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Uranio,  92 U
Dos manos en guantes marrones sosteniendo un disco gris manchado con un número 2068 escrito a mano en él
Uranio
Pronunciación/ J ʊər eɪ n i ə m / ( yoor- AY -nee-əm )
Aparienciametalizado gris plateado; se corroe hasta formar una capa de óxido negro desconchado en el aire
Peso atómico estándar A r, estándar (U) 238.028 91 (3) [1]
Uranio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoPlancharCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatineRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenciumRutherfordioDubniumSeaborgioBohriumHassiumMeitnerioDarmstadtiumRoentgenioCopérnicoNihoniumFlerovioMoscoviumLivermoriumTennessineOganesson
Nd
↑
U
↓
(Uqh)
protactinio ← uranio → neptunio
Número atómico ( Z )92
Grupogrupo n / a
Períodoperíodo 7
Cuadra  f-bloque
Configuración electronica[ Rn ] 5f 3 6d 1 7s 2
Electrones por capa2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusion1405,3  K (1132,2 ° C, 2070 ° F)
Punto de ebullición4404 K (4131 ° C, 7468 ° F)
Densidad (cerca de  rt )19,1 g / cm 3
cuando es líquido (a  mp )17,3 g / cm 3
Calor de fusión9,14  kJ / mol
Calor de vaporización417,1 kJ / mol
Capacidad calorífica molar27,665 J / (mol · K)
Presión de vapor
P  (Pa)1101001 k10 k100 k
en  T  (K)232525642859323437274402
Propiedades atómicas
Estados de oxidación+1, +2, +3, [2] +4 , +5, +6 (un  óxido anfótero )
ElectronegatividadEscala de Pauling: 1,38
Energías de ionización
  • 1 °: 597,6 kJ / mol
  • 2do: 1420 kJ / mol
Radio atómicoempírico: 156  pm
Radio covalente196 ± 7 pm
Radio de Van der Waals186 pm
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales de uranio
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinaortorrómbica
Estructura cristalina ortorrómbica para uranio
Velocidad de sonido varilla fina3155 m / s (a 20 ° C)
Expansión térmica13,9 µm / (m⋅K) (a 25 ° C)
Conductividad térmica27,5 W / (m⋅K)
Resistividad electrica0,280 µΩ⋅m (a 0 ° C)
Orden magnéticoparamagnético
El módulo de Young208 GPa
Módulo de corte111 GPa
Módulo de volumen100 GPa
Relación de Poisson0,23
Dureza Vickers1960–2500 MPa
Dureza Brinell2350–3850 MPa
Número CAS7440-61-1
Historia
Nombrarpor el planeta Urano , el mismo nombre del dios griego del cielo Urano
DescubrimientoMartin Heinrich Klaproth (1789)
Primer aislamientoEugène-Melchior Péligot (1841)
Isótopos principales del uranio
IsótopoAbundanciaVida media ( t 1/2 )Modo de decaimientoProducto
232 Usyn68,9 añosSF-
α228 mil
233 Urastro1,592 × 10 5  ySF-
α229 mil
234 U0,005%2,455 × 10 5  ySF-
α230 mil
235 U0,720%7,04 × 10 8  ySF-
α231 mil
236 Urastro2,342 × 10 7  ySF-
α232 mil
238 U99,274%4,468 × 10 9  yα234 mil
SF-
β - β -238 Pu
Categoría Categoría: Uranio
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El uranio es un elemento químico con el símbolo U y número atómico  92. Es un metal gris plateado en la serie de actínidos de la tabla periódica . Un átomo de uranio tiene 92 protones y 92 electrones , de los cuales 6 son electrones de valencia . El uranio es débilmente radiactivo porque todos los isótopos del uranio son inestables; las vidas medias de sus isótopos naturales oscilan entre 159.200 años y 4.500 millones de años. Los isótopos más comunes en el uranio natural son el uranio-238.(que tiene 146 neutrones y representa más del 99% del uranio en la Tierra) y uranio-235 (que tiene 143 neutrones). El uranio tiene el peso atómico más alto de los elementos primordiales . Su densidad es aproximadamente un 70% más alta que la del plomo y ligeramente más baja que la del oro o el tungsteno . Se produce de forma natural en bajas concentraciones de unas pocas partes por millón en el suelo, las rocas y el agua, y se extrae comercialmente de minerales que contienen uranio como la uraninita . [3]

En la naturaleza, el uranio se encuentra en forma de uranio-238 (99,2739–99,2752%), uranio-235 (0,7198–0,7202%) y una cantidad muy pequeña de uranio-234 (0,0050–0,0059%). [4] El uranio se desintegra lentamente al emitir una partícula alfa . La vida media del uranio-238 es de aproximadamente 4.470 millones de años y la del uranio-235 es de 704 millones de años, [5] lo que los hace útiles para datar la edad de la Tierra .

Muchos usos contemporáneos del uranio aprovechan sus propiedades nucleares únicas. El uranio-235 es el único isótopo fisionable de origen natural , lo que lo hace muy utilizado en plantas de energía nuclear y armas nucleares . Sin embargo, debido a las pequeñas cantidades que se encuentran en la naturaleza, el uranio debe someterse a un enriquecimiento para que haya suficiente uranio-235 presente. El uranio-238 es fisionable por neutrones rápidos y es fértil , lo que significa que se puede transmutar en plutonio-239 fisionable en un reactor nuclear . Otro isótopo fisible, el uranio-233 , se puede producir a partir del torio natural.y está estudiado para uso industrial futuro en tecnología nuclear. El uranio-238 tiene una pequeña probabilidad de fisión espontánea o incluso de fisión inducida con neutrones rápidos; El uranio-235 y, en menor grado, el uranio-233 tienen una sección transversal de fisión mucho mayor para los neutrones lentos. En concentración suficiente, estos isótopos mantienen una reacción en cadena nuclear sostenida . Esto genera el calor en los reactores de energía nuclear y produce el material fisionable para armas nucleares. El uranio empobrecido ( 238 U) se utiliza en penetradores de energía cinética y blindaje . [6] El uranio se utiliza como colorante en el vidrio de uranio., produciendo colores amarillo limón a verde. El vidrio de uranio presenta una fluorescencia verde a la luz ultravioleta. También se usó para teñir y sombrear en la fotografía temprana .

El descubrimiento de 1789 de uranio en el mineral pitchblenda se le atribuye a Martin Heinrich Klaproth , quien nombró al nuevo elemento en honor al planeta Urano, recientemente descubierto . Eugène-Melchior Péligot fue la primera persona en aislar el metal y sus propiedades radiactivas fueron descubiertas en 1896 por Henri Becquerel . La investigación de Otto Hahn , Lise Meitner , Enrico Fermi y otros, como J. Robert Oppenheimer a partir de 1934, llevó a su uso como combustible en la industria de la energía nuclear y en Little Boy , la primera arma nuclear utilizada en la guerra.. Una carrera de armamentos que siguió durante la Guerra Fría entre los Estados Unidos y la Unión Soviética produjo decenas de miles de armas nucleares que usaban uranio metálico y plutonio-239 derivado del uranio . La seguridad de esas armas se vigila de cerca. Desde alrededor de 2000, el plutonio obtenido mediante el desmantelamiento de bombas de la época de la guerra fría se utiliza como combustible para reactores nucleares. [7]

El desarrollo y despliegue de estos reactores nucleares continúan a nivel mundial. Existe un interés creciente en estas centrales eléctricas, ya que son fuentes poderosas de energía libre de CO 2 . En 2019, 440 reactores de energía nuclear produjeron 2586 TWh (mil millones de kWh) de electricidad libre de CO 2 en todo el mundo, [8] más que las instalaciones globales de energía solar y eólica combinadas.

