El uranio es un elemento químico ; tiene símbolo U y número atómico 92. Es un metal de color gris plateado de 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 se desintegra radiactivamente , generalmente emitiendo una partícula alfa . La vida media de esta desintegración varía entre 159.200 y 4.500 millones de años para diferentes isótopos , lo que los hace útiles para datar la edad de la Tierra . Los isótopos más comunes en el uranio natural son el uranio-238 (que tiene 146 neutrones y representa más del 99% del uranio de la Tierra) y el uranio-235 (que tiene 143 neutrones). El uranio tiene el peso atómico más alto de los elementos primordiales . Su densidad es aproximadamente un 70% mayor que la del plomo y ligeramente menor 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 . [8]
Muchos usos contemporáneos del uranio aprovechan sus propiedades nucleares únicas . El uranio-235 es el único isótopo fisible de origen natural , lo que hace que se utilice ampliamente en centrales nucleares y armas nucleares . Sin embargo, debido a la baja abundancia de uranio-235 en el uranio natural (que es, abrumadoramente, principalmente uranio-238), es necesario enriquecer el uranio para que haya suficiente uranio-235. El uranio-238 es fisionable por neutrones rápidos y es fértil , lo que significa que puede transmutarse en plutonio-239 fisionable en un reactor nuclear . Otro isótopo fisible, el uranio-233 , puede producirse a partir de torio natural y se estudia para su futuro uso industrial en la 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 nuclear en cadena sostenida . Esto genera calor en los reactores nucleares y produce material fisionable para armas nucleares. El uranio empobrecido ( 238 U) se utiliza en penetradores de energía cinética y blindajes . [9]
El descubrimiento de uranio en el mineral pechblenda en 1789 se atribuye a Martin Heinrich Klaproth , quien nombró al nuevo elemento en honor al planeta recientemente descubierto Urano . Eugène-Melchior Péligot fue la primera persona en aislar el metal, y sus propiedades radiactivas fueron descubiertas en 1896 por Henri Becquerel . Las investigaciones de Otto Hahn , Lise Meitner , Enrico Fermi y otros, como J. Robert Oppenheimer a partir de 1934 llevaron a su uso como combustible en la industria de la energía nuclear y en Little Boy , la primera arma nuclear utilizada en la guerra . La consiguiente carrera armamentista durante la Guerra Fría entre Estados Unidos y la Unión Soviética produjo decenas de miles de armas nucleares que utilizaban uranio metálico y plutonio-239 derivado del uranio . El desmantelamiento de estas armas y de las instalaciones nucleares relacionadas se lleva a cabo dentro de varios programas de desarme nuclear y cuesta miles de millones de dólares. El uranio apto para armas obtenido de armas nucleares se diluye con uranio-238 y se reutiliza como combustible para reactores nucleares. El desarrollo y despliegue de estos reactores nucleares continúa a nivel mundial, ya que son poderosas fuentes de energía libre de CO 2 . El combustible nuclear gastado forma desechos radiactivos , que en su mayoría consisten en uranio-238 y plantea una importante amenaza para la salud y un impacto ambiental .
El uranio es un metal de color blanco plateado y débilmente radiactivo . Tiene una dureza Mohs de 6, suficiente para rayar el vidrio y aproximadamente igual a la del titanio , el rodio , el manganeso y el niobio . Es maleable , dúctil , ligeramente paramagnético , fuertemente electropositivo y mal conductor eléctrico . [10] [11] El uranio metálico tiene una densidad muy alta de 19,1 g/cm 3 , [12] más denso que el plomo (11,3 g/cm 3 ), [13] pero ligeramente menos denso que el tungsteno y el oro (19,3 g/cm 3 ). 3 ). [14] [15]
El uranio metálico reacciona con casi todos los elementos no metálicos (excepto los gases nobles ) y sus compuestos , aumentando la reactividad con la temperatura. [16] Los ácidos clorhídrico y nítrico disuelven el uranio, pero los ácidos no oxidantes distintos del ácido clorhídrico atacan el elemento muy lentamente. [10] Cuando está finamente dividido, puede reaccionar con agua fría; en el aire, el uranio metálico queda recubierto por una capa oscura de óxido de uranio . [11] El uranio contenido en 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 que se descubrió que era fisible . Otros isótopos naturales son fisionables, pero no fisionables. Al ser bombardeado con neutrones lentos, el uranio-235 se divide 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 nuclear en cadena que resulta en una explosión de calor o (en algunas circunstancias) una explosión. En un reactor nuclear, esta reacción en cadena se ralentiza y controla mediante un veneno de neutrones , que absorbe algunos de los neutrones libres. Estos materiales absorbentes de neutrones suelen formar parte de las barras de control del reactor (consulte Física del reactor nuclear para obtener una descripción de este proceso de control del reactor).
