Torium

Torium on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Th () ja järjestysluku 90. Torium on radioaktiivinen aktinoidisarjan metalli ja uraanin lisäksi ainut selvästi radioaktiivinen alkuaine, jota esiintyy maankuoressa merkittäviä määriä. Lähes kaikki luonnon torium on sen pitkäikäisintä isotooppia torium-232 (232Th), jonka puoliintumisaika on 14,05 miljardia vuotta.

Toriumia on tutkittu käytettäväksi uraanille vaihtoehtoisena ydinpolttoaineena uudenlaisissa ydinreaktoreissa.

 Historia 
Ruotsalainen kemisti Jöns Jacob Berzelius löysi toriumin vuonna 1828 Morten Thrane Esmarkin löytämästä norjalaisesta toriittimineraalista. Berzelius nimesi alkuaineen skandinaavisen ukkosenjumala Thorin mukaan. Aineella ei kuitenkaan ollut juuri mitään käyttöä, ennen kuin kaasulyhdyn hehkusukka keksittiin vuonna 1885.Wickleder ym., s. 52

Berzelius ei eristänyt toriumia sen metallisessa muodossa; tämän tekivät ensimmäisinä vuonna 1914 D. Lely Jr. ja L. Hamburger. He valmistivat 99 % puhdasta toriummetallia pelkistämällä toriumkloridia natriumilla. Yksinkertaisemman menetelmän, jolla lisäksi saavutettiin vielä puhtaampi lopputuote, keksivät 1927 Marden ja Rentschler. He pelkistivät toriumoksidia kalsiumilla kalsiumkloridin kanssa.

Radioaktiivisuuden tutkimuksen varhaisvaiheissa muutamille toriumin isotoopeille annettiin omia nimiään: 227Th oli radioaktinium, 228Th:sta on käytetty nimeä radiotorium, 230Th:sta nimeä ionium, 231Th:sta nimeä uraani Y ja 234Th oli uraani X1. Nämä nimet ovat kaikki vanhentuneita, paitsi ionium nimitystä käytetään edelleen merenpohjan sedimenttien ionium-torium iänmääritysmenetelmästä puhuttaessa.

 Esiintyminen ja yleisyys 
Toriumia esiintyy luonnossa monatsiittimineraalissa (Ce,La,Nd,Th)PO4, joka on tärkein toriumin malmimineraali. Monatsiittia esiintyy laajalti maapallolla, ja yksittäiset esiintymät voivat olla suuria. Monatsiitti ei reagoi kovin helposti kemiallisesti ja tämä tekee sen käsittelystä toriumin tuottamiseksi hankalaa.Wickleder ym., s. 56

Muita toriumia sisältäviä mineraaleja ovat esimerkiksi brockiitti, cerianiitti, cheraliitti, ekaniitti, eukseniitti, grayiitti, huttoniitti, perrieriitti, torianiitti, toriitti, tshevkiniitti, ja zirkeliitti. Harvinainen torianiitti sisältää yleensä enintään 12 % toriumdioksidia ThO2. Koska ThO2:n ja uraanidioksidin UO2 rakenne on samanlainen, näitä aktinoidien oksideja esiintyy usein samoissa mineraaleissa vaihtelevin pitoisuuksin.Wickleder ym., s. 55–56 Myös mineraalin, josta torium ensiksi löydettiin, toriitin (ThSiO4) toriumpitoisuus voi olla korkea.

Torium on yleisyydeltään noin lyijyn ja molybdeenin luokkaa ja yleisempää kuin sitä paremmin tunnetut alkuaineet tina, vismutti, kadmium, elohopea tai hopea.Nagy, s. 155 Viite Googlen teoshaussa Se on noin 2–5 kertaa yleisempää maan kuoressa kuin luonnonuraaniNagy, s. 155 ja noin 300–400 kertaa yleisempää kuin uraanin harvinaisempi 235U isotooppi. Maankuoressa toriumia on 5–20 μg/g. Torium on jakautunut suhteellisen tasaisesti eri puolilla maapalloa. Merivedessä sitä on vain vähän, noin 6×10-4 μg/l, mikä on paljon vähemmän kuin uraanin pitoisuus merissä.