Caracteristicas

Un diagrama que muestra una transformación en cadena de uranio-235 a uranio-236 a bario-141 y criptón-92
Un evento de fisión nuclear inducido por neutrones que involucra al uranio-235

Cuando se refina , el uranio es un metal blanco plateado, débilmente radiactivo . Tiene una dureza de Mohs de 6, suficiente para rayar el vidrio y aproximadamente igual a la del titanio , rodio , manganeso y niobio . Es maleable , dúctil , ligeramente paramagnético , fuertemente electropositivo y un mal conductor eléctrico . [9] [10] El uranio metálico tiene una densidad muy alta de 19,1 g / cm 3 , [11] más denso que el plomo.(11,3 g / cm 3 ), [12] pero ligeramente menos denso que el tungsteno y el oro (19,3 g / cm 3 ). [13] [14]

El uranio metálico reacciona con casi todos los elementos no metálicos (a excepción de los gases nobles ) y sus compuestos , aumentando la reactividad con la temperatura. [15] Los ácidos clorhídrico y nítrico disuelven el uranio, pero los ácidos no oxidantes distintos del ácido clorhídrico atacan el elemento muy lentamente. [9] Cuando está finamente dividido, puede reaccionar con agua fría; en el aire, el uranio metálico se recubre con una capa oscura de óxido de uranio . [10] El uranio de los minerales se extrae químicamente y se convierte en dióxido de uranio u otras formas químicas utilizables en la industria.

El uranio-235 fue el primer isótopo fisible que se descubrió . Otros isótopos de origen natural son fisionables, pero no fisionables. En el bombardeo con neutrones lentos, su isótopo de uranio-235 se dividirá la mayor parte del tiempo en dos núcleos más pequeños , liberando energía de enlace nuclear y más neutrones. Si muchos de estos neutrones son absorbidos por otros núcleos de uranio-235, se produce una reacción en cadena nuclear que da como resultado una explosión de calor o (en circunstancias especiales) una explosión. En un reactor nuclear, una reacción en cadena de este tipo se ralentiza y controla mediante un veneno de neutrones , que absorbe algunos de los neutrones libres. Dichos materiales absorbentes de neutrones son a menudo parte de las barras de control del reactor.(ver física de reactores nucleares para una descripción de este proceso de control de reactores).

Se pueden usar tan solo 7 kg (15 lb) de uranio-235 para fabricar una bomba atómica. [16] El arma nuclear detonada sobre Hiroshima , llamada Little Boy , se basó en la fisión del uranio. Sin embargo, la primera bomba nuclear (el Gadget utilizado en Trinity ) y la bomba que detonó sobre Nagasaki ( Fat Man ) fueron bombas de plutonio.

El uranio metálico tiene tres formas alotrópicas : [17]

  • α ( ortorrómbico ) estable hasta 668 ° C. Ortorrómbico, grupo espacial No. 63, Cmcm , parámetros de celosía a = 285,4 pm, b = 587 pm, c = 495,5 pm. [18]
  • β ( tetragonal ) estable de 668 ° C a 775 ° C. Tetragonal, grupo espacial P 4 2 / mnm , P 4 2 nm , o P 4 n 2, parámetros de celosía a = 565,6 pm, b = c = 1075,9 pm. [18]
  • γ ( cúbico centrado en el cuerpo ) desde 775 ° C hasta el punto de fusión: este es el estado más maleable y dúctil. Cúbico centrado en el cuerpo, parámetro de celosía a  = 352,4 pm. [18]

Aplicaciones

Militar

Varios ejércitos utilizan uranio empobrecido como penetradores de alta densidad.

La principal aplicación del uranio en el sector militar son los penetradores de alta densidad. Esta munición consiste en uranio empobrecido (DU) aleado con 1–2% de otros elementos, como titanio o molibdeno . [19] A alta velocidad de impacto, la densidad, dureza y piroforicidad del proyectil permiten la destrucción de objetivos fuertemente blindados. Blindaje de tanque y otro blindaje de vehículo extraíbletambién se puede endurecer con placas de uranio empobrecido. El uso de uranio empobrecido se volvió política y ambientalmente polémico después de que el uso de tales municiones por los EE. UU., El Reino Unido y otros países durante las guerras en el Golfo Pérsico y los Balcanes planteó preguntas sobre los compuestos de uranio que quedan en el suelo (ver Síndrome de la Guerra del Golfo ). [dieciséis]

El uranio empobrecido también se utiliza como material de protección en algunos contenedores que se utilizan para almacenar y transportar materiales radiactivos. Si bien el metal en sí es radiactivo, su alta densidad lo hace más eficaz que el plomo para detener la radiación de fuentes fuertes como el radio . [9] Otros usos del uranio empobrecido incluyen contrapesos para superficies de control de aeronaves, como lastre para vehículos de reentrada de misiles y como material de blindaje. [10] Debido a su alta densidad, este material se encuentra en sistemas de guía inercial y en brújulas giroscópicas . [10]Se prefiere el uranio empobrecido a los metales igualmente densos debido a su capacidad para mecanizarse y fundirse fácilmente, así como a su costo relativamente bajo. [20] El principal riesgo de exposición al uranio empobrecido es el envenenamiento químico por óxido de uranio en lugar de la radiactividad (el uranio es sólo un emisor alfa débil ).

Durante las últimas etapas de la Segunda Guerra Mundial , toda la Guerra Fría y, en menor medida después, el uranio 235 se ha utilizado como material explosivo fisible para producir armas nucleares. Inicialmente, se construyeron dos tipos principales de bombas de fisión: un dispositivo relativamente simple que usa uranio-235 y un mecanismo más complicado que usa plutonio-239 derivado del uranio-238. Más tarde, se construyó un tipo de bomba de fisión / fusión ( arma termonuclear ) mucho más complicada y mucho más poderosa , que utiliza un dispositivo a base de plutonio para hacer que una mezcla de tritio y deuterio se someta a una fusión nuclear.. Estas bombas están encamisadas en una caja de uranio no fisionable (no enriquecido) y obtienen más de la mitad de su energía de la fisión de este material por los neutrones rápidos del proceso de fusión nuclear. [21]

Civil

El uso civil más visible del uranio es como fuente de energía térmica utilizada en plantas de energía nuclear .

El principal uso del uranio en el sector civil es para alimentar plantas de energía nuclear . Un kilogramo de uranio-235 puede producir teóricamente unos 20 terajulios de energía (2 × 10 13  julios ), suponiendo una fisión completa; tanta energía como 1,5 millones de kilogramos (1.500 toneladas ) de carbón . [6]

Las plantas de energía nuclear comerciales utilizan combustible que normalmente se enriquece con aproximadamente un 3% de uranio-235. [6] Los diseños CANDU y Magnox son los únicos reactores comerciales capaces de utilizar combustible de uranio no enriquecido. El combustible utilizado para los reactores de la Armada de los Estados Unidos suele estar muy enriquecido en uranio-235 (los valores exactos están clasificados ). En un reactor reproductor , el uranio-238 también se puede convertir en plutonio mediante la siguiente reacción: [10]

238 92U+ n → 239 92U+ γ β -→  239 93Notario público β -→  239 94Pu
Vidrio de uranio brillando bajo luz ultravioleta

Antes (y, ocasionalmente, después) del descubrimiento de la radiactividad, el uranio se usaba principalmente en pequeñas cantidades para vidrios amarillos y esmaltes de cerámica, como el vidrio de uranio y en Fiestaware . [22]

El descubrimiento y aislamiento de radio en mineral de uranio (pecblenda) por Marie Curie provocó el desarrollo de la minería de uranio para extraer el radio, que se utilizó para hacer pinturas que brillan en la oscuridad para relojes y diales de aviones. [23] [24] Esto dejó una cantidad prodigiosa de uranio como producto de desecho, ya que se necesitan tres toneladas de uranio para extraer un gramo de radio. Este producto de desecho se desvió a la industria del vidriado, lo que hace que los vidriados de uranio sean muy económicos y abundantes. Además de los esmaltes de cerámica, los esmaltes de baldosas de uranio representaron la mayor parte del uso, incluidos los azulejos comunes de baño y cocina que se pueden producir en verde, amarillo, malva., negro, azul, rojo y otros colores.

Esmalte de cerámica de uranio que brilla bajo luz ultravioleta Diseño y desarrollo por el Dr. Sencer Sarı
Vidrio de uranio utilizado como sellos de entrada en un condensador de vacío

El uranio también se utilizó en productos químicos fotográficos (especialmente nitrato de uranio como tóner ), [10] en filamentos de lámparas para bombillas de iluminación de escenarios , [25] para mejorar la apariencia de las dentaduras postizas , [26] y en las industrias del cuero y la madera para tintes y tintes. Las sales de uranio son mordientes de seda o lana. El acetato de uranilo y el formiato de uranilo se utilizan como "tinciones" densas en electrones en microscopía electrónica de transmisión , para aumentar el contraste de muestras biológicas en secciones ultrafinas y en tinciones negativas de virus aislados.orgánulos celulares y macromoléculas .

El descubrimiento de la radiactividad del uranio marcó el comienzo de usos científicos y prácticos adicionales del elemento. La larga vida media del isótopo uranio-238 (4,51 × 10 9 años) lo hace muy adecuado para su uso en la estimación de la edad de las rocas ígneas más antiguas y para otros tipos de datación radiométrica , incluida la datación por uranio-torio , uranio- datación por plomo y datación del uranio-uranio . El uranio metálico se utiliza para objetivos de rayos X en la elaboración de rayos X de alta energía. [10]

Historia

Uso previo al descubrimiento

El planeta Urano , cuyo nombre lleva el uranio

El uso de uranio en su forma de óxido natural se remonta al menos al año 79 EC , cuando se usó en el Imperio Romano para agregar un color amarillo a los esmaltes cerámicos . [10] RT Gunther de la Universidad de Oxford encontró vidrio amarillo con un 1% de óxido de uranio en una villa romana en el cabo Posillipo en la bahía de Nápoles , Italia en 1912. [27] A partir de finales de la Edad Media , la pitchblenda fue extraído de las minas de plata de Habsburgo en Joachimsthal , Bohemia(ahora Jáchymov en la República Checa), y se usó como colorante en la industria local de fabricación de vidrio . [28] A principios del siglo XIX, las únicas fuentes conocidas de mineral de uranio eran estas minas.

Descubrimiento

Antoine Henri Becquerel descubrió el fenómeno de la radiactividad al exponer una placa fotográfica al uranio en 1896.

El descubrimiento del elemento se atribuye al químico alemán Martin Heinrich Klaproth . Mientras trabajaba en su laboratorio experimental en Berlín en 1789, Klaproth pudo precipitar un compuesto amarillo (probablemente diuranato de sodio ) disolviendo la pechblenda en ácido nítrico y neutralizando la solución con hidróxido de sodio . [28] Klaproth asumió que la sustancia amarilla era el óxido de un elemento aún no descubierto y lo calentó con carbón vegetal para obtener un polvo negro, que pensó que era el metal recién descubierto (de hecho, ese polvo era un óxido de uranio). [28] [29]Llamó al elemento recién descubierto en honor al planeta Urano (llamado así por el dios griego primordial del cielo ), que había sido descubierto ocho años antes por William Herschel . [30]

En 1841, Eugène-Melchior Péligot , profesor de química analítica en el Conservatoire National des Arts et Métiers (Escuela Central de Artes y Manufacturas) de París , aisló la primera muestra de uranio metálico calentando tetracloruro de uranio con potasio . [28] [31]

Henri Becquerel descubrió la radiactividad utilizando uranio en 1896. [15] Becquerel hizo el descubrimiento en París dejando una muestra de una sal de uranio, K 2 UO 2 (SO 4 ) 2 (uranil sulfato de potasio), encima de una placa fotográfica sin exponer. en un cajón y observando que la placa se había "empañado". [32] Determinó que una forma de luz invisible o rayos emitidos por uranio había expuesto la placa.

Durante la Primera Guerra Mundial, cuando las Potencias Centrales sufrieron escasez de molibdeno para fabricar cañones de artillería y aceros para herramientas de alta velocidad, sustituyeron rutinariamente las aleaciones de ferrouranio que presentan muchas de las mismas características físicas. Cuando esta práctica se dio a conocer en 1916, el gobierno de EE. UU. Solicitó a varias universidades prominentes que investigaran estos usos del uranio y las herramientas fabricadas con estas fórmulas se mantuvieron en uso durante varias décadas y solo terminaron cuando el Proyecto Manhattan y la Guerra Fría impusieron una gran demanda de uranio para la fisión. investigación y desarrollo de armas. [33] [34] [35]

Investigación de la fisión

Cubos y cuboides de uranio producidos durante el proyecto Manhattan

Un equipo dirigido por Enrico Fermi en 1934 observó que bombardear uranio con neutrones produce la emisión de rayos beta ( electrones o positrones de los elementos producidos; ver partícula beta ). [36] Los productos de fisión se confundieron en un principio con elementos nuevos con números atómicos 93 y 94, que el Decano de la Facultad de Roma, Orso Mario Corbino, bautizó como ausonium y hesperium , respectivamente. [37] [38] [39] [40] Los experimentos que llevaron al descubrimiento de la capacidad del uranio para fisión (descomponerse) en elementos más ligeros y liberar energía de enlacefueron realizados por Otto Hahn y Fritz Strassmann [36] en el laboratorio de Hahn en Berlín. Lise Meitner y su sobrino, el físico Otto Robert Frisch , publicaron la explicación física en febrero de 1939 y llamaron al proceso " fisión nuclear ". [41] Poco después, Fermi planteó la hipótesis de que la fisión del uranio podría liberar suficientes neutrones para sustentar una reacción de fisión. La confirmación de esta hipótesis se produjo en 1939, y un trabajo posterior descubrió que, en promedio, se liberan aproximadamente 2,5 neutrones por cada fisión del raro isótopo de uranio uranio-235. [36] Fermi instó a Alfred OC Nierpara separar isótopos de uranio para la determinación del componente fisible, y el 29 de febrero de 1940, Nier utilizó un instrumento que construyó en la Universidad de Minnesota para separar la primera muestra de uranio-235 del mundo en el Laboratorio Tate. Después de enviado a la Universidad de Columbia 's ciclotrón , John Dunning confirmó que la muestra sea el material fisible aislado el 1 de marzo [42] Más trabajo encontró que la mucho más común isótopo uranio-238 puede ser transmutado en plutonio, que, como uranio 235, también es fisionable por neutrones térmicos. Estos descubrimientos llevaron a numerosos países a comenzar a trabajar en el desarrollo de armas nucleares y energía nuclear .

El 2 de diciembre de 1942, como parte del Proyecto Manhattan , otro equipo dirigido por Enrico Fermi pudo iniciar la primera reacción en cadena nuclear artificial autosostenida , Chicago Pile-1 . Se abandonó un plan inicial que utilizaba uranio-235 enriquecido porque aún no estaba disponible en cantidades suficientes. [43] Trabajando en un laboratorio debajo de las gradas de Stagg Field en la Universidad de Chicago , el equipo creó las condiciones necesarias para tal reacción al juntar 400  toneladas cortas (360  toneladas métricas ) de grafito , 58 toneladas cortas (53 toneladas métricas) ) de óxido de uranioy seis toneladas cortas (5,5 toneladas métricas) de uranio metálico, la mayoría de las cuales fue suministrada por Westinghouse Lamp Plant en un proceso de producción improvisado. [36] [44]

Armamento nuclear

La nube en forma de hongo sobre Hiroshima después del lanzamiento de la bomba atómica a base de uranio apodada ' Little Boy '

Estados Unidos desarrolló dos tipos principales de bombas atómicas durante la Segunda Guerra Mundial : un dispositivo a base de uranio (con nombre en código " Little Boy ") cuyo material fisionable era uranio altamente enriquecido , y un dispositivo a base de plutonio (consulte la prueba Trinity y " Fat Man ") cuyo plutonio se derivó del uranio-238. El dispositivo Little Boy a base de uranio se convirtió en la primera arma nuclear utilizada en la guerra cuando fue detonado sobre la ciudad japonesa de Hiroshima el 6 de agosto de 1945. Explotando con un rendimiento equivalente a 12.500 toneladas de TNT , la explosión y la onda térmica de la bomba destruida cerca de 50.000 edificios y mató a aproximadamente 75.000 personas (verBombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki ). [32] Inicialmente se creía que el uranio era relativamente raro y que la proliferación nuclear podría evitarse simplemente comprando todas las existencias de uranio conocidas, pero en una década se descubrieron grandes depósitos en muchos lugares del mundo. [45]

Reactores

Una sala industrial con cuatro grandes bombillas iluminadas que cuelgan de una barra.
Cuatro bombillas encendidas con electricidad generada a partir del primer reactor nuclear de producción de electricidad artificial, EBR-I (1951)

