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.
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.
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. 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. Se on noin 2–5 kertaa yleisempää maan kuoressa kuin luonnonuraani 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.
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.
Fysikaaliset ominaisuudet.
Puhtaassa muodossaan torium on hopeinen, valkoinen metalli. Sitä voidaan muotoilla, venyttää, takoa ja saostaa muihin metalleihin. 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. Toriumilla on kaikista aktinoideista korkein sulamispiste, 1 750 °C mutta sen tiheys 11,724×103 kg/m3 on aktinoidisarjan toiseksi alhaisin, aktiniumin jälkeen.
Toriumista tulee suprajohtavaa alle 1,368 K:n lämpötilassa. Yhdisteistä toriumhydridi Th4H15 on suprajohtavaa alle 7,5–8 K:n lämpötilassa. Huoneenlämpötilassa se johtaa sähköä kuten metalli. Torium on paramagneettista ja sen magneettinen suskeptibiliteetti huoneenlämmössä on 0,412×4π×10−9 m3/kg.
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.
Toriumilla on halideja kaikkien halogeenien kanssa: toriumfluoridi ThF4, toriumbromidi ThBr4, toriumkloridi ThCl4 ja toriumjodidit ThI4, ThI3 ja ThI2. Kaikki hapetusluvun +IV tetrahalidit ovat hygroskooppisia aineita, jotka liukenevat hyvin poolisiin liuottimiin kuten veteen. Myös oksyhalideja kuten ThOF2 ja ThOCl2 tunnetaan.
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.
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.
Lähde:
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: