thorium

Thorium er det 90. grunnstoffet i periodesystemet. Det har atomnummer 90, atommasse 232,0 og atomsymbol Th.
Utdrag fra periodesystemet
Av .
Lisens: CC BY SA 4.0
Thorium dekket av et mørkt oksidlag.
Thorium.
Av .
Lisens: CC BY SA 4.0

Thorium er et metallisk, radioaktivt grunnstoff. Rent thoriummetall er sølvhvitt, relativt formbart og kan valses til folier og trekkes til tråder. Under vanlige forhold vil oksygenet i luften reagere med metallet og det dannes thoriumoksid, som er helt svart. Thorium tilhører actinoidene i periodesystemet.

Faktaboks

Uttale

torium

Etymologi

Oppkalt etter den nordiske guden Tor, guden for lyn og torden.

Engelsk navn
thorium
Atomsymbol
Th
Atomnummer
90
Relativ atommasse
232
Smeltepunkt
1750 °C
Kokepunkt
4788 °C
Massetetthet
11,72 g/cm³
Oksidasjontall
II, III, IV (mest stabil)
Elektronkonfigurasjon
[Rn]6d²7s²

Thorium brukes i flere industrielle formål. Blant annet blir magnesium tilsatt cirka tre prosent thorium brukt i fly og romfartsteknikk og i kjernereaktorer. Thorium er en viktig potensiell kilde til kjerneenergi.

Grunnstoffet ble oppdaget av den norske presten og amatørmineralogen Morten Thrane Esmark på Løvøya ved Brevik i 1828. Thorium ble i 2019 kåret til Norges nasjonalgrunnstoff, og det er oppkalt etter den norrøne guden Tor.

Bruk

Kjerneenergi

Thorium blir av mange sett på som en viktig framtidig kilde for produksjon av energi i en kjernereaktor (kjerneenergi), blant annet fordi det er3–4 ganger mer thorium i jordskorpen enn uran. I tillegg vil kjernereaktorer med thorium lage mye mindre radioaktivt avfall, noe som er svært viktig både med hensyn til prisen på energien fra slike kraftverk (det er dyrt å kvitte seg med avfallet) og med tanke på miljømessige konsekvenser.

Som energikilde har thorium en høyere spesifikk energi enn uran og beregnet til rundt 80 terajoule per kilogram (TJ/kg). Det årlige forbruket av primærenergi i Norge er rundt 1,3 exajoule (EJ) og kan da i teorien dekkes med rundt 16 tonn thorium.

I prinsippet kan thorium også brukes til produksjon av kjernevåpen, men dette blir ansett som vanskelig og uhensiktsmessig da uran er mer egnet for dette formålet.

Annen bruk

Magnesium tilsatt rundt tre prosent thorium blir brukt i fly- og romfartsteknikk og i kjernereaktorer. Thorium har også andre mindre bruksområder, blant annet som getter i høyvakuumteknikk, elektrodemateriale i kvikksølvdamplamper, i fotoelektriske celler, røntgenrør, sveiseelektroder, katalysator og annet.

En viktig anvendelse av forbindelsen thorium(IV)oksid er i auerbrennere. Oksidet brukes dessuten i form av små dispergerte partikler i nikkel og høytemperaturlegeringer, for eksempel såkalt thoria-dispergert nikkel.

Forekomst

Typiske små forekomster av thoritt i bergarten rødberg.
Thoritt
Av .
Lisens: Begrenset gjenbruk
Registrerte forekomster av thorium globalt. Data er angitt i kilotonn. Tallene er fra IAEA (2005, første tall) og fra USGS (2011, andre tall eller manglende tall).
Globale forekomster
Av .
Lisens: CC BY NC SA 3.0

Det er anslått at det gjennomsnittlige innholdet av thorium i jordskorpen er omkring 9,7 ppm som utgjør omkring 0,001 vektprosent. Tilsvarende innhold av uran er omkring 2,7 ppm. Thorium tilhører de primordiale radioaktive grunnstoffene, som har eksistert siden før Jorden ble dannet.