El reactor de grafito X-10 en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) en Oak Ridge, Tennessee, anteriormente conocido como Clinton Pile y X-10 Pile, fue el segundo reactor nuclear artificial del mundo (después del Chicago Pile de Enrico Fermi) y fue el primero Reactor diseñado y construido para operación continua. Argonne National Laboratory 's EBR-I , que se encuentra en la estación Reactor Testing Nacional de la Comisión de Energía Atómica cerca de Arco, Idaho , se convirtió en el primer reactor nuclear para generar electricidad, el 20 de diciembre de 1951. [46]Inicialmente, el reactor encendió cuatro bombillas de 150 vatios, pero las mejoras finalmente le permitieron alimentar toda la instalación (más tarde, la ciudad de Arco se convirtió en la primera en el mundo en tener toda su electricidad proveniente de energía nuclear generada por BORAX- III , otro reactor diseñado y operado por el Laboratorio Nacional Argonne ). [47] [48] La primera central nuclear a escala comercial del mundo, Obninsk en la Unión Soviética , comenzó a generar con su reactor AM-1 el 27 de junio de 1954. Otras plantas de energía nuclear tempranas fueron Calder Hall en Inglaterra , que comenzó a generar el 17 Octubre de 1956, [49] y elShippingport Atomic Power Station en Pennsylvania , que comenzó el 26 de mayo de 1958. La energía nuclear se utilizó por primera vez para la propulsión de un submarino , el USS Nautilus , en 1954. [36] [50]

Fisión natural prehistórica

En 1972, el físico francés Francis Perrin descubrió quince reactores de fisión nuclear natural antiguos y que ya no estaban activos en tres depósitos de mineral separados en la mina Oklo en Gabón , África Occidental , conocidos colectivamente como Reactores Fósiles de Oklo . El depósito de mineral tiene 1.700 millones de años; luego, el uranio-235 constituía aproximadamente el 3% del uranio total en la Tierra. [51] Esto es lo suficientemente alto como para permitir que ocurra una reacción en cadena de fisión nuclear sostenida, siempre que existan otras condiciones de apoyo. La capacidad del sedimento circundante para contener los desechos nucleares.Los productos han sido citados por el gobierno federal de los Estados Unidos como evidencia de respaldo de la viabilidad de almacenar combustible nuclear gastado en el depósito de desechos nucleares de Yucca Mountain . [51]

Contaminación y el legado de la Guerra Fría

Un gráfico que muestra la evolución del número de armas nucleares en los EE. UU. Y la URSS y en el período 1945-2005. Estados Unidos domina los primeros años y la URSS en los años posteriores y se cruza alrededor de 1978.
Arsenales de armas nucleares de EE. UU. Y la URSS / Rusia, 1945-2005

Los ensayos nucleares sobre el suelo realizados por la Unión Soviética y los Estados Unidos en los años cincuenta y principios de los sesenta y por Francia en los setenta y ochenta [20] propagaron una cantidad significativa de las consecuencias de los isótopos hijos del uranio en todo el mundo. [52] Se produjeron más lluvia radiactiva y contaminación de varios accidentes nucleares . [53]

Los mineros de uranio tienen una mayor incidencia de cáncer . Por ejemplo, se ha documentado y vinculado a su ocupación un riesgo excesivo de cáncer de pulmón entre los mineros de uranio navajo . [54] La Ley de Compensación por Exposición a la Radiación , una ley de 1990 en los Estados Unidos, requería $ 100,000 en "pagos por compasión" a los mineros de uranio diagnosticados con cáncer u otras dolencias respiratorias. [55]

Durante la Guerra Fría entre la Unión Soviética y Estados Unidos, se acumularon enormes arsenales de uranio y se crearon decenas de miles de armas nucleares utilizando uranio enriquecido y plutonio fabricado con uranio. Desde la desintegración de la Unión Soviética en 1991, se estima que 600 toneladas cortas (540 toneladas métricas) de uranio de grado armamentístico altamente enriquecido (suficiente para fabricar 40.000 ojivas nucleares) se han almacenado en instalaciones a menudo inadecuadamente vigiladas en la Federación de Rusia y varias otros ex estados soviéticos. [16] La policía de Asia , Europa y América del Sur en al menos 16 ocasiones entre 1993 y 2005 ha interceptado envíos.de uranio o plutonio apto para bombas de contrabando, la mayoría de los cuales procedía de fuentes ex soviéticas. [16] De 1993 a 2005, el Material Protección, Control y Contabilidad Programa, operado por el gobierno federal de los Estados Unidos , gastado aproximadamente US $ 550 millones para el uranio y plutonio ayudan a proteger las reservas en Rusia. [16] Este dinero se utilizó para mejoras y mejoras de seguridad en las instalaciones de investigación y almacenamiento. Científico americanoinformó en febrero de 2006 que en algunas de las instalaciones la seguridad consistía en vallas de alambre que se encontraban en grave estado de deterioro. Según una entrevista del artículo, una instalación había estado almacenando muestras de uranio enriquecido (apto para armas) en un armario de escobas antes del proyecto de mejora; otro había estado haciendo un seguimiento de su stock de ojivas nucleares utilizando fichas guardadas en una caja de zapatos. [56]

Ocurrencia

Origen

Junto con todos los elementos que tienen un peso atómico superior al del hierro , el uranio solo se forma naturalmente mediante el proceso r (captura rápida de neutrones) en las fusiones de supernovas y estrellas de neutrones . [57] El torio y el uranio primordiales solo se producen en el proceso r, porque el proceso s (captura lenta de neutrones) es demasiado lento y no puede pasar la brecha de inestabilidad después del bismuto. [58] [59] Además de los dos isótopos de uranio primordial existentes, 235 U y 238 U, el proceso r también produjo cantidades significativas de 236 U, que tiene una vida media más corta y desde hace mucho tiempo se descompuso completamente a 232 Th, que a su vez se enriqueció con la desintegración de 244 Pu , lo que explica la abundancia de torio más alta de lo esperado y la abundancia de uranio más baja de lo esperado . [60] Si bien la abundancia natural de uranio se ha complementado con la desintegración de 242 Pu extintos (vida media 0,375 millones de años) y 247 Cm (vida media 16 millones de años), produciendo 238 U y 235 U respectivamente, esto ocurrió a en un grado casi insignificante debido a las vidas medias más cortas de estos padres y su menor producción que 236 U y 244Pu, los padres del torio: la relación 247 Cm: 235 U en la formación del Sistema Solar fue(7,0 ± 1,6) × 10 −5 . [61]

Biótico y abiótico

La uraninita, también conocida como pechblenda, es el mineral más común que se extrae para extraer uranio.
La evolución del flujo de calor radiogénico de la Tierra a lo largo del tiempo: contribución de 235 U en rojo y de 238 U en verde

El uranio es un elemento natural que se puede encontrar en niveles bajos en todas las rocas, el suelo y el agua. El uranio es el elemento número 51 en orden de abundancia en la corteza terrestre. El uranio es también el elemento con el número más alto que se encuentra naturalmente en cantidades significativas en la Tierra y casi siempre se encuentra combinado con otros elementos. [10] Se cree que la desintegración del uranio, torio y potasio-40 en el manto de la Tierra es la principal fuente de calor [62] [63] que mantiene el núcleo externo de la Tierra en estado líquido e impulsa la convección del manto , que en gire impulsa la tectónica de placas.

La concentración promedio de uranio en la corteza terrestre es (según la referencia) de 2 a 4 partes por millón, [9] [20] o aproximadamente 40 veces más abundante que la plata . [15] Se calcula que la corteza terrestre desde la superficie hasta 25 km (15 millas) hacia abajo contiene 10 17  kg (2 × 10 17  lb) de uranio, mientras que los océanos pueden contener 10 13  kg (2 × 10 13  lb). [9] La concentración de uranio en el suelo varía de 0,7 a 11 partes por millón (hasta 15 partes por millón en suelos agrícolas debido al uso de fertilizantes fosfatados), y su concentración en agua de mar es de 3 partes por mil millones. [20]

El uranio es más abundante que el antimonio , el estaño , el cadmio , el mercurio o la plata, y es tan abundante como el arsénico o el molibdeno . [10] [20] El uranio se encuentra en cientos de minerales, incluyendo uraninita (el mineral de uranio más común ), carnotita , autunita , uranofano , torbernita y coffinita . [10] Se producen concentraciones significativas de uranio en algunas sustancias, como los depósitos de rocas de fosfato y minerales como el lignito.y arenas de monacita en minerales ricos en uranio [10] (se recupera comercialmente de fuentes con tan solo 0,1% de uranio [15] ).

