rendah yang tersedia.

Senyawa

Reaksi logam uranium

Keadaan oksidasi dan oksida

Oksida

Triuranium oktoksida (kiri) dan uranium dioksida (kanan) adalah dua uranium oksida yang paling umum.

Yellowcake uranium yang dikalsinasi, seperti yang diproduksi di banyak pabrik besar, berisi distribusi spesies oksidasi uranium dalam berbagai bentuk mulai dari yang paling teroksidasi hingga yang paling tidak teroksidasi. Partikel dengan waktu tinggal yang singkat dalam pengalsinasi umumnya akan kurang teroksidasi dibandingkan dengan waktu retensi yang lama atau partikel yang diperoleh kembali dalam stack scrubber. Kandungan uranium biasanya mengacu pada U₃O₈, yang berasal dari masa Proyek Manhattan ketika U₃O₈ digunakan sebagai standar pelaporan kimia analitik.

Hubungan fase dalam sistem uranium-oksigen sangat kompleks. Keadaan oksidasi uranium yang paling penting adalah uranium(IV) dan uranium(VI), dan dua oksida yang bersesuaian adalah uranium dioksida (UO₂) dan uranium trioksida (UO₃). Uranium oksida lainnya seperti uranium monoksida (UO), diuranium pentoksida (U₂O₅), dan uranium peroksida (UO₄·2H₂O) juga eksis.

Bentuk uranium oksida yang paling umum adalah triuranium oktoksida (U₃O₈) dan UO₂. Kedua bentuk oksida tersebut adalah padatan yang memiliki kelarutan rendah dalam air dan relatif stabil pada berbagai kondisi lingkungan. Triuranium oktoksida adalah (tergantung kondisi) senyawa uranium yang paling stabil dan merupakan bentuk yang paling banyak ditemukan di alam. Uranium dioksida adalah bentuk uranium yang paling umum digunakan sebagai bahan bakar reaktor nuklir. Pada suhu sekitar, UO₂ secara bertahap akan berubah menjadi U₃O₈. Karena kestabilannya, uranium oksida umumnya dianggap sebagai bentuk kimia yang disukai untuk penyimpanan atau pembuangan.

Kimia berair

Uranium dalam keadaan oksidasi III, IV, V, VI

Garam uranium dari banyak keadaan oksidasi bersifat larut dalam air dan dapat dipelajari dalam larutan berair. Bentuk ionik yang paling umum adalah U³⁺ (coklat kemerahan), U⁴⁺ (hijau), UO+2 (tak stabil), dan UO2+2 (kuning), untuk U(III), U(IV), U(V), dan U(VI), masing-masing. Beberapa senyawa padat dan semilogam seperti UO dan US terdapat pada keadaan oksidasi formal uranium(II), tetapi tidak ada ion sederhana yang diketahui eksis dalam larutan untuk keadaan tersebut. Ion U³⁺ membebaskan hidrogen dari air dan karena itu dianggap sangat tidak stabil. Ion UO2+2 mewakili keadaan uranium(VI) dan diketahui membentuk senyawa seperti uranil karbonat, uranil klorida, dan uranil sulfat. UO2+2 juga membentuk kompleks dengan berbagai bahan pengelat organik, yang paling sering dijumpai adalah uranil asetat.

Tidak seperti garam uranil dari uranium dan bentuk kationik uranium-oksida ion poliatomik, uranat, garam yang mengandung anion poliatomik uranium-oksida, umumnya tidak larut dalam air.

Karbonat

Interaksi anion karbonat dengan uranium(VI) menyebabkan diagram Pourbaix berubah sangat besar ketika medium diubah dari air menjadi larutan yang mengandung karbonat. Walaupun sebagian besar karbonat tidak larut dalam air (siswa sering diajari bahwa semua karbonat selain logam alkali tidak larut dalam air), uranium karbonat sering larut dalam air. Hal ini dikarenakan kation U(VI) mampu mengikat dua oksida terminal dan tiga atau lebih karbonat untuk membentuk kompleks anionik.