 Käyttö 

Toriumia ja sen yhdisteitä, varsinkin toriumdioksidia, käytetään muun muassa seosmetalleina, kaasuvalaisinten hehkusukissa, erikoislaseissa, hehkulangoissa, elektroniikassa, katalysaattoreina ja kaasuja imevänä aineena tyhjiötekniikassa. Torium on uraanin ohella ainoita radioaktiivisia aineita, joilla on muita ominaisuuksia kuin radioaktiivisuutta hyödyntäviä sovellutuksia. Toriumin käyttö on kuitenkin merkittävästi vähentynyt nykyaikana johtuen radioaktiivisuuden aiheuttamista terveys- ja ympäristöhaitoista.Wickleder ym., s. 52–53

Sovelluksissa toriumdioksidi ThO2 tunnetaan joskus myös englanninkielisellä nimellä thoria. Toriumdioksidin saostaminen lasiin suurentaa sen taitekerrointa ja vähentää dispersiota, minkä johdosta sitä on käytetty korkealaatuisten linssien valmistukseen kameroissa ja tieteellisissä instrumenteissa. Toriumin oksidia voidaan käyttää katalyyttinä typpihapon ja rikkihapon valmistuksessa sekä raakaöljyn krakkauksessa. Sitä käytetään myös joissain kuumuutta kestävissä laboratorioiden upokkaissa.

 Toriumvoimalat 

Toriumin hyödyntämistä ydinvoimaloissa uraanin sijasta on tutkittu. Torium ei suoraan sovellu ydinreaktorin polttoaineeksi, koska se ei pysty ylläpitämään ketjureaktiota. Luonnossa esiintyvästä torium-232-isotoopista voidaan kuitenkin valmistaa polttoaineeksi kelpaavaa uraani-233:a säteilyttämällä sitä neutroneilla ydinreaktorissa. Toriumia ei tarvitse isotooppisesti rikastaa, kuten uraania, vaan sen käyttö perustuu ns. torium-ydinpolttoainekiertoon. Hyötöreaktorissa toriumista voidaan tuottaa uutta ydinpolttoainetta enemmän kuin vanhaa polttoainetta kuluu. Koska hyötöreaktori tuottaa jatkuvasti lisää polttoainetta, se voi hyödyntää kaivoksesta louhittavan raaka-aineen koko energiasisällön, kun taas tavallinen kevytvesireaktori pystyy käyttämään lähinnä vain uraani-235-isotoopin eli 0,7 prosenttia luonnonuraanista.

Torium-ydinpolttoainekierrossa ei synny plutoniumia. Sen takia toriumreaktorin käytetty polttoaine on kymmenien tuhansien vuosien päästä vähemmän radioaktiivista kuin uraanireaktorin käytetty polttoaine. Toriumreaktorilla ei voi tuottaa ydinaseisiin soveltuvaa plutonium-239:ää. Mutta torium-ydinpolttoainekierto perustuu uraani-233:een, joka myös soveltuu ydinaseen rakentamiseen.

Toriumreaktorit eivät ole yleistyneet, koska uraani on halpaa ja sitä on maankuoressa paljon. Suurimpia toriumpolttoaineen haittoja on 233U:n valmistamisen teknologinen vaikeus ja tästä johtuva prosessin kalleus.Wickleder ym., s. 53