Thorium finnes sammen med lantanoider og uran i en rekke mineraler. Mineraler med større innhold av thorium er relativt sjeldne. Bare få steder forekommer thorium i større utnyttbare mengder. Hovedråstoffet er monazittsand som inneholder 3–12 vektprosent thorium, og hovedprodusenter av dette er Australia, India, Malaysia, Brasil og USA. Av egentlige thoriummineraler kan nevnes thoritt og thorianitt.

Størrelsen på forekomstene er noe usikker for mange land. WNA (World Nuclear Association) har anslått at verdens thoriumressurser er 6,4 millioner tonn, mens USGS (United States Geological Survey) oppgir 1,9 millioner tonn. Det finnes ingen internasjonal standard for hvordan thoriumressursene skal klassifiseres. Forekomstene blir derfor noe upresist klassifisert som utvinnbare ressurser snarere enn påviste reserver. Dessuten er thorium ofte ikke et primært letemål, og blir i mange tilfeller beregnet i forbindelse med påvisning av sjeldne jordarter. Det har derfor vært betydelige sprik i rapporterte forekomster fra ulike organisasjoner.

I Norge

Lavt og høyt anslag av energiinnholdet i thorium-forekomstene i Fensfeltet relativt til energiinnholdet i Norges samlede olje- og gassressurser.
Energiinnhold
Av .
Lisens: CC BY NC SA 3.0

Norge er et av de landene som har interessante forekomster av thorium. Det er ikke foretatt spesielle geologiske undersøkelser for å finne thorium i Norge bortsett fra måling av gammastråling fra helikopter over Fensfeltet i Telemark. Fensfeltet inneholder landets klart største thoriumforekomst, men det er stor usikkerhet i anslagene av hvor store thoriumressurser som finnes der. Energiinnholdet i thoriumressursene på Fensfeltet er trolig minst 10, muligens over 100 ganger energiinnholdet i all olje og gass på norsk sokkel, inkludert alt som er utvunnet, kjente reserver og alle antatte uoppdagete ressurser av hydrokarboner.

Øvrig kunnskap om thoriumforekomster i Norge er i hovedsak basert på kartlegging av uranforekomster på 1960-tallet og i perioden 1975–1985. Ytterligere informasjon om thorium i norske bergarter er basert på undersøkelser av sjeldne jordarter som også ofte er delvis korrelert med thoriumforekomster.

Thorium forekommer i omtrent alle mulige bergarter, men i svært variable mengder. I bergarten rødberg er det målt opp til 4000 gram thorium per tonn rødberg, men gjennomsnittskonsentrasjonen varierer mellom 872 gram per tonn og 361 gram per tonn i ulike områder. I ankerittkarbonatittene sentralt i området er gjennomsnittet 485 gram per tonn.

I Oslofjordregionen finnes thoriumanrikede granitter og granittpegmatitter. I Krekling-Hokksund-Modumområdet forekommer det relativt høye konsentrasjoner av thorium i alunskifer, men disse skiferne er mer kjent for sitt høye uraninnhold. Vest for Oslofjorden finnes thorium i syenitter og granitter av ulike typer. Lenger nord i landet er forekomster av thorium registrert i Høgtuva i Nordland og på Ytterøya i Nord-Trøndelag. Alle disse forekomstene, muligens med unntak av Seteråsen i Larvik, er trolig langt under grensene for drivverdighet.

  • Gamma-stråling over Fensfeltet detektert med luftbåret detektor for gammastråling (mørke farger = høyere thoriumkonsentrasjon). Disse høye thorium-konsentrasjonene samsvarer med forekomsten av bergarten rødberg.
    Fensfeltet
    Av .
    Lisens: Begrenset gjenbruk
  • Geologisk kart over Fensfeltet.
    Fensfeltet.
    Av .
    Lisens: Begrenset gjenbruk

I kroppen

Et problem med de norske thoriumforekomstene er at thorium er et radioaktivt grunnstoff. Det har meget lang halveringstid, men en liten andel av thoriumet går hele tiden i stykker samtidig som det sender ut radioaktiv stråling (alfastråling). Restene etter thoriumet som går i stykker gir opphav til en hel serie med radioaktive datternuklider.

Fordi thorium og nuklidene i thoriumserien er radioaktive, må nødvendige sikkerhetsregler følges ved all håndtering. Størst fare oppstår hvis det kommer inn i kroppen. De thoriumlignende nuklidene fra desintegrasjonskjeden kan hope seg opp i lever, nyrer, milt og beinmarg, mens de radiumlignende nuklidene kan hope seg opp i knoklene.

Historikk

Thorium er oppkalt etter den norrøne guden Tor.

Tor med hammeren
Av /Nationalmuseet, Stockholm.
Lisens: Falt i det fri (Public domain)
Jöns Jacob Berzelius som først beskrev thorium som et nytt grunnstoff.
Jöns Jacob Berzelius
Av .
Lisens: Falt i det fri (Public domain)
Jens Morten Thrane Esmark som først oppdaget et mineral som skulle vise seg å inneholde thorium. Etter skriftlig tillatelse fra Ramnes historielag.
Jens Morten Thrane Esmark
Av .
Lisens: Begrenset gjenbruk

Presten og amatørmineralogen Hans Morten Thrane Esmark fant et nytt grunnstoff på Løvøya ved Brevik i 1828. Det brune mineralet han fant klarte han ikke å bestemme selv, og viste det derfor til sin far, mineralogen og geologen Jens Esmark, som heller ikke klarte å bestemme mineralet. Han sendte det igjen til kjemikeren Jöns Jacob Berzelius i Sverige.

Berzelius isolerte et nytt oksid fra mineralet som han kalte thoria. Mineralet kalte han thoritt og grunnstoffet thorium, alle etter den norrøne guden Tor. Berzelius fremstilte også en uren prøve av grunnstoffet ved å la kaliumthoriumfluorid, KThF5, reagere med kaliummetall. Han publiserte oppdagelsen i 1829.

Thoriums radioaktivitet ble oppdaget i 1898 av Marie Curie i Paris og uavhengig av henne av Gerhard Carl Schmidt (1865–1949) i Erlangen i Bayern i Tyskland.

I 1907 påviste den amerikanske kjemikeren Bertram Boltwood (1870–1927) en annen langlivet thoriumisotop, thorium-230, som det finnes litt av i naturen. Denne isotopen har tidligere blitt gitt navnet ionium.

I 2019 ble thorium kåret til Norges nasjonalgrunnstoff.

Fremstilling

Thorium fremstilles ved at monazittsand oppvarmes med konsentrert svovelsyre, som omdanner innholdet av thorium og lantanoider til sulfater. Disse løses i vann, og thorium felles som difosfat. Ved videre rensing blir fosfat filtrert fra, løst i saltsyre og igjen felt ut. Til slutt felles thorium som oksalat, som ved etterfølgende gløding omdannes til oksid.

Renere thoriumprodukter kan oppnås gjennom den såkalte thorex-prosessen med selektiv ekstraksjon med tributylfosfat.

Metallisk thorium fremstilles ved reduksjon av oksidet ThO2 med kalsium ved 900–1000 °C, elektrolyse av smelte av natrium- og kaliumklorid tilsatt kaliumthoriumfluorid eller ved reduksjon av thoriumtetrafluorid med kalium i nærvær av sinkklorid. Metodene gir metall i pulver- eller svampform. Dette presses og sintres, smeltes i lysbue- eller induksjonsovn eller ved elektronstrålesmelting. Særlig rent thorium fremstilles ved termisk spalting av thoriumtetrajodid, ThI4, på en glødende thoriumtråd (van Arkel-de Boer-metoden).

Kjemiske egenskaper

Krystallstrukur for thorium som metall for temperaturer lavere enn 1363 grader Celsius (alfa-thorium).
Thorium
Av .
Lisens: CC BY SA 3.0

Ved normalt trykk og temperatur er thorium fast og metallisk. Rent thoriummetall er sølvhvitt, relativt duktiltog kan valses til folier og trekkes til tråder. Metallet er elektropositivt og reaktivt, men er relativt korrosjonsbestandig i luft ved romtemperatur på grunn av passiviserende oksidbelegg av thorium(IV)oksid. Thoriummetall løses i rykende saltsyre og i kongevann, passiveres i konsentrert salpetersyre, og reagerer ikke med base.

Metallet eksisterer i to allotrope former: alfa-thorium med kubisk flatesentrert struktur og beta-thorium med kubisk romsentrert struktur (se krystallstruktur). Omvandlingstemperaturen er 1363 °C.