Las especies de Citrobacter pueden tener concentraciones de uranio en sus células 300 veces el nivel del medio ambiente circundante.

Algunas bacterias, como Shewanella putrefaciens , Geobacter metalireducens y algunas cepas de Burkholderia fungorum , utilizan uranio para su crecimiento y convierten U (VI) en U (IV). [64] [65] Investigaciones recientes sugieren que esta vía incluye la reducción del U (VI) soluble a través de un estado pentavalente de U (V) intermedio. [66] [67]

Otros organismos, como el liquen Trapelia involuta o microorganismos como la bacteria Citrobacter , pueden absorber concentraciones de uranio hasta 300 veces superiores al nivel de su entorno. [68] Las especies de Citrobacter absorben iones de uranilo cuando se les administra fosfato de glicerol (u otros fosfatos orgánicos similares). Después de un día, un gramo de bacterias puede incrustarse con nueve gramos de cristales de fosfato de uranilo; esto crea la posibilidad de que estos organismos puedan utilizarse en la biorremediación para descontaminar el agua contaminada con uranio. [28] [69] La proteobacteriaTambién se ha demostrado que Geobacter biorremedia el uranio en las aguas subterráneas. [70] El hongo micorrízico Glomus intraradices aumenta el contenido de uranio en las raíces de su planta simbiótica. [71]

En la naturaleza, el uranio (VI) forma complejos de carbonato altamente solubles a pH alcalino. Esto conduce a un aumento de la movilidad y la disponibilidad de uranio a las aguas subterráneas y al suelo a partir de desechos nucleares, lo que genera riesgos para la salud. Sin embargo, es difícil precipitar uranio como fosfato en presencia de un exceso de carbonato a pH alcalino. Una Sphingomonas sp. Se ha descubierto que la cepa BSAR-1 expresa una fosfatasa alcalina de alta actividad (PhoK) que se ha aplicado para la bioprecipitación de uranio como especies de fosfato de uranilo a partir de soluciones alcalinas. La capacidad de precipitación se mejoró al sobreexpresar la proteína PhoK en E. coli . [72]

Las plantas absorben algo de uranio del suelo. Las concentraciones de peso seco de uranio en las plantas oscilan entre 5 y 60 partes por mil millones, y la ceniza de la madera quemada puede tener concentraciones de hasta 4 partes por millón. [28] Las concentraciones de uranio en peso seco en las plantas alimenticias son típicamente más bajas con uno o dos microgramos por día ingeridos a través de los alimentos que ingiere la gente. [28]

Producción y minería

Producción de uranio en 2015 [73]

La producción mundial de U 3 O 8 (torta amarilla) en 2013 ascendió a 70.015 toneladas , de las cuales 22.451 toneladas (32%) se extrajeron en Kazajstán . Otros importantes países mineros de uranio son Canadá (9.331 t), Australia (6.350 t), Níger (4.518 t), Namibia (4.323 t) y Rusia (3.135 t). [74]

El mineral de uranio se extrae de varias formas: mediante extracción a cielo abierto , subterráneo , lixiviación in situ y extracción de pozos (ver extracción de uranio ). [6] El mineral de uranio de baja ley extraído normalmente contiene de 0,01 a 0,25% de óxidos de uranio. Deben emplearse medidas extensivas para extraer el metal de su mineral. [75] Los minerales de alta ley que se encuentran en los depósitos de la cuenca de Athabasca en Saskatchewan , Canadá, pueden contener hasta un 23% de óxidos de uranio en promedio. [76] El mineral de uranio se tritura y se convierte en un polvo fino y luego se lixivia con un ácido o un álcali . El lixiviadose somete a una de varias secuencias de precipitación, extracción con disolvente e intercambio iónico. La mezcla resultante, llamada torta amarilla , contiene al menos un 75% de óxidos de uranio U 3 O 8 . Luego, la torta amarilla se calcina para eliminar las impurezas del proceso de molienda antes del refinado y la conversión. [77]

El uranio de calidad comercial se puede producir mediante la reducción de haluros de uranio con metales alcalinos o alcalinotérreos . [10] El uranio metálico también se puede preparar mediante electrólisis de KUF.
5o UF4, disuelto en cloruro de calcio fundido ( Ca Cl
2) y solución de cloruro de sodio ( Na Cl). [10] El uranio muy puro se produce mediante la descomposición térmica de haluros de uranio en un filamento caliente. [10]

  • Producción (minas) y demanda mundial de uranio [74]

  • La torta amarilla es una mezcla concentrada de óxidos de uranio que se refina aún más para extraer uranio puro.

Recursos y reservas

Se estima que existen 5,5 millones de toneladas de uranio en reservas de mineral que son económicamente viables a 59 dólares EE.UU. por libra de uranio, [78] mientras que 35 millones de toneladas se clasifican como recursos minerales (perspectivas razonables para una eventual extracción económica). [79] Los precios pasaron de alrededor de $ 10 / lb en mayo de 2003 a $ 138 / lb en julio de 2007. Esto ha provocado un gran aumento en el gasto en exploración, [78] con US $ 200 millones en todo el mundo en 2005, un aumento del 54% en el año previo. [79] Esta tendencia continuó durante 2006, cuando el gasto en exploración se disparó a más de 774 millones de dólares, un aumento de más del 250% en comparación con 2004. Agencia de Energía Nuclear de la OCDE dijo que las cifras de exploración para 2007 probablemente coincidirían con las de 2006. [78]

Australia tiene el 31% de las reservas de mineral de uranio conocidas del mundo [80] y el depósito de uranio más grande del mundo, ubicado en la mina Olympic Dam en Australia del Sur . [81] Existe una importante reserva de uranio en Bakouma , una subprefectura de la prefectura de Mbomou en la República Centroafricana . [82]

Parte del combustible nuclear proviene del desmantelamiento de armas nucleares [83] , como el programa de megavatios a megavatios .

Se estima que hay 4.600 millones de toneladas adicionales de uranio en el agua de mar ( los científicos japoneses demostraron en la década de 1980 que la extracción de uranio del agua de mar mediante intercambiadores de iones era técnicamente factible). [84] [85] Se han realizado experimentos para extraer uranio del agua de mar, [86] pero el rendimiento ha sido bajo debido al carbonato presente en el agua. En 2012, los investigadores de ORNL anunciaron el desarrollo exitoso de un nuevo material absorbente denominado HiCap que realiza la retención superficial de moléculas sólidas o gaseosas, átomos o iones y también elimina de manera efectiva los metales tóxicos del agua, según los resultados verificados por investigadores del Pacific Northwest National Laboratory.[87] [88]

Suministros

Precio spot mensual del uranio en dólares estadounidenses por libra. El pico de precios de 2007 es claramente visible. [89]

En 2005, diecisiete países produjeron óxidos de uranio concentrados: Canadá (27,9% de la producción mundial), Australia (22,8%), Kazajstán (10,5%), Rusia (8,0%), Namibia (7,5%), Níger (7,4%), Uzbekistán. (5,5%), Estados Unidos (2,5%), Argentina (2,1%), Ucrania (1,9%) y China (1,7%). [90] En 2008, se pronosticó que Kazajstán aumentaría la producción y podría haberse convertido en el mayor productor mundial de uranio en 2009 con una producción prevista de 12.826 toneladas, en comparación con Canadá con 11.100 toneladas y Australia con 9.430 toneladas. [91][92] Las predicciones se han hecho realidad. En 2019, Kazajstán produce la mayor parte de uranio de las minas, el 42% del suministro mundial, seguido de Canadá (13%) y Australia (12%), Namibia (10%), Uzbekistán (6%), Níger (5%), Rusia. (5%), China (3%), Ucrania (1,5%), EE.UU. (0,12%), India (0,6%), Irán (0,13%), con una producción mundial total de 54752 toneladas de minas. [93] Sin embargo, cabe mencionar que en 2019 el uranio se extrajo no solo mediante la minería subterránea convencional de minerales el 43% de la producción (54752 toneladas), donde la roca mineralizada se extrae del suelo, rompiéndola y tratándola para remover el se buscan minerales, sino también mediante métodos de lixiviación in situ (ISL) el 57% de la producción mundial (64566 toneladas). [94] [93]

A finales de la década de 1960, los geólogos de la ONU también descubrieron importantes depósitos de uranio y otras reservas de minerales raros en Somalia . El hallazgo fue el más grande de su tipo, y los expertos de la industria estimaron los depósitos en más del 25% de las reservas de uranio conocidas en ese momento en el mundo de 800.000 toneladas. [95]

Se cree que la oferta final disponible será suficiente durante al menos los próximos 85 años, [79] aunque algunos estudios indican que la inversión insuficiente a finales del siglo XX puede producir problemas de oferta en el siglo XXI. [96] Los depósitos de uranio parecen tener una distribución logarítmica normal. Hay un aumento de 300 veces en la cantidad de uranio recuperable por cada disminución de diez veces en la ley del mineral. [97] En otras palabras, hay poco mineral de alta ley y proporcionalmente mucho más mineral disponible de baja ley.