Diagram Pourbaix

Uranium dalam media berair yang tidak membentuk kompleks (misalnya asam perklorat/natrium hidroksida).	Uranium dalam larutan karbonat
Konsentrasi relatif dari berbagai bentuk kimia uranium dalam media berair yang tidak membentuk kompleks (misalnya asam perklorat/natrium hidroksida).	Konsentrasi relatif dari berbagai bentuk kimia uranium dalam larutan karbonat berair.

Pengaruh pH

Diagram fraksi uranium dengan adanya karbonat mengilustrasikan hal ini lebih lanjut: ketika pH larutan uranium(VI) meningkat, uranium diubah menjadi uranium oksida hidroksida terhidrasi dan pada pH tinggi menjadi kompleks hidroksida anionik.

Ketika karbonat ditambahkan, uranium diubah menjadi serangkaian kompleks karbonat jika pH dinaikkan. Salah satu efek dari reaksi ini adalah peningkatan kelarutan uranium dalam kisaran pH 6 hingga 8, sebuah fakta yang memiliki pengaruh langsung pada stabilitas jangka panjang bahan bakar nuklir uranium dioksida bekas.

Hidrida, karbida, dan nitrida

Logam uranium yang dipanaskan hingga suhu 250 hingga 300 °C (482 hingga 572 °F) bereaksi dengan hidrogen untuk membentuk uranium hidrida. Bahkan, suhu yang lebih tinggi akan menghilangkan hidrogen secara reversibel. Sifat ini membuat uranium hidrida menjadi bahan awal yang nyaman untuk membuat bubuk uranium reaktif bersama dengan berbagai senyawa uranium karbida, nitrida, dan halida. Ada dua modifikasi kristal uranium hidrida: bentuk α yang diperoleh pada suhu rendah dan bentuk β yang dibuat ketika suhu formasi berada di atas 250 °C.

Uranium karbida dan nitrida merupakan senyawa semilogam yang relatif lengai yang sedikit larut dalam asam, bereaksi dengan air, dan dapat menyala di udara untuk membentuk U₃O₈. Karbida uranium meliputi uranium monokarbida (UC), uranium dikarbida (UC₂), dan diuranium trikarbida (U₂C₃). Baik UC maupun UC₂ dibentuk dengan menambahkan karbon pada uranium cair atau dengan memaparkan logam uranium pada karbon monoksida pada suhu tinggi. Stabil di bawah suhu 1800 °C, U₂C₃ dibuat dengan menggunakan campuran UC dan UC₂ yang dipanaskan pada tekanan mekanis. Uranium nitrida diperoleh dengan pemaparan langsung logam uranium pada nitrogen, meliputi uranium mononitrida (UN), uranium dinitrida (UN₂), dan diuranium trinitrida (U₂N₃).

Halida

Uranium heksafluorida adalah bahan baku yang digunakan untuk memisahkan uranium-235 dari uranium alami.

Semua uranium fluorida dibuat menggunakan uranium tetrafluorida (UF₄); UF₄ sendiri dibuat melalui hidrofluorinasi uranium dioksida. Reduksi UF₄ dengan hidrogen pada suhu 1000 °C menghasilkan uranium trifluorida (UF₃). Di bawah kondisi suhu dan tekanan yang tepat, reaksi UF₄ dengan gas uranium heksafluorida (UF₆) dapat membentuk fluorida intermediat U₂F₉, U₄F₁₇, dan UF₅.

Pada suhu kamar, UF₆ memiliki tekanan uap yang tinggi, membuatnya berguna dalam proses difusi gas untuk memisahkan uranium-235 yang langka dari isotop uranium-238 yang umum. Senyawa ini dapat dibuat dari uranium dioksida dan uranium hidrida dengan proses berikut:

UO₂ + 4 HF → UF₄ + 2 H₂O (500 °C, endotermik)

UF₄ + F₂ → UF₆ (350 °C, endotermik)

UF₆ yang dihasilkan, berupa padatan putih, bersifat sangat reaktif (melalui fluorinasi), mudah menyublim (memancarkan uap yang berperilaku seperti gas hampir ideal), dan merupakan senyawa uranium yang paling volatil yang pernah ada.

