Thorium

Thorium
Basisdata
Navn		Thorium
Symbol		Th
Atomnummer		90
Utseende		sølvhvitt
Plass i periodesystemet
Gruppe		n/a
Periode		7
Blokk		f
Kjemisk serie		aktinoid
Atomegenskaper
Atomvekt		232.03806(2) g/mol
Empirisk atomradius		180 pm
Kalkulert atomradius		MV pm
Kovalent atomradius		105 pm
Elektronkonfigurasjon		[Rn]6d27s2
Elektroner per energinivå		2,8,18,32,18,10,2
Oksidasjonstilstander		4
Krystallstruktur		flatesentrert kubisk
Fysiske egenskaper
Stofftilstand		fast stoff
Smeltepunkt		1 842°C
Kokepunkt		4 788 °C
Molart volum		19,9·10-5 m³/mol
Tetthet		11,7 g/cm³
Hardhet		3,0 (Mohs skala)
Kritisk temperatur		MV °C
Kritisk trykk		MV bar
Kritisk tetthet		MV g/L
Fordampningsvarme		514,4 kJ/mol
Smeltevarme		16,10 kJ/mol
Damptrykk		MV Pa
Lydfart		2 490 m/s ved 20 °C
Diverse
Elektronegativitet etter Pauling-skalaen		1,3
Spesifikk varmekapasitet		MV J/(kg·K)
Elektrisk ledningsevne		147 n&Omega m
Termisk konduktivitet		54,0 W/(m·K)
Første ionisasjonspotensial		6.08 eV
Andre ionisasjonspotensial		20.003 eV
Tredje ionisasjonspotensial		20.003 eV
SI-enheter & STP er brukt, hvis ikke annet er nevnt. MV = Manglende verdi – legg gjerne inn.

Thorium er et radioaktivt grunnstoff med atomnummer 90 og kjemisk symbol Th. Det er et aktinoid.

Historie

Thorium ble oppdaget i 1828 av den svenske kjemikeren Jöns Jakob Berzelius i forbindelse med analyser av et nytt mineral som Morten Thrane Esmark hadde funnet på Løvøya ved Brevik i Langesundsfjorden. Thorium hadde ikke noe bruksområde før gasslamper med glødenett ble oppfunnet i 1885. I 1898 oppdaget Marie Curie og Gerhard Schmidt, hver for seg, at thorium er radioaktivt.

Grunnstoffet og mineralet (Thoritt) ble oppkalt etter den norrøne «tordenguden» Tor. Thorium ble i 2019 kåret til Norges nasjonalgrunnstoff.

Thoriumatomets elektronskall

Egenskaper

Thorium er et sølvhvitt radioaktivt metall som tilhører aktinoidene. Helt rent thorium er mykt og formbart, og kan kaldvalses. Det beholder overflateglansen i opptil flere måneder, men ved kontakt med oksygen dannes thoriumdioksid og overflaten blir gradvis grå, så svart.

Thorium angripes langsomt av vann, og løses langsomt opp av fortynnede syrer (flussyre, salpetersyre og svovelsyre) og konsentrerte syrer (saltsyre og fosforsyre). I varm salpetersyre og kongevann løses det raskt opp. Thorium brenner i luft med en hvit lysende flamme.

Thoriumdioksid (ThO₂) har et av de høyeste kokepunktene (3300 °C) blant oksidene.

Isotoper

Thorium har ingen stabile isotoper. Naturlig forekommende thorium består utelukkende av den ustabile (og dermed radioaktive) isotopen ²³²Th med halveringstid 1,405 × 10¹⁰ år. I tillegg er 29 kunstig fremstilte isotoper kjent. De mest stabile av disse er ²³⁰Th med halveringstid 75 380 år, ²²⁹Th med halveringstid 7 340 år, ²²⁸Th med halveringstid 1,9116 år, ²³⁴Th med halveringstid 24,10 døgn, ²²⁷Th med halveringstid 18,72 døgn, og ²³¹Th med halveringstid 25,52 timer. Alle de resterende isotopene har halveringstider kortere enn 1 time, og de fleste kortere enn 10 minutter.

Atomvekten til thoriumisotopene varierer mellom 212 u (²¹²Th) og 236 u (²³⁶Th).

CAS-nummer: 7440-29-1

Forekomst

En bit med (litt korrodert) thorium

Fensfeltets beliggenhet i Telemark

Thoriumreservene i verden er beregnet til (i tonn):
360 000 i India
300 000 i Australia
170 000 i Norge
160 000 i USA
100 000 i Canada
35 000 i Sør-Afrika
16 000 i Brasil
95 000 tonn i andre land.