 Fysikaaliset ominaisuudet 

Puhtaassa muodossaan torium on hopeinen, valkoinen metalli. Sitä voidaan muotoilla, venyttää, takoa ja saostaa muihin metalleihin.Wickleder ym., s. 61–63 Se säilyttää kiiltonsa useita kuukausia. Oksidoituessaan ilman vaikutuksesta se saa pinnalleen oksidikerroksen muuttaen samalla värinsä harmaaksi ja lopulta mustaksi. Yli 130 asteen lämpötilassa hienojakoinen torium syttyy itsestään palamaan. Viitattu 12.12.2016 Toriumilla on kaikista aktinoideista korkein sulamispiste, 1 750 °C mutta sen tiheys 11,724×103 kg/m3 on aktinoidisarjan toiseksi alhaisin, aktiniumin jälkeen.Wickleder ym., s. 61–62

Toriumista tulee suprajohtavaa alle 1,368 K:n lämpötilassa.Nagy, s. 132 Viite Googlen teoshaussa Yhdisteistä toriumhydridi Th4H15 on suprajohtavaa alle 7,5–8 K:n lämpötilassa. Huoneenlämpötilassa se johtaa sähköä kuten metalli.Wickleder ym., s. 64–66 Torium on paramagneettista ja sen magneettinen suskeptibiliteetti huoneenlämmössä on 0,412×4π×10−9 m3/kg.Wickleder ym., s. 61

 Kemialliset ominaisuudet ja yhdisteet 

Valkoinen toriumdioksidi ThO2 on eniten tutkittu ja tärkein toriumin yhdiste. Pelkästään sitä käsitteleviä patentteja on myönnetty yli 430, joista 53 liittyy yhdisteen käyttämiseen katalyyttinä. Myös toriummonoksidin ThO olemassaolosta on viitteitä, vaikkakin metallisen toriumin pinnalle muodostuva musta oksidikerros on koostumukseltaan lähinnä ThO(OH,Cl)H, jossa torium esiintyy +IV hapetusluvulla.Wickleder ym., s. 70

Toriumilla on halideja kaikkien halogeenien kanssa: toriumfluoridi ThF4, toriumbromidi ThBr4, toriumkloridi ThCl4 ja toriumjodidit ThI4, ThI3 ja ThI2.Wickleder ym., s. 78 Kaikki hapetusluvun +IV tetrahalidit ovat hygroskooppisia aineita, jotka liukenevat hyvin poolisiin liuottimiin kuten veteen. Myös oksyhalideja kuten ThOF2 ja ThOCl2 tunnetaan.Wickleder ym., s. 80–81

Muita toriumyhdisteitä on mm. toriumnitraatti, toriumkarbidi ja toriumoksalaatti. Torium reagoi vedyn kanssa muodostaen hydridit ThH2 ja Th4H15. Useita binäärisiä toriumin kalkogeenejä ja oksykalkogeenejä tunnetaan rikin, seleenin ja telluurin kanssa.Wickleder ym., s. 95–97

 Isotoopit 
Toriumin kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia. Luonnossa (lähes 100 %) esiintyvä 232Th-isotooppi on heikosti radioaktiivinen alfasäteilijä. Sen puoliintumisaika on yli 14 miljardia vuotta, mikä on enemmän kuin maapallon ikä ja hieman suurempi kuin arvioitu maailmankaikkeuden ikä. Muita toriumin isotooppeja esiintyy radioaktiivisissa mineraaleissa vain hivenmääriä, ja ne ovat syntyneet radioaktiivisten hajoamisten seurauksena, yleensä uraanin isotoopeista 235U ja 238U, sillä ne ovat näistä alkavien pitkien hajoamissarjojen välijäseniä. 232Th:sta alkava hajoamissarja tunnetaankin nimellä toriumsarja. 232Th alfahajoaa radioaktiiviseksi radium-228:ksi, jonka puoliintumisaika on 5,7 vuotta. Tämä hajoaa välijäsenten kuten toisen toriumisotoopin 228Th ja huoneilmastakin mahdollisesti löytyvän radon-220:n kautta pysyväksi lyijyn isotoopiksi. Toriumsarjan loppupään hajoaminen on nopeaa, koska kaikkien muiden kuin 228Ra:n ja 228Th:n yhteenlasketut puoliintumisajat ovat alle 5 päivää.Wickleder ym., s. 53