Salah satu metode pembuatan uranium tetraklorida (UCl₄) adalah dengan langsung menggabungkan klorin dengan logam uranium atau uranium hidrida. Reduksi UCl₄ oleh hidrogen akan menghasilkan uranium triklorida (UCl₃) sedangkan klorida uranium yang lebih tinggi dibuat melalui reaksi dengan klorin tambahan. Semua uranium klorida bereaksi dengan air dan udara.

Bromida dan iodida uranium dibentuk melalui reaksi langsung, masing-masing, antara bromin dan iodin dengan uranium atau dengan menambahkan UH₃ ke dalam asam unsur tersebut. Contoh yang dikenal meliputi: UBr₃, UBr₄, UI₃, dan UI₄. UI₅ belum pernah disiapkan. Uranium oksihalida bersifat larut dalam air dan meliputi UO₂F₂, UOCl₂, UO₂Cl₂, dan UO₂Br₂. Stabilitas oksihalida menurun dengan meningkatnya berat atom komponen halida.

Isotop

Artikel utama: Isotop uranium

Uranium, seperti semua unsur dengan nomor atom lebih besar dari 82, tidak memiliki isotop stabil. Semua isotop uranium bersifat radioaktif karena gaya nuklir kuat tidak mengalahkan tolakan elektromagnetik dalam nuklida yang mengandung lebih dari 82 proton. Namun demikian, dua isotop yang paling stabil, uranium-238 dan uranium-235, memiliki waktu paruh yang cukup lama untuk terjadi di alam sebagai radionuklida primordial, dengan jumlah terukur yang bertahan sejak pembentukan Bumi. Kedua nuklida ini, bersama dengan torium-232, adalah nuklida primordial yang dikonfirmasi lebih berat daripada bismut-209 yang hampir stabil.

Uranium alami terdiri dari tiga isotop utama: uranium-238 (99,28% kelimpahan alami), uranium-235 (0,71%), dan uranium-234 (0,0054%). Ada juga empat isotop renik lainnya: uranium-239, yang terbentuk ketika ²³⁸U mengalami fisi spontan, melepaskan neutron yang ditangkap oleh atom ²³⁸U; uranium-237, yang terbentuk ketika ²³⁸U menangkap sebuah neutron tetapi memancarkan dua lagi, yang kemudian meluruh menjadi neptunium-237; uranium-236, yang terjadi dalam jumlah kecil akibat penangkapan neutron pada ²³⁵U dan sebagai produk peluruhan plutonium-244; dan terakhir, uranium-233, yang terbentuk dalam rantai peluruhan neptunium-237.

Uranium-238 adalah isotop uranium yang paling stabil, dengan waktu paruh sekitar 4,463×10⁹ tahun, kira-kira seusia Bumi. Uranium-238 sebagian besar merupakan pemancar alfa, meluruh menjadi torium-234. Ia akhirnya meluruh melalui deret uranium, yang memiliki 18 anggota, menjadi timbal-206. Uranium-238 bukan merupakan isotop fisil, tetapi subur, karena setelah aktivasi neutron, ia dapat diubah menjadi plutonium-239, isotop fisil lainnya. Memang, inti ²³⁸U dapat menyerap satu neutron untuk menghasilkan isotop radioaktif uranium-239. ²³⁹U meluruh melalui emisi beta menjadi neptunium-239, juga merupakan pemancar beta, yang pada gilirannya meluruh, dalam beberapa hari menjadi plutonium-239. ²³⁹Pu digunakan sebagai bahan fisil dalam bom atom pertama yang diledakkan dalam "uji Trinity" pada 15 Juli 1945 di New Mexico.