Compuestos

Reacciones del uranio metálico

Estados de oxidación y óxidos

Óxidos

El octóxido de triuranio (izquierda) y el dióxido de uranio (derecha) son los dos óxidos de uranio más comunes.

La torta amarilla de uranio calcinado, como se produce en muchos grandes molinos, contiene una distribución de especies de oxidación de uranio en varias formas que van desde las más oxidadas a las menos oxidadas. Las partículas con tiempos de residencia cortos en un calcinador generalmente estarán menos oxidadas que aquellas con tiempos de retención prolongados o las partículas recuperadas en el lavador de pilas. El contenido de uranio generalmente se hace referencia a U
3O
8, que data de los días del Proyecto Manhattan cuando U
3O
8 se utilizó como estándar de informes de química analítica.

Las relaciones de fase en el sistema uranio-oxígeno son complejas. Los estados de oxidación más importantes del uranio son el uranio (IV) y el uranio (VI), y sus dos óxidos correspondientes son, respectivamente, el dióxido de uranio ( UO
2) y trióxido de uranio ( UO
3). [98] Otros óxidos de uranio como el monóxido de uranio (UO), el pentóxido de diuranio ( U
2O
5) y peróxido de uranio ( UO
4· 2H
2O ) también existen.

Las formas más comunes de óxido de uranio son el octóxido de triuranio ( U
3O
8) y UO
2. [99] Ambas formas de óxido son sólidos que tienen baja solubilidad en agua y son relativamente estables en una amplia gama de condiciones ambientales. El octóxido de triuranio es (según las condiciones) el compuesto más estable de uranio y es la forma que se encuentra con mayor frecuencia en la naturaleza. El dióxido de uranio es la forma en la que el uranio se usa más comúnmente como combustible para reactores nucleares. [99] A temperatura ambiente, UO
2gradualmente se convertirá en U
3O
8. Debido a su estabilidad, los óxidos de uranio generalmente se consideran la forma química preferida para el almacenamiento o la eliminación. [99]

Química acuosa

Uranio en sus estados de oxidación III, IV, V, VI

Las sales de muchos estados de oxidación del uranio son solubles en agua y pueden estudiarse en soluciones acuosas . Las formas iónicas más comunes son U3+
(marrón-rojo), U4+
(verde), UO+
2(inestable) y UO2+
2(amarillo), para U (III), U (IV), U (V) y U (VI), respectivamente. [100] Existen algunos compuestos sólidos y semimetálicos como UO y US para el uranio en estado de oxidación formal (II), pero no se sabe que existan iones simples en solución para ese estado. Iones de U3+
liberan hidrógeno del agua y, por tanto, se consideran muy inestables. La UO2+
2El ion representa el estado de uranio (VI) y se sabe que forma compuestos tales como carbonato de uranilo , cloruro de uranilo y sulfato de uranilo . UO2+
2también forma complejos con varios agentes quelantes orgánicos , el más común de los cuales es el acetato de uranilo . [100]

A diferencia de las sales de uranilo de uranio y de las formas catiónicas de óxido de uranio de ion poliatómico , los uranatos , sales que contienen un anión de óxido de uranio poliatómico, generalmente no son solubles en agua.

Carbonatos

Las interacciones de los aniones de carbonato con uranio (VI) hacen que el diagrama de Pourbaix cambie mucho cuando el medio se cambia de agua a una solución que contiene carbonato. Si bien la gran mayoría de los carbonatos son insolubles en agua (a los estudiantes a menudo se les enseña que todos los carbonatos, excepto los de los metales alcalinos, son insolubles en agua), los carbonatos de uranio a menudo son solubles en agua. Esto se debe a que un catión U (VI) puede unir dos óxidos terminales y tres o más carbonatos para formar complejos aniónicos.

Diagramas de Pourbaix [101]
Un gráfico de potencial vs. pH que muestra las regiones de estabilidad de varios compuestos de uranio.
Un gráfico de potencial vs. pH que muestra las regiones de estabilidad de varios compuestos de uranio.
Uranio en un medio acuoso no complejante (por ejemplo, ácido perclórico / hidróxido de sodio). [101]Uranio en solución de carbonato
Un gráfico de potencial vs. pH que muestra las regiones de estabilidad de varios compuestos de uranio.
Un gráfico de potencial vs. pH que muestra las regiones de estabilidad de varios compuestos de uranio.
Concentraciones relativas de las diferentes formas químicas del uranio en un medio acuoso no complejante (por ejemplo, ácido perclórico / hidróxido de sodio). [101]Concentraciones relativas de las diferentes formas químicas del uranio en una solución acuosa de carbonato. [101]

Efectos del pH

Los diagramas de fracción de uranio en presencia de carbonato ilustran esto aún más: cuando el pH de una solución de uranio (VI) aumenta, el uranio se convierte en un hidróxido de óxido de uranio hidratado y, a pH altos, se convierte en un complejo de hidróxido aniónico.

Cuando se agrega carbonato, el uranio se convierte en una serie de complejos de carbonato si se aumenta el pH. Un efecto de estas reacciones es el aumento de la solubilidad del uranio en el rango de pH de 6 a 8, un hecho que influye directamente en la estabilidad a largo plazo de los combustibles nucleares de dióxido de uranio gastados.

Hidruros, carburos y nitruros

El uranio metálico calentado a 250 a 300 ° C (482 a 572 ° F) reacciona con hidrógeno para formar hidruro de uranio . Incluso temperaturas más altas eliminarán el hidrógeno de forma reversible. Esta propiedad hace que los hidruros de uranio sean materiales de partida convenientes para crear polvo de uranio reactivo junto con varios compuestos de carburo , nitruro y haluro de uranio . [102] Existen dos modificaciones cristalinas de hidruro de uranio: una forma α que se obtiene a bajas temperaturas y una forma β que se crea cuando la temperatura de formación es superior a 250 ° C. [102]

Los carburos de uranio y los nitruros de uranio son compuestos semimetálicos relativamente inertes que son mínimamente solubles en ácidos , reaccionan con el agua y pueden encenderse en el aire para formar U
3O
8. [102] Los carburos de uranio incluyen monocarburo de uranio (U C ), dicarburo de uranio ( UC
2) y tricarbida de diuranio ( U
2C
3). Tanto UC como UC
2se forman añadiendo carbono al uranio fundido o exponiendo el metal al monóxido de carbono a altas temperaturas. Estable por debajo de 1800 ° C, U
2C
3se prepara sometiendo una mezcla caliente de UC y UC
2al estrés mecánico. [103] Los nitruros de uranio obtenidos por exposición directa del metal al nitrógeno incluyen mononitruro de uranio (ONU), dinitruro de uranio ( ONU)
2) y trinitruro de diuranio ( U
2norte
3). [103]

Haluros

El hexafluoruro de uranio es la materia prima utilizada para separar el uranio-235 del uranio natural.