Se pueden utilizar tan solo 6,8 kg (15 libras) de uranio-235 para fabricar una bomba atómica. [17] El arma nuclear detonada sobre Hiroshima , llamada Little Boy , se basaba en la fisión del uranio. Sin embargo, la primera bomba nuclear (la Gadget utilizada en Trinity ) y la bomba que fue detonada sobre Nagasaki ( Fat Man ) fueron ambas bombas de plutonio.
El uranio metálico tiene tres formas alotrópicas : [18]
La principal aplicación del uranio en el sector militar son los penetradores de alta densidad. Esta munición consiste en uranio empobrecido (DU) aleado con entre un 1% y un 2% de otros elementos, como titanio o molibdeno . [20] A alta velocidad de impacto, la densidad, dureza y piroforicidad del proyectil permiten la destrucción de objetivos fuertemente blindados. El blindaje de tanques y otros blindajes removibles de vehículos también se pueden endurecer con placas de uranio empobrecido. El uso de uranio empobrecido se volvió polémico desde el punto de vista político y ambiental después de que el uso de tales municiones por parte de Estados Unidos, el Reino Unido y otros países durante las guerras en el Golfo Pérsico y los Balcanes planteara dudas sobre los compuestos de uranio que quedan en el suelo (ver Síndrome de la Guerra del Golfo ). [17]
El uranio empobrecido también se utiliza como material de protección en algunos contenedores utilizados 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 potentes como el radio . [10] 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 protección. [11] Debido a su alta densidad, este material se encuentra en sistemas de guía inercial y en brújulas giroscópicas . [11] Se prefiere el uranio empobrecido a metales igualmente densos debido a su capacidad para ser fácilmente mecanizado y fundido, así como a su costo relativamente bajo. [21] 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 fisionable para producir armas nucleares. Inicialmente, se construyeron dos tipos principales de bombas de fisión: un dispositivo relativamente simple que utiliza uranio-235 y un mecanismo más complicado que utiliza 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 potente , que utiliza un dispositivo a base de plutonio para provocar una fusión nuclear con una mezcla de tritio y deuterio . Estas bombas están envueltas en una carcasa de uranio no fisible (no enriquecido) y obtienen más de la mitad de su potencia de la fisión de este material mediante neutrones rápidos procedentes del proceso de fusión nuclear. [22]
El principal uso del uranio en el sector civil es para alimentar centrales nucleares . En teoría, un kilogramo de uranio-235 puede producir unos 20 terajulios de energía (2 × 1013 julios ), suponiendo una fisión completa; tanta energía como 1,5 millones de kilogramos (1.500 toneladas ) de carbón . [9]
Las centrales nucleares comerciales utilizan combustible que normalmente está enriquecido a alrededor del 3% de uranio-235. [9] Los diseños CANDU y Magnox son los únicos reactores comerciales capaces de utilizar combustible de uranio no enriquecido. El combustible utilizado en los reactores de la Armada de los Estados Unidos suele estar altamente enriquecido en uranio-235 (los valores exactos están clasificados ). En un reactor reproductor , el uranio-238 también se puede convertir en plutonio-239 mediante la siguiente reacción: [11]
Antes (y, ocasionalmente, después) del descubrimiento de la radiactividad, el uranio se usaba principalmente en pequeñas cantidades para vidrio amarillo y vidriados de cerámica, como el vidrio de uranio y en Fiestaware . [23]
El descubrimiento y aislamiento del radio en el mineral de uranio (pechblenda) por Marie Curie desató el desarrollo de la minería de uranio para extraer el radio, que se utilizaba para fabricar pinturas que brillaban en la oscuridad para relojes y esferas de aviones. [24] [25] 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 hizo que los vidriados de uranio fueran muy económicos y abundantes. Además de los vidriados de cerámica, los vidriados de uranio para azulejos representaron la mayor parte del uso, incluidos los azulejos comunes para baños y cocinas que se pueden producir en verde, amarillo, malva , negro, azul, rojo y otros colores.
El uranio también se utilizó en productos químicos fotográficos (especialmente nitrato de uranio como tóner ), [11] en filamentos de lámparas para bombillas de iluminación escénica , [26] para mejorar la apariencia de las dentaduras postizas , [27] 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 , orgánulos celulares aislados 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 uranio-238 (4,47 × 109 años) lo hace muy adecuado para estimar la edad de las rocas ígneas más antiguas y para otros tipos de datación radiométrica , incluida la datación con uranio-torio , la datación con uranio-plomo y la datación con uranio-uranio . El uranio metálico se utiliza como objetivos de rayos X en la fabricación de rayos X de alta energía. [11]
El uso del uranio en su forma de óxido natural se remonta al menos al año 79 d.C., cuando se utilizaba en el Imperio Romano para añadir un color amarillo a los vidriados cerámicos . [11] RT Gunther de la Universidad de Oxford encontró vidrio amarillo con 1% de óxido de uranio en una villa romana en el Cabo Posillipo en la Bahía de Nápoles , Italia, en 1912. [28] A partir de finales de la Edad Media , la pechblenda se empezó a utilizar. Se extraía de las minas de plata de los Habsburgo en Joachimsthal , Bohemia (ahora Jáchymov en la República Checa), y se utilizaba como colorante en la industria vidriera local . [29] A principios del siglo XIX, las únicas fuentes conocidas de mineral de uranio en el mundo eran estas minas. La extracción de uranio en los Montes Metálicos cesó en el lado alemán después del fin de la Guerra Fría y el SDAG Wismut fue disuelto. Por parte checa, durante la burbuja del precio del uranio de 2007, hubo intentos de reiniciar la minería, pero fueron rápidamente abandonados tras la caída de los precios del uranio. [30] [31]
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 pechblenda en ácido nítrico y neutralizando la solución con hidróxido de sodio . [29] Klaproth asumió que la sustancia amarilla era el óxido de un elemento aún no descubierto y la calentó con carbón para obtener un polvo negro, que pensó que era el metal recién descubierto (de hecho, ese polvo era un óxido de uranio ). [29] [32] Llamó al elemento recién descubierto el nombre del planeta Urano (llamado así por el dios griego primordial del cielo ), que había sido descubierto ocho años antes por William Herschel . [33]
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 . [29] [34]
Henri Becquerel descubrió la radiactividad utilizando uranio en 1896. [16] 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 no expuesta. en un cajón y notó que el plato se había "empañado". [35] Determinó que una forma de luz invisible o rayos emitidos por el uranio habían 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, utilizaron habitualmente una aleación de ferrouranio como sustituto, ya que presenta muchas de las mismas características físicas que el molibdeno. Cuando esta práctica se hizo conocida en 1916, el gobierno de Estados Unidos solicitó a varias universidades destacadas que investigaran el uso del uranio en la fabricación y la metalurgia. Las herramientas fabricadas con estas fórmulas permanecieron en uso durante varias décadas, [36] [37] hasta que el Proyecto Manhattan y la Guerra Fría generaron una gran demanda de uranio para la investigación de la fisión y el desarrollo de armas.
Un equipo dirigido por Enrico Fermi descubrió en 1934 que el bombardeo de uranio con neutrones produce rayos beta ( electrones o positrones de los elementos producidos; ver partícula beta ). [38] Los productos de la fisión fueron al principio confundidos con nuevos elementos con números atómicos 93 y 94, que el decano de la Universidad Sapienza de Roma , Orso Mario Corbino , denominó ausenio y hesperio , respectivamente. [39] [40] [41] [42] Los experimentos que llevaron al descubrimiento de la capacidad del uranio para fisionarse (romperse) en elementos más ligeros y liberar energía de enlace fueron realizados por Otto Hahn y Fritz Strassmann [38] 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 denominaron al proceso " fisión nuclear ". [43] Poco después, Fermi planteó la hipótesis de que la fisión del uranio podría liberar suficientes neutrones para sostener una reacción de fisión. La confirmación de esta hipótesis se produjo en 1939, y trabajos posteriores descubrieron que, en promedio, cada fisión de uranio-235 libera alrededor de 2,5 neutrones. [38] Fermi instó a Alfred OC Nier a separar los isótopos de uranio para determinar el 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. Utilizando el ciclotrón de la Universidad de Columbia , John Dunning confirmó el 1 de marzo que la muestra era material fisionable aislado. [44] Trabajos posteriores descubrieron que el isótopo uranio-238, mucho más común, puede transmutarse en plutonio, que, como el uranio-235, también es fisible mediante neutrones térmicos. Estos descubrimientos llevaron a numerosos países a comenzar a trabajar en el desarrollo de armas nucleares y energía nuclear . A pesar de que se había descubierto la fisión en Alemania, el proyecto alemán del Uranverein ("club del uranio") en tiempos de guerra para investigar la energía y/o las armas nucleares se vio obstaculizado por recursos limitados, luchas internas, el exilio o la falta de participación de varios científicos prominentes en el campo y varios Errores cruciales, como no tener en cuenta las impurezas en las muestras de grafito disponibles, lo que lo hizo parecer menos adecuado como moderador de neutrones.de lo que es en realidad. Los intentos de Alemania de construir un reactor de uranio natural y agua pesada no habían llegado ni cerca de alcanzar la criticidad cuando los estadounidenses llegaron a Haigerloch , el lugar del último experimento alemán con un reactor en tiempos de guerra. [45]
El 2 de diciembre de 1942, como parte del Proyecto Manhattan , otro equipo dirigido por Enrico Fermi pudo iniciar la primera reacción nuclear en cadena autosostenida artificial , Chicago Pile-1 . Se abandonó un plan inicial que utilizaba uranio 235 enriquecido porque aún no estaba disponible en cantidades suficientes. [46] 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 apilando 360 toneladas de grafito , 53 toneladas de óxido de uranio y 5,5 toneladas de uranio metálico. la mayor parte fue suministrada por Westinghouse Lamp Plant en un proceso de producción improvisado. [38] [47]
Dos tipos de bombas atómicas fueron desarrolladas por Estados Unidos 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 (ver Prueba Trinity y " Fat Man"). ") cuyo plutonio se deriva del uranio-238. Little Boy se convirtió en la primera arma nuclear utilizada en la guerra cuando fue detonada sobre Hiroshima , Japón , el 6 de agosto de 1945. Con una potencia equivalente a 12.500 toneladas de TNT , la explosión y la onda térmica de la bomba destruyeron casi 50.000 edificios y mataron a unos 75.000 personas (ver Bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki ). [35] Inicialmente se creía que el uranio era relativamente raro y que la proliferación nuclear podría evitarse simplemente comprando todas las reservas de uranio conocidas, pero al cabo de una década se descubrieron grandes depósitos en muchos lugares del mundo. [48]
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. El Reactor Reproductor Experimental I del Laboratorio Nacional Argonne , ubicado en la Estación Nacional de Pruebas de Reactores de la Comisión de Energía Atómica cerca de Arco, Idaho , se convirtió en el primer reactor nuclear en generar electricidad el 20 de diciembre de 1951. [49] Inicialmente, se utilizaron cuatro bombillas de 150 vatios. iluminado por el reactor, pero las mejoras finalmente permitieron alimentar toda la instalación (más tarde, la ciudad de Arco se convirtió en la primera del mundo en tener toda su electricidad proveniente de energía nuclear generada por BORAX-III , otro reactor diseñado y operado por Argonne Laboratorio Nacional ). [50] [51] 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 de las primeras centrales nucleares fueron Calder Hall en Inglaterra, que comenzó a generar el 17 Octubre de 1956, [52] y la central atómica Shippingport en Pensilvania , 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. [38] [53]
En 1972, el físico francés Francis Perrin descubrió quince reactores de fisión nuclear naturales antiguos y ya inactivos en tres depósitos de mineral separados en la mina Oklo en Gabón , África, conocidos colectivamente como Reactores Fósiles de Oklo . El depósito de mineral tiene 1.700 millones de años; entonces, el uranio-235 constituía aproximadamente el 3% del uranio de la Tierra. [54] Esto es lo suficientemente alto como para permitir una reacción en cadena sostenida, si existen otras condiciones de apoyo. La capacidad del sedimento circundante para contener productos de desechos nucleares que amenazan la salud ha sido citada por el gobierno federal de los EE. UU. como evidencia que respalda la viabilidad de almacenar combustible nuclear gastado en el depósito de desechos nucleares de Yucca Mountain . [54]
Los ensayos nucleares en la superficie realizados por la Unión Soviética y los Estados Unidos en los años 50 y principios de los 60 y por Francia en los años 70 y 80 [21] esparcieron una cantidad significativa de lluvia radiactiva de los isótopos hijos del uranio por todo el mundo. [55] Se produjeron lluvias radiactivas y contaminación adicionales debido a varios accidentes nucleares . [56]
Los mineros de uranio tienen una mayor incidencia de cáncer . Por ejemplo, se ha documentado y relacionado con su ocupación un riesgo excesivo de cáncer de pulmón entre los mineros de uranio navajos . [57] La Ley de Compensación por Exposición a la Radiación , una ley estadounidense de 1990, exigía 100.000 dólares en "pagos de compasión" a los mineros de uranio diagnosticados con cáncer u otras enfermedades respiratorias. [58]
Durante la Guerra Fría entre la Unión Soviética y Estados Unidos, se acumularon enormes reservas de uranio y se crearon decenas de miles de armas nucleares utilizando uranio enriquecido y plutonio obtenido a partir de uranio. Después de la desintegración de la Unión Soviética en 1991, se estimaba que unas 600 toneladas cortas (540 toneladas métricas) de uranio altamente enriquecido apto para armas (suficiente para fabricar 40.000 ojivas nucleares) habían sido almacenadas en instalaciones a menudo insuficientemente vigiladas en la Federación de Rusia y en varios otros antiguos estados soviéticos. [17] La policía en Asia , Europa y América del Sur en al menos 16 ocasiones entre 1993 y 2005 ha interceptado envíos de contrabando de uranio o plutonio apto para bombas, la mayoría de los cuales procedían de fuentes ex soviéticas. [17] De 1993 a 2005, el Programa de Protección, Control y Contabilidad de Materiales , operado por el gobierno federal de los Estados Unidos , gastó alrededor de 550 millones de dólares para ayudar a salvaguardar las reservas de uranio y plutonio en Rusia. Este dinero se utilizó para mejoras y mejoras de seguridad en las instalaciones de investigación y almacenamiento. [17]
La seguridad de las instalaciones nucleares en Rusia ha mejorado significativamente desde la estabilización de la agitación política y económica de principios de los años noventa. Por ejemplo, en 1993 hubo 29 incidentes clasificados por encima del nivel 1 en la Escala Internacional de Sucesos Nucleares , y este número se redujo a menos de cuatro por año en 1995-2003. El número de empleados que reciben dosis anuales de radiación superiores a 20 mSv , lo que equivale a una sola tomografía computarizada de cuerpo completo , [59] experimentó un fuerte descenso alrededor del año 2000. En noviembre de 2015, el gobierno ruso aprobó un programa federal para la seguridad nuclear y radiológica. para el período 2016-2030 con un presupuesto de 562 mil millones de rublos (aproximadamente 8 mil millones de dólares ). Su cuestión clave son "los pasivos diferidos acumulados durante los 70 años de la industria nuclear, particularmente durante la época de la Unión Soviética". Alrededor del 73% del presupuesto se gastará en el desmantelamiento de reactores e instalaciones nucleares viejos y obsoletos, especialmente aquellos involucrados en programas de defensa estatales; El 20% se destinará al procesamiento y eliminación de combustible nuclear y residuos radiactivos, y el 5% al seguimiento y garantía de la seguridad nuclear y radiológica. [60]
El uranio es un elemento natural que se encuentra en niveles bajos en todas las rocas, el suelo y el agua. El uranio es 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. [11] Se cree que la desintegración del uranio, el torio y el potasio-40 en el manto de la Tierra es la principal fuente de calor [61] [62] que mantiene el núcleo externo de la Tierra en estado líquido e impulsa la convección del manto , que a su vez impulsa la tectónica de placas .
La concentración de uranio en la corteza terrestre es (según la referencia) de 2 a 4 partes por millón, [10] [21] o aproximadamente 40 veces más abundante que la plata . [16] Se calcula que la corteza terrestre desde la superficie hasta 25 km (15 millas) hacia abajo contiene 10 17 kg (2 × 1017 lb) de uranio, mientras que los océanos pueden contener 10 13 kg (2 × 1013 libras). [10] La concentración de uranio en el suelo oscila entre 0,7 y 11 partes por millón (hasta 15 partes por millón en suelos agrícolas debido al uso de fertilizantes fosfatados ), [63] y su concentración en el agua de mar es de 3 partes por mil millones. [21]
El uranio es más abundante que el antimonio , el estaño , el cadmio , el mercurio o la plata, y es casi tan abundante como el arsénico o el molibdeno . [11] [21] El