Uranium-235 memiliki waktu paruh sekitar 7,04×10⁸ tahun; ia adalah isotop uranium paling stabil berikutnya setelah ²³⁸U dan juga sebagian besar merupakan pemancar alfa, meluruh menjadi torium-231. Uranium-235 merupakan isotop yang penting untuk reaktor nuklir dan senjata nuklir, karena ia merupakan satu-satunya isotop uranium yang ada di alam dalam jumlah signifikan yang bersifat fisil. Ini berarti ia dapat dipecah menjadi dua atau tiga fragmen (produk fisi) oleh neutron termal. Rantai peluruhan ²³⁵U, yang disebut deret aktinium, memiliki 15 anggota dan akhirnya meluruh menjadi timbal-207. Laju peluruhan yang konstan dalam deret peluruhan ini membuat perbandingan rasio unsur induk dan unsur anak berguna dalam penanggalan radiometrik.

Uranium-236 memiliki waktu paruh 2,342×10⁷ tahun dan tidak ditemukan dalam jumlah yang signifikan di alam. Waktu paruh uranium-236 terlalu pendek untuk disebut primordial, meskipun ia telah diidentifikasi sebagai nenek moyang yang telah punah dari anak peluruhan alfanya, torium-232. Uranium-236 terjadi pada bahan bakar nuklir bekas ketika penangkapan neutron pada ²³⁵U tidak menyebabkan fisi, atau sebagai produk peluruhan plutonium-240. Uranium-236 bersifat tidak subur, karena diperlukan tiga penangkapan neutron lagi untuk menghasilkan ²³⁹Pu yang bersifat fisil, dan ia sendiri tidak bersifat fisil; dengan demikian, ia dianggap limbah radioaktif berumur panjang.

Uranium-234 adalah anggota deret uranium dan terjadi dalam kesetimbangan dengan nenek moyangnya, ²³⁸U; ia mengalami peluruhan alfa dengan waktu paruh 245.500 tahun dan meluruh menjadi timbal-206 melalui serangkaian isotop yang berumur relatif pendek.

Uranium-233 mengalami peluruhan alfa dengan waktu paruh 160.000 tahun dan, seperti ²³⁵U, bersifat fisil. Ia dapat dibiakkan dari torium-232 melalui pemborbardiran neutron, biasanya dalam reaktor nuklir; proses ini dikenal sebagai siklus bahan bakar torium. Karena fisilitas ²³³U dan kelimpahan alami torium yang lebih besar (tiga kali lipat uranium), ²³³U telah diselidiki untuk digunakan sebagai bahan bakar nuklir sebagai alternatif yang mungkin untuk ²³⁵U dan ²³⁹Pu, meskipun ia tidak digunakan secara luas hingga 2022. Rantai peluruhan uranium-233 merupakan bagian dari deret neptunium dan berakhir pada bismut-209 yang hampir stabil (waktu paruh 2,01×10¹⁹ tahun) dan talium-205 yang stabil.

Uranium-232 adalah sebuah pemancar alfa dengan waktu paruh 68,9 tahun. Isotop ini diproduksi sebagai produk sampingan dalam produksi ²³³U dan dianggap sebagai gangguan, karena ia tidak bersifat fisil dan meluruh melalui pemancar alfa dan gama seperti ²⁰⁸Tl. Torium-232 juga diperkirakan dapat mengalami peluruhan beta ganda, yang akan menghasilkan uranium-232, tetapi hal ini belum diamati secara eksperimental.

Semua isotop dari ²³²U hingga ²³⁶U memiliki cabang peluruhan gugus minor (kurang dari 10⁻¹⁰%), dan semua bar ²³³U ini, selain ²³⁸U, memiliki cabang fisi spontan minor; rasio percabangan terbesar untuk fisi spontan adalah sekitar 5×10⁻⁵% untuk ²³⁸U, atau sekitar satu dari setiap dua juta peluruhan. Isotop renik berumur pendek ²³⁷U dan ²³⁹U secara eksklusif mengalami peluruhan beta, dengan waktu paruh masing-masing 6,752 hari dan 23,45 menit.