Todos los fluoruros de uranio se crean utilizando tetrafluoruro de uranio ( UF
4); UF
4en sí mismo se prepara mediante hidrofluoración de dióxido de uranio. [102] Reducción de UF
4con hidrógeno a 1000 ° C produce trifluoruro de uranio ( UF
3). En las condiciones adecuadas de temperatura y presión, la reacción de UF sólido
4con hexafluoruro de uranio gaseoso ( UF
6) puede formar los fluoruros intermedios de U
2F
9, U
4F
17y UF
5. [102]

A temperatura ambiente, UF
6tiene una alta presión de vapor , lo que lo hace útil en el proceso de difusión gaseosa para separar el raro uranio-235 del isótopo común de uranio-238. Este compuesto puede prepararse a partir de dióxido de uranio e hidruro de uranio mediante el siguiente proceso: [102]

UO
2+ 4 HF → UF
4+ 2 H
2O (500 ° C, endotérmico)
UF
4+ F
2→ UF
6 (350 ° C, endotérmico)

La UF resultante
6, un sólido blanco, es altamente reactivo (por fluoración), se sublima fácilmente (emitiendo un vapor que se comporta como un gas casi ideal ), y es el compuesto de uranio más volátil que se conoce. [102]

Un método de preparación de tetracloruro de uranio ( UCl
4) consiste en combinar directamente cloro con uranio metálico o hidruro de uranio. La reducción de UCl
4por hidrógeno produce tricloruro de uranio ( UCl
3) mientras que los cloruros superiores de uranio se preparan por reacción con cloro adicional. [102] Todos los cloruros de uranio reaccionan con el agua y el aire.

Los bromuros y yoduros de uranio se forman por reacción directa de, respectivamente, bromo y yodo con uranio o añadiendo UH
3a los ácidos de esos elementos. [102] Los ejemplos conocidos incluyen: UBr
3, UBr
4, Interfaz de usuario
3y UI
4. Interfaz de usuario
5nunca ha sido preparado. Los oxihaluros de uranio son solubles en agua e incluyen UO
2F
2, UOCl
2, UO
2Cl
2y UO
2Br
2. La estabilidad de los oxihaluros disminuye a medida que aumenta el peso atómico del componente haluro. [102]

Isótopos

Concentraciones naturales

El uranio natural consta de tres isótopos principales : uranio-238 (99,28% de abundancia natural ), uranio-235 (0,71%) y uranio-234 (0,0054%). Los tres son radiactivos y emiten partículas alfa , con la excepción de que los tres isótopos tienen pequeñas probabilidades de sufrir una fisión espontánea . También hay otros cinco isótopos traza: uranio-239, que se forma cuando 238 U sufre una fisión espontánea, liberando neutrones que son capturados por otro átomo de 238 U; uranio-237, que se forma cuando 238 U captura un neutrón pero emite dos más, que luego se desintegra aneptunio-237 ; y finalmente, el uranio-233, que se forma en la cadena de desintegración de ese neptunio-237. También se espera que el torio-232 pueda experimentar una doble desintegración beta , lo que produciría uranio-232, pero esto aún no se ha observado experimentalmente. [104]

El uranio-238 es el isótopo más estable del uranio, con una vida media de aproximadamente 4,468 × 10 9 años, aproximadamente la edad de la Tierra . El uranio-235 tiene una vida media de aproximadamente 7,13 × 10 8 años, y el uranio-234 tiene una vida media de aproximadamente 2,48 × 10 5 años. [105] Para el uranio natural, aproximadamente el 49% de sus rayos alfa son emitidos por 238 U, y también el 49% por 234 U (ya que el último está formado por el primero) y aproximadamente el 2,0% de ellos por 235 U. Cuando el La Tierra era joven, probablemente alrededor de una quinta parte de su uranio era uranio-235, pero el porcentaje de 234U probablemente era mucho más bajo que esto.

El uranio-238 suele ser un emisor α (ocasionalmente, sufre una fisión espontánea), y se descompone a través de la serie del uranio , que tiene 18 miembros, en plomo-206 , mediante una variedad de diferentes rutas de desintegración. [15]

La cadena de desintegración de 235 U, que se llama serie de actinio , tiene 15 miembros y finalmente se desintegra en plomo-207. [15] Las tasas constantes de descomposición en estas series de descomposición hacen que la comparación de las proporciones de elementos parentales a hijos sea útil en la datación radiométrica .

El uranio-234, que es un miembro de la serie del uranio (la cadena de desintegración del uranio-238), se desintegra en plomo-206 a través de una serie de isótopos de vida relativamente corta.

El uranio-233 se fabrica a partir de torio-232 mediante bombardeo de neutrones, generalmente en un reactor nuclear, y el 233 U también es fisionable. [10] Su cadena de desintegración forma parte de la serie del neptunio y termina en bismuto-209 y talio -205.

El uranio-235 es importante tanto para los reactores nucleares como para las armas nucleares , porque es el único isótopo de uranio existente en la naturaleza en la Tierra en una cantidad significativa que es fisionable . Esto significa que se puede dividir en dos o tres fragmentos ( productos de fisión ) mediante neutrones térmicos. [15]

El uranio-238 no es fisible, pero es un isótopo fértil, porque después de la activación neutrónica puede convertirse en plutonio-239 , otro isótopo fisible. De hecho, el núcleo de 238 U puede absorber un neutrón para producir el isótopo radiactivo uranio-239 . El 239 U se desintegra por emisión beta a neptunio -239, también un emisor beta, que a su vez se desintegra, en pocos días, en plutonio-239. 239 Pu se utilizó como material fisionable en la primera bomba atómica detonada en la " prueba Trinity " el 15 de julio de 1945 en Nuevo México . [36]

Enriquecimiento

Se utilizan cascadas de centrifugadoras de gas para enriquecer el mineral de uranio y concentrar sus isótopos fisionables.

En la naturaleza, el uranio se encuentra como uranio-238 (99,2742%) y uranio-235 (0,7204%). La separación de isótopos concentra (enriquece) el uranio-235 fisionable para armas nucleares y la mayoría de las plantas de energía nuclear, excepto para reactores refrigerados por gas y reactores de agua pesada presurizada . La mayoría de los neutrones liberados por un átomo de fisión de uranio-235 deben impactar otros átomos de uranio-235 para sostener la reacción en cadena nuclear . La concentración y la cantidad de uranio-235 necesarias para lograrlo se denomina " masa crítica ".

Para ser considerado "enriquecido", la fracción de uranio-235 debe estar entre el 3% y el 5%. [106] Este proceso produce enormes cantidades de uranio que está empobrecido en uranio-235 y con una fracción correspondientemente aumentada de uranio-238, llamado uranio empobrecido o 'DU'. Para ser considerado "agotado", la concentración de isótopos de uranio-235 no debe ser superior al 0,3%. [107] El precio del uranio ha aumentado desde 2001, por lo que los relaves de enriquecimiento que contienen más del 0,35% de uranio-235 se están considerando para el re-enriquecimiento, lo que eleva el precio del hexafluoruro de uranio empobrecido a más de 130 dólares por kilogramo en julio de 2007 desde 5 dólares en 2001. [107]

El proceso de centrifugación de gas , donde el hexafluoruro de uranio gaseoso ( UF
6) está separada por la diferencia de peso molecular entre 235 UF 6 y 238 UF 6 utilizando centrifugadoras de alta velocidad , es el proceso de enriquecimiento líder y más barato. [32] El proceso de difusión gaseosa había sido el método principal de enriquecimiento y se utilizó en el Proyecto Manhattan . En este proceso, el hexafluoruro de uranio se difunde repetidamente a través de una membrana de plata y zinc , y los diferentes isótopos del uranio se separan por velocidad de difusión (dado que el uranio 238 es más pesado, se difunde ligeramente más lento que el uranio 235). [32] ElEl método de separación de isótopos por láser molecular emplea un rayo láser de energía precisa para cortar el enlace entre el uranio-235 y el flúor. Esto deja el uranio-238 unido al flúor y permite que el metal uranio-235 se precipite de la solución. [6] Un método alternativo de enriquecimiento con láser se conoce como separación de isótopos por láser de vapor atómico (AVLIS) y emplea láseres sintonizables visibles como los láseres de colorante . [108] Otro método utilizado es la difusión térmica líquida. [9]

Exposición humana

Una persona puede estar expuesta al uranio (o sus descendientes radiactivos , como el radón ) al inhalar polvo en el aire o al ingerir agua y alimentos contaminados. La cantidad de uranio en el aire suele ser muy pequeña; sin embargo, las personas que trabajan en fábricas que procesan fertilizantes fosfatados , viven cerca de instalaciones gubernamentales que fabricaron o probaron armas nucleares, viven o trabajan cerca de un campo de batalla moderno donde se han utilizado armas de uranio empobrecido , o viven o trabajan cerca de una central eléctrica de carbón . las instalaciones que extraen o procesan mineral de uranio, o enriquecen uranio para combustible de reactores, pueden tener una mayor exposición al uranio. [109] [110]Las casas o estructuras que se encuentran sobre depósitos de uranio (ya sean depósitos de escoria natural o artificial) pueden tener una mayor incidencia de exposición al gas radón. La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite de exposición permisible para la exposición al uranio en el lugar de trabajo en 0,25 mg / m 3 durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 0,2 mg / m 3 durante una jornada laboral de 8 horas y un límite a corto plazo de 0,6 mg / m 3 . A niveles de 10 mg / m 3 , el uranio es inmediatamente peligroso para la vida y la salud . [111]

La mayor parte del uranio ingerido se excreta durante la digestión . Sólo el 0,5% se absorbe cuando se ingieren formas insolubles de uranio, como su óxido, mientras que la absorción del ion uranilo más soluble puede llegar hasta el 5%. [28] Sin embargo, los compuestos de uranio solubles tienden a pasar rápidamente a través del cuerpo, mientras que los compuestos de uranio insolubles, especialmente cuando se inhalan en forma de polvo hacia los pulmones , presentan un riesgo de exposición más grave. Después de ingresar al torrente sanguíneo, el uranio absorbido tiende a bioacumularse y permanecer durante muchos años en el tejido óseo debido a la afinidad del uranio por los fosfatos. [28] El uranio no se absorbe a través de la piel y las partículas alfa liberado por el uranio no puede penetrar la piel.

El uranio incorporado se convierte en iones de uranilo , que se acumulan en los tejidos óseos, hepáticos, renales y reproductivos. El uranio se puede descontaminar de las superficies de acero [112] y los acuíferos . [113]

Efectos y precauciones

El funcionamiento normal del riñón , cerebro , hígado , corazón y otros sistemas puede verse afectado por la exposición al uranio porque, además de ser débilmente radioactivo, el uranio es un metal tóxico . [28] [114] [115] El uranio también es un tóxico para la reproducción. [116] [117] Los efectos radiológicos son generalmente locales porque la radiación alfa, la forma primaria de la desintegración del 238 U, tiene un alcance muy corto y no penetra en la piel. Se ha demostrado que la radiación alfa del uranio inhalado causa cáncer de pulmón en trabajadores nucleares expuestos. [118] Uranilo ( UO2+
2) Se ha demostrado que los iones, como los del trióxido de uranio o el nitrato de uranilo y otros compuestos de uranio hexavalente, causan defectos de nacimiento y daños al sistema inmunológico en animales de laboratorio. [119] Si bien el CDC ha publicado un estudio en el que no se ha observado cáncer humano como resultado de la exposición al uranio natural o empobrecido, [120] la exposición al uranio y sus productos de descomposición, especialmente el radón , son amenazas importantes para la salud y ampliamente conocidas. [20] Exposición a estroncio-90 , yodo-131y otros productos de fisión no están relacionados con la exposición al uranio, pero pueden ser el resultado de procedimientos médicos o la exposición al combustible gastado del reactor o la lluvia radiactiva de armas nucleares. [121] Aunque la exposición por inhalación accidental a una alta concentración de hexafluoruro de uranio ha provocado la muerte de personas, esas muertes se asociaron con la generación de ácido fluorhídrico y fluoruro de uranilo altamente tóxicos en lugar del uranio en sí. [122] El uranio metálico finamente dividido presenta un riesgo de incendio porque el uranio es pirofórico ; los granos pequeños se encenderán espontáneamente en el aire a temperatura ambiente. [10]

El uranio metálico se maneja comúnmente con guantes como precaución suficiente. [123] El concentrado de uranio se manipula y contiene para garantizar que las personas no lo inhalen ni lo ingieran. [123]

Recopilación del examen de 2004 sobre la toxicidad del uranio [114]
Sistema corporalEstudios humanosEstudios con animalesIn vitro
RenalNiveles elevados de excreción de proteínas, catalasa urinaria y diuresisDaño a los túbulos contorneados proximales, células necróticas proyectadas del epitelio tubular, cambios glomerulares ( insuficiencia renal )Sin estudios
Cerebro / SNCDisminución del rendimiento en pruebas neurocognitivas.Toxicidad colinérgica aguda; Acumulación dosis-dependiente en corteza, mesencéfalo y vermis; Cambios electrofisiológicos en el hipocampo.Sin estudios
ADNAumento de informes de cánceres [55] [124] [125] [126] [54] [127]Mayor mutagenicidad (en ratones) e inducción de tumoresCélulas binucleadas con micronúcleos, inhibición de la cinética del ciclo celular y proliferación; Inducción de cromátidas hermanas, fenotipo tumorigénico
Hueso / músculoSin estudiosInhibición de la formación de hueso periodontal; y cicatrización de heridas alveolaresSin estudios
ReproductivoLos mineros de uranio tienen más hijas primogénitasAtrofia tubular focal moderada a grave; vacuolización de células de LeydigSin estudios
Pulmones / respiratorioNo se informaron efectos adversos para la saludCongestión y hemorragia nasal severa, lesiones pulmonares y fibrosis, edema e hinchazón, cáncer de pulmónSin estudios
GastrointestinalVómitos, diarrea, albuminuria.Sin estudiosSin estudios
HígadoNo se observaron efectos a la dosis de exposición.Hígados grasos, necrosis focalSin estudios
PielNo se dispone de datos de evaluación de la exposición.Células epidérmicas vacuoladas inflamadas, daño a los folículos pilosos y las glándulas sebáceasSin estudios
Tejidos que rodean los fragmentos de uranio empobrecido incrustadosConcentraciones elevadas de uranio en orinaConcentraciones elevadas de uranio en orina, alteraciones en las pruebas bioquímicas y neuropsicológicasSin estudios
Sistema inmunitarioFatiga crónica, erupción cutánea, infecciones de oídos y ojos, pérdida de peso y cabello, tos. Puede deberse a exposición química combinada en lugar de uranio empobrecido soloSin estudiosSin estudios
OjosSin estudiosConjuntivitis, irritación, inflamación, edema, ulceración de sacos conjuntivalesSin estudios
SangreSin estudiosDisminución del recuento de glóbulos rojos y la concentración de hemoglobina.Sin estudios
CardiovascularMiocarditis resultante de la ingestión de uranio, que finalizó seis meses después de la ingestión.Sin efectosSin estudios

Ver también

  • Residuos de K-65
  • Lista de países por producción de uranio
  • Lista de países por reservas de uranio
  • Lista de proyectos de uranio
  • Listas de desastres nucleares e incidentes radiactivos
  • Accidentes e incidentes nucleares y radiológicos
  • Ingeniería Nuclear
  • Ciclo del combustible nuclear
  • Física nuclear
  • Ciclo de combustible de torio
  • Audiencia mundial de uranio

Notas

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Referencias

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  • Seaborg, Glenn T. (1968). "Uranio". La enciclopedia de los elementos químicos . Skokie, Illinois : Reinhold Book Corporation. págs. 773–786. LCCN  68029938 .

enlaces externos

  • EPA de EE. UU .: Información sobre radiación para el uranio
  • "¿Qué es el uranio?" de la Asociación Nuclear Mundial
  • Datos y análisis de combustible nuclear de la Administración de Información Energética de EE. UU.
  • Precio actual de mercado del uranio
  • Mapas mundiales de depósitos de uranio
  • Bibliografía comentada sobre uranio de la Biblioteca digital Alsos
  • Banco de datos de sustancias peligrosas del NLM: uranio, radiactivo
  • CDC - Guía de bolsillo de NIOSH sobre peligros químicos
  • Extracción de uranio en la mina Langer Heinrich de Namibia
  • Noticias nucleares mundiales
  • Estudios de caso de la ATSDR en medicina ambiental: toxicidad por uranio Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE . UU .
  • Uranio en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)