Disse dataene er usikre fordi det i dag er begrenset kommersiell produksjon av thorium, og data varierer endel mellom forskjellige kilder. Enkelte kilder har vesentlig høyere anslag for for eksempel Brasil, Kasakhstan og Russland og fører til at norsk forekomst rangeres fra tredje- til syvendeplass.

Thorium forekommer i små mengder i de aller fleste berg- og jordarter. Det forekommer omtrent tre ganger så hyppig som uran og omtrent like hyppig som bly. De fleste jordarter har en thoriumtetthet på omtrent 6 ppm. Thorium forekommer også i flere mineraler, i hovedsak monazitt, som inneholder omtrent 12% thoriumoksid, og som forekommer i større mengder i flere land. Mineralet er svært motstandsdyktig mot forvitring og kan enkelte steder hentes løst sammen med sand, for eksempel Australia og India. Så lenge markedet er lite, dekker denne lett tilgjengelige forekomsten behovet.

Den norske forekomsten befinner seg i den østlige delen av gruvefeltet Fensfeltet i Nome kommune i Telemark, og flere andre mindre forekomster, fordelt i rødberg og en bergart som blir kalt «ferrokarbonatitt». Den gjennomsnittlige konsentrasjonen av thoriumoksid i Fensfeltet er rundt 0,2 %, og det er usikkert om dette i dag gir tilstrekkelig drivverdighet for utvinning av thorium til kjernekraft. De beste større forekomster internasjonalt har konsentrasjoner over 1 %. Leting i Norge har i stor grad vært foretatt fra luft og bakkenivå ved måling av gammastråling fra nedbrytningsprodukter av thorium. Disse målingene vil ikke finne forekomster som er overdekket for eksempel av tette marine avleiringer.

Thorium-232 brytes ned sakte, og har en halveringstid som tilsvarer tre ganger jordas alder, men andre isotoper forekommer i nedbrytingen av uran. De aller fleste av disse har mye kortere halveringstider enn Th-232 og er derfor mye mer radioaktive. I forhold til Th-232 er forekomstene av disse ubetydelige.

Anvendelse

Petromax-lampe med glødenett av ceriumoksid og thoriumoksid

Oksidet blir brukt:

• sammen med ceriumoksid i glødenett i transportable gasslamper. Disse nettinghettene gløder med et kraftig, blendende hvitt lys når de varmes av gassflamme (Auer-brenner og Petromax-lamper).
• som legeringselement i aluminium, noe som gir økt styrke og motstand mot sliteskader over lengre tid og ved høy temperatur.
• som belegg på wolframledninger i elektroniske apparat.
• i sveiseelektroder og i keramikk som må tåle høy temperatur.
• i laboratoriebeholdere for å gjøre dem motstandsdyktige mot høy temperatur.
• for å lage glass som skal brukes i veldig nøyaktige linser og vitenskapelige instrumenter.
• Thoriumoksid blir brukt som katalysator i
  • omdannelsen av ammoniakk til salpetersyre.
  • i krakking i petroleumsindustrien.
  • i svovelsyreproduksjon.
• Uran-Thoriumdatering brukes for å datere hominidrester.
• i produksjon av radioaktivt materiale. Blant annet ville man bruke thorium i energiforsterkeren. Thorium kan brukes i kjernekraftverk i til helt eller delvis ertatte uran som brensel. For å gjøre dette må det bygges en ny industri for å handtere thorium siden en ikke kan bruke dagens anlegg for uran til det.
• Thoriumdioksid (Th0₂) er den aktive komponenten i Thorotrast, et kontrastmiddel som ble brukt i røntgendiagnostikk, men som man har gått vekk fra grunnet thoriums skadelige virkninger på kroppen.

Thoriumbasert kjernekraft

Fordi Norge har den fjerde (noen kilder oppgir tredje) største forekomsten av thorium i verden, og fordi forekomsten av thorium totalt er vesentlig høyere enn uran, har det vært interesse for å anvende thorium i kjernefysiske fisjonsreaktorer, også i Norge. Selv om stoffet i seg selv ikke er fissilt, absorberer Thorium-232 (Th-232) nøytroner i en prosess som til slutt danner Uran-233 (U-233), som kan brukes direkte i fisjon. Derfor er Thorium-232, i likhet med Uran-238 en god kilde til fissilt materiale.