Forbindelser

Thorium reagerer lett med ikke-metallene under oppvarming og danner en rekke intermetalliske forbindelser med grunnstoffer d-blokken i periodesystemet.

I sine kjemiske forbindelser har thorium oksidasjonstallene +II, +III og +IV. Det siste er det mest stabile. De fireverdige forbindelsene er vanligvis fargeløse. Vandige løsninger av thoriumsalter gir sur reaksjon på grunn av protolyse.

En viktig thoriumforbindelse er thoriumoksid, ThO2. Thoriumoksid smelter først ved 3300 °C, som er det høyeste smeltepunktet av alle kjente oksider. Kun noen få andre forbindelser eller grunnstoffer, som wolfram, har høyere smeltepunkt. Dette er en av grunnene til at man bruker thoriumoksid i glødenett til gass- og parafinlamper. Det øker lysutbyttet fra forbrenningen betydelig.

Isotoper

Thorium har 32 kjente isotoper der alle er radioaktive. Den mest stabile er thorium-232, som har en halveringstid på 14 milliarder år. Naturlig forekommende thorium består nesten utelukkende av thorium-232, og det er kun denne isotopen som fremdeles finnes i naturen fra den gang Jorden ble dannet. Alle de andre isotopene er for lengst borte siden de har korte halveringstider.

Imidlertid dannes det kontinuerlig små mengder av noen andre thoriumisotoper når thorium-232 og uran (uran-234, uran-235 og uran-238) går i stykker. Det finnes derfor ørsmå mengder av thorium-228 (1,34·10-8 prosent), samt thorium-234, thorium-231 og thorium-230 i naturen. Lengst levetid av disse har thorium-230 med halveringstid på 75 380 år. Thorium-228 har en halveringstid på 1,9 år og er i radiokjemisk likevekt med thorium-232.

I tillegg kan man lage mange andre isotoper av thorium i laboratorier, og det er kjente isotoper med massetall fra 208 til 239.

Radioaktivitet

Thorium-232 desintegrerer med alfastråling til radium-228. Den radioaktive transformasjonen fortsetter gjennom ni ledd med i alt seks alfahenfall og fire betahenfall og ender i den stabile isotopen bly-208. Kjeden av nuklider fra thorium-232 til bly-208 kalles thoriumserien eller 4n-serien, siden alle nuklidene har nukleontall (massetall) som er delelige med 4.

Alfapartiklene er ikke farlige i seg selv, men siden de sendes ut med stor fart gjør de stor skade når de treffer materie. Den høye farten medfører at mange tusen kjemiske bindinger brytes i materialet som treffes. Hvis det er kroppen som treffes, er det farlig når strålingen blir så sterk at kroppen ikke rekker å reparere alle de ødelagte kjemiske bindingene hurtig nok. Heldigvis klarer ikke alfapartiklene å trenge særlig langt inn i stoffet den treffer. Kommer strålingen utenfra, vil den derfor ikke skade annet en det øverste hudlaget, som er svært robust. Får vi derimot thorium inn i kroppen vil strålingen treffe indre organer og kunne gjøre svært stor skade.

Desintegrasjonsserien som starter med 232-Th og ender i stabilt 208-Pb.
Desintegrasjonsserie
Av .
Lisens: CC BY SA 3.0

Kjemiske og fysiske egenskaper

Nukleære egenskaper

  • Massetall for mest stabil isotop: A = 232 (≈100%)
  • Halveringstid (A=232): 1,40·1010 år
  • Datternuklide: 228Ra (T1/2 = 5,75 år)
  • Desintegrasjonsmåte: alfa-utsendelse (tilnærmet 100 prosent), spontan fisjon (tilnærmet 1,1·10-9 prosent)
  • Reaksjonstverrsnitt for termiske nøytroner: σnth = 7,37 b (barn)
  • Fisjonstverrsnitt for termiske nøytroner: σf,nth = 3·10-6 b
  • Auger elektroner: 44,573 keV (15,8 prosent, sterkeste linje)

Les mer i Store norske leksikon

Eksterne lenker

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg

Vi mangler fagansvarlig for Ustabile grunnstoffer

Vil du bli fagansvarlig? Ta kontakt