Secara total, 28 isotop uranium telah diidentifikasi, mulai dari nomor massa 214 hingga 242, dengan pengecualian 220. Di antara isotop uranium yang tidak ditemukan dalam sampel alami atau bahan bakar nuklir, isotop uranium yang berumur paling panjang adalah ²³⁰U, sebuah pemancar alfa dengan waktu paruh 20,23 hari. Isotop ini telah dipertimbangkan untuk digunakan dalam terapi partikel alfa bertarget (TAT). Semua isotop lainnya memiliki waktu paruh lebih pendek dari satu jam, kecuali ²³¹U (waktu paruh 4,2 hari) dan ²⁴⁰U (waktu paruh 14,1 jam). Isotop berumur terpendek yang diketahui adalah ²²¹U, dengan waktu paruh 660 nanodetik, dan diperkirakan ²²⁰U yang hingga sekarang tidak diketahui memiliki waktu paruh yang bahkan lebih pendek. Isotop kaya proton yang lebih ringan dari ²³²U utamanya mengalami peluruhan alfa, kecuali ²²⁹U dan ²³¹U, yang masing-masing meluruh menjadi isotop protaktinium melalui emisi positron dan penangkapan elektron; ²⁴⁰U dan ²⁴²U yang kaya neutron mengalami peluruhan beta untuk membentuk isotop neptunium.

Pengayaan

Artikel utama: Uranium yang diperkaya

Sekumpulan pemusing gas digunakan untuk memperkaya bijih uranium untuk memusatkan isotop fisilnya.

Di alam, uranium ditemukan sebagai uranium-238 (99,2742%) dan uranium-235 (0,7204%). Pemisahan isotop memusatkan (memperkaya) uranium-235 yang fisil untuk senjata nuklir dan sebagian besar pembangkit listrik tenaga nuklir, kecuali untuk reaktor berpendingin gas dan reaktor air berat bertekanan. Sebagian besar neutron yang dilepaskan oleh pemfisian atom uranium-235 harus berdampak pada atom uranium-235 lainnya untuk mempertahankan reaksi rantai nuklir. Konsentrasi dan jumlah uranium-235 yang dibutuhkan untuk mencapai ini disebut 'massa kritis'.

Untuk dianggap 'diperkaya', fraksi uranium-235 harus antara 3% dan 5%. Proses ini menghasilkan uranium dalam jumlah besar, yang merupakan uranium-235 terdeplesi dan dengan fraksi uranium-238 yang meningkat, yang disebut uranium terdeplesi atau 'DU'. Untuk dianggap 'terdeplesi', konsentrasi isotop uranium-235 tidak boleh lebih dari 0,3%. Harga uranium telah meningkat sejak tahun 2001, sehingga tailing pengayaan yang mengandung lebih dari 0,35% uranium-235 sedang dipertimbangkan untuk pengayaan ulang, mendorong harga uranium heksafluorida terdeplesi di atas AS$130 per kilogram pada Juli 2007 dari AS$5 pada tahun 2001.

Proses sentrifugasi gas, di mana gas uranium heksafluorida (UF₆) dipisahkan oleh perbedaan berat molekul antara ²³⁵UF₆ dan ²³⁸UF₆ menggunakan pemusing berkecepatan tinggi, merupakan proses pengayaan termurah dan terdepan. Proses difusi gas telah menjadi metode utama untuk pengayaan dan digunakan dalam Proyek Manhattan. Dalam proses ini, uranium heksafluorida berulang kali terdifusi melalui membran perak-seng, dan berbagai isotop uranium dipisahkan oleh laju difusi (karena uranium-238 lebih berat, ia berdifusi sedikit lebih lambat daripada uranium-235). Metode pemisahan isotop laser molekuler (MLIS) menggunakan sinar laser berenergi tepat untuk memutuskan ikatan antara uranium-235 dan fluorin. Ini membuat uranium-238 terikat pada fluorin dan memungkinkan logam uranium-235 mengendap dari larutan. Metode pengayaan laser alternatif dikenal sebagai pemisahan isotop laser uap atom (AVLIS) dan menggunakan laser yang dapat diatur yang dapat terlihat seperti laser pewarna. Metode lain yang digunakan adalah difusi termal cair.

Satu-satunya penyimpangan yang signifikan dari rasio ²³⁵U terhadap ²³⁸U dalam sampel alami yang diketahui terjadi di Oklo, Gabon, di mana reaktor fisi nuklir alami mengonsumsi sebagian dari ²³⁵U sekitar dua miliar tahun yang lalu ketika rasio ²³⁵U terhadap ²³⁸U lebih mirip dengan uranium yang diperkaya rendah yang memungkinkan air biasa ("ringan") untuk bertindak sebagai moderator neutron mirip dengan proses dalam reaktor air ringan buatan manusia. Adanya reaktor fisi alami yang telah diprediksi secara teoretis sebelumnya terbukti dengan ditemukannya sedikit penyimpangan konsentrasi ²³⁵U dari nilai yang diperkirakan selama pengayaan uranium di Prancis. Investigasi selanjutnya untuk mengesampingkan tindakan jahat manusia (seperti pencurian ²³⁵U) mengkonfirmasi teori itu dengan menemukan rasio isotop produk fisi umum (atau lebih tepatnya nuklida anak stabil mereka) sejalan dengan nilai yang diperkirakan untuk fisi tetapi menyimpang dari nilai yang diharapkan untuk sampel turunan non-fisi dari unsur-unsur tersebut.

Paparan manusia

Seseorang dapat terpapar uranium (atau anak radioaktifnya, seperti radon) dengan menghirup debu di udara atau dengan menelan air dan makanan yang terkontaminasi. Jumlah uranium di udara biasanya sangat kecil; namun, orang-orang yang bekerja di pabrik yang memproses pupuk fosfat, tinggal di dekat fasilitas pemerintah yang membuat atau menguji senjata nuklir, tinggal atau bekerja di dekat medan perang modern di mana senjata uranium terdeplesi telah digunakan, atau tinggal atau bekerja di dekat pembangkit listrik tenaga batu bara, fasilitas yang menambang atau memproses bijih uranium, atau pengayaan uranium untuk bahan bakar reaktor, mungkin mengalami peningkatan paparan uranium. Rumah atau bangunan yang berada di atas deposit uranium (endapan terak alami atau buatan manusia) mungkin memiliki peningkatan paparan gas radon. Administrasi Keselamatan dan Kesehatan Kerja (OSHA) telah menetapkan batas paparan yang diizinkan untuk paparan uranium di tempat kerja sebesar 0,25 mg/m³ selama 8 jam hari kerja. Institut Nasional untuk Keselamatan dan Kesehatan Kerja (NIOSH) telah menetapkan batas paparan yang direkomendasikan (REL) sebesar 0,2 mg/m³ selama 8 jam hari kerja dan batas jangka pendek sebesar 0,6 mg/m³. Pada kadar 10 mg/m³, uranium langsung berbahaya bagi kehidupan dan kesehatan.

Sebagian besar uranium yang tertelan dikeluarkan selama proses pencernaan. Hanya 0,5% yang diserap ketika bentuk uranium yang tidak larut, seperti oksidanya, dicerna, sedangkan penyerapan ion uranil yang lebih larut dapat mencapai 5%. Namun, senyawa uranium yang larut cenderung cepat melewati tubuh, sedangkan senyawa uranium yang tidak larut, terutama ketika terhirup melalui debu ke dalam paru-paru, menimbulkan bahaya yang lebih serius. Setelah memasuki aliran darah, uranium yang diserap cenderung terbioakumulasi dan tinggal selama bertahun-tahun di jaringan tulang karena afinitas uranium terhadap fosfat. Uranium yang masuk akan menjadi ion uranil, yang menumpuk di tulang, hati, ginjal, dan jaringan reproduksi.

Toksisitas radiologis dan kimiawi uranium digabungkan oleh fakta bahwa unsur-unsur dengan nomor atom tinggi seperti uranium menunjukkan radiotoksisitas sekunder meskipun penyerapan gama latar belakang dan sinar-X alami serta emisi ulang fotoelektron, yang dikombinasikan dengan afinitas tinggi uranium ke gugus fosfat DNA menyebabkan peningkatan jumlah pemutusan DNA untai tunggal dan ganda.

Uranium tidak diserap melalui kulit, dan partikel alfa yang dikeluarkan oleh uranium tidak dapat menembus kulit.

Uranium dapat didekontaminasi dari permukaan baja dan dan akuifer.

Efek dan pencegahan

Fungsi normal ginjal, otak, hati, jantung, dan sistem lain dapat dipengaruhi oleh paparan uranium, karena, selain bersifat radioaktif lemah, uranium adalah logam beracun. Uranium juga merupakan racun reproduktif. Efek radiologi umumnya bersifat lokal karena radiasi alfa, bentuk utama peluruhan ²³⁸U, memiliki jangkauan yang sangat pendek, dan tidak akan menembus kulit. Radiasi alfa dari uranium yang dihirup telah terbukti menyebabkan kanker paru-paru pada pekerja nuklir yang terpapar. Walaupun CDC telah menerbitkan satu penelitian bahwa tidak ada kanker pada manusia yang terlihat akibat paparan uranium alami atau terdeplesi, paparan uranium dan produk peluruhannya, terutama radon, merupakan ancaman kesehatan yang signifikan. Paparan terhadap stronsium-90, iodin-131, dan produk fisi lainnya tidak terkait dengan paparan uranium, tetapi dapat terjadi akibat prosedur medis atau paparan bahan bakar reaktor bekas atau luruhan dari senjata nuklir.

Meskipun paparan penghirupan yang tidak disengaja terhadap uranium heksafluorida konsentrasi tinggi telah mengakibatkan kematian manusia, kematian tersebut dikaitkan dengan pembentukan asam fluorida dan uranil fluorida yang sangat beracun daripada dengan uranium itu sendiri. Logam uranium yang terbelah halus menimbulkan bahaya kebakaran karena uranium bersifat piroforik; butiran kecilnya akan menyala secara spontan di udara pada suhu kamar.

Logam uranium biasanya ditangani dengan sarung tangan sebagai tindakan pencegahan yang memadai. Konsentrat uranium ditangani dan disimpan untuk memastikan bahwa orang tidak menghirup atau menelannya.

Lihat pula

• Daftar kecelakaan dan insiden nuklir
• Daftar negara menurut cadangan uranium
• Daftar negara menurut produksi uranium
• Daftar proyek uranium
• Fisika nuklir
• Ikatan rangkap lima (sebelumnya dianggap sebagai ikatan Phi), dalam molekul U₂
• Kecelakaan dan insiden nuklir
• Residu K-65
• Siklus bahan bakar nuklir
• Siklus bahan bakar torium
• Teknik nuklir
• World Uranium Hearing

Referensi

• Emsley, John (2001). "Uranium". Nature's Building Blocks: An A to Z Guide to the Elements. Oxford: Oxford University Press. hlm. 476–482. ISBN 978-0-19-850340-8. 
• Seaborg, Glenn T. (1968). "Uranium". The Encyclopedia of the Chemical Elements. Skokie, Illinois: Reinhold Book Corporation. hlm. 773–786. LCCN 68029938. 

Pranala luar

• (Inggris) Data dan analisis bahan bakar nuklir dari Administrasi Informasi Energi A.S.
• (Inggris) Harga pasar uranium saat ini
• (Inggris) Peta deposit uranium dunia
• (Inggris) Bibliografi beranotasi untuk uranium dari Perpustakaan Digital Alsos
• (Inggris) Bank Data Zat Berbahaya NLM—Uranium, Radioaktif
• (Inggris) CDC – Panduan Saku NIOSH untuk Bahaya Kimia
• (Inggris) Penambangan Uranium di Tambang Langer Heinrich, Namibia
• (Inggris) Berita Nuklir Dunia
• (Inggris) Studi Kasus ATSDR dalam Pengobatan Lingkungan: Toksisitas Uranium Departemen Kesehatan dan Layanan Masyarakat A.S.
• (Inggris) Uranium di The Periodic Table of Videos (Universitas Nottingham)