I en såkalt formeringsreaktor kan nøytroner fra pågående fisjon av Uran-235 eller U-233 bestråle Thorium-232 for å fremstille ytterligere aktivt U-233 som kjernebrensel. Det er en markant forskjell mellom bruken av Th-232 og U-238 eller plutonium-239 i fremstillingen av fissilt materiale, i at Th-232 er en god del mer effektivt. Når Th-232 utsettes for en mindre mengde fissilt materiale (for eksempel -235), starter en reaksjon hvor thoriumet tar til seg et nøytron, for så å gjennomgå to steg betanedbrytning til protactinium-233, og videre til uran-233, som er fissilt. Uranet skilles så fra gjenværende thorium og kan settes direkte inn i fissilt energiproduksjon. Denne prosessen er lik som ved bruk av U-238 eller Pu-239, men er som sagt en god del mer effektiv.

Det er også mulig å fremstille fissilt U-233 direkte med en nøytronkilde som bestråler Th-232. Dette prinsippet betegnes ADR (Akselerasjons Drevet Reaktor). U-233 vil absorbere nøytroner og fisjonere og sende ut nye nøytroner. Det hevdes at dette er en sikrere prosess siden det kun er thorium som omformes til U-233 som kan fisjonere og at mengden fissilt materiale i reaktoren derfor vil være for lavt til å forårsake nedsmeltning ved uhell. Det er imidlertid en rekke praktiske løsninger som krever betydelige investeringer i forskning (foreslått 500 mill. € for første protoyp), og beholder risikoproblemer knyttet til radioaktivt avfall og fremstilling av U-233 for atomvåpen.

Det er enkelte problemer med bruken av thorium som kilde til fissilt materiale, blant annet de høye kostnadene ved å rense U-233 for rester av det uegnede U-232, som alltid forekommer i en slik prosess. Thorium som har vært brukt i denne produksjonen inneholder også alltid rester av Th-228, som er mye mer radioaktivt og uegnet for prosessen. I teorien er det mulig å bruke U-233 i fisjonsvåpen, men prosessen med å fjerne isotopen U-232 er for komplisert til å opprike naturlig uran og lage en konvensjonell U-235-bombe. Det har også vist seg å være besværlig å gjenvinne thorium til gjenbruk. På grunn av disse problemene er thorium per i dag ikke velegnet for kommersiell energiproduksjon, og det vil være nødvendig med mye teknologisk utvikling innen feltet for å kunne ta i bruk thorium i stor skala. Så lenge man har tilstrekkelige forekomster av uran er det tvil om denne utviklingen kan forsvares økonomisk.

På lang sikt har thorium et stort potensial. Påviste reserver av thorium tilsvarer omkring tre ganger mengden av uran, og på lang sikt kan nok thorium være et viktig ledd i fortsatt bruk av kjernefysisk energi. Anvendelsen har imidlertid mindre, men sammenlignbare problemer med radioaktive avfallsprodukter fra uranbasert fisjon og tilhørende fraskilling, transport og lagring. I et langsiktig globalt perspektiv er tilgang på råstoff også begrenset til noen hundre år ved satsing av thoriumbasert atomkraft. På enda lengre sikt blir det nødvendig å finne energiløsninger basert på kjernefysisk fusjon eller andre underliggende mekanismer.

India har store thoriumforekomster, og planlegger en gradvis overgang fra bruken av uran til thorium i produksjon av fissilt materiale. Russland har også drevet forskning med thorium i forskningsreaktorer og ved tester i enkelte kjernekraftverk, ettersom flere russiske reaktorer er godt egnet for dette.

Faremomenter og sikkerhetstiltak

Thoriummetall i pulverform kan selvantenne, og må håndteres forsiktig. Thorium brytes ned til thoron, som er en radonisotop (²²⁰Rn). Da radongass er radioaktiv og påvist skadelig for mennesker, er det viktig at oppbevaringslokaler og steder der thorium brukes eller håndteres er godt ventilerte.

Kontakt med thorium eksternt (på huden, i lungene) kan føre til økt fare for kreft i lungene, bukspyttkjertelen og blodet. Kontakt med thorium internt (i fordøyelsessystemet) kan føre til leversykdommer. Thorium forekommer ikke naturlig i menneskekroppen, og har ingen kjent bruk i biologiske mekanismer. Se Thorotrast.

Se også

• Grunnstoffliste
• Isotoptabell
• Periodesystemet

Eksterne lenker

• International Thorium Energy Organisation - www.IThEO.org
• Webelements.com – thorium
• Thorium som kjernebrensel. En vurdering av tekniske muligheter og miljømessige utfordringer. Miljøstiftelsen Zero.
• Det norske Thoriumutvalgets rapport 2008 (PDF)
• Thoriumreaktoren - Interaktiv multimedia fra forskning.no 12.11.06
• Thorium til massene - artikkel fra forskning.no 28.3.11