 Isotooppi  Puoliintumisaika  Hajoamistyyppi 209Th  3,8 ms  α 210Th  9 ms  α 211Th  37 ms  α 212Th  30 ms  α 213Th  140 ms  α 214Th  100 ms  α 215Th  1,2 s  α 216Th  28 ms  α 217Th  0,237 ms  α 218Th  0,109 μs  α 219Th  1,05 μs  α 220Th  9,7 μs  α 221Th  1,68 ms  α 222Th  2,8 ms  α 223Th  0,60 s  α 224Th  1,05 s  α 225Th  8,0 min  α (~90 %) EC (~10%)

 Isotooppi  Puoliintumisaika  Hajoamistyyppi 226Th  30,57 min  α 227Th  18,68 d  α 228Th  1,9116 a  α 229Th  7 340 a  α 230Th  7,538 · 104 a  α 231Th  25,52 h  β−  232Th  1,405 · 1010 a  α SF (1,1 · 10-9 %) 233Th  22,3 min  β− 234Th  24,10 d  β− 235Th  7,1 min  β− 236Th  37,5 min  β− 237Th  5,0 min  β− 238Th  9,4 min  β−
Lähde:Wickleder ym., s. 54–55

EC = Elektronisieppaus 
SF = Spontaani fissio 
α = Alfahajoaminen 
β+ = Beeta-plus-hajoaminen 
β− = Beeta-miinus-hajoaminen 
IT = Isomeerinen transitio  
m = Välitila tai virittynyt atomi

Eri toriumin isotoopin käyttäytyvät kemiallisesti identtisesti, mutta niiden fysikaaliset ominaisuuksissa on jonkin verran vaihtelua: Esimerkiksi isotooppisesti puhtaiden 228Th, 229Th, 230Th, ja 232Th tiheydet ovat 11,52, 11,58, 11,63, ja 11,73 g/cm3. Isotoopin 229Th odotetaan olevan fissiili niin, että sen kriittinen massa olisi 2 839 kg, tosin teräksestä valmistettua neutroniheijastinta käytettäessä se putoaisi 994 kg:aan. Vaikka 232Th ei ole fissiili, se on fertiili nuklidi, joka voidaan muuttaa fissiiliksi 233U:ksi neutronisieppauksella.

Isotooppien atomimassat:
 Isotooppi  227Th  228Th  229Th  230Th  231Th  232Th  234Th Atomimassa, u  227,027703  228,028715  229,031755  230,033127  231,036298  232,038054  234,043593

 Katso myös 
 Sulasuolareaktori
 Kidetankoprosessi
 Compton–Belkovich torium anomalia

 Lähteet 




 Huomautukset 

 Viitteet 

 Aiheesta muualla 


 Periodictable: Technical data for Thorium 
 The potential of thorium as a nuclear fuel 
 American elements: Thorium Technical and Safety Data 
 Argonne National Laboratory: Radiological and Chemical Fact Sheets to Support Health Risk Analyses for Contaminated Areas, Thorium, sivut 52–53  (pdf)
 Webmineral: Mineral Species containing Thorium (Th) 
 Mindat: The Mineralogy of Thorium 
 Mindat: Thorium 
 The Royal Society of Chemistry (RSC): Thorium 
 PeriodicTable: Thorium (Th) 
 PubChem: Thorium 
  Human Metabolome Database (HMDB): Thorium 
 Food Component Database (FooDB): Thorium 
 Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Thorium 
 Dr. Duke's Phytochemical and Ethnobotanical Databases: Thorium 
 Tulevaisuuden ydinvoimalan voi sammuttaa nappia painamalla  Helsingin Sanomat 1.6.2013.

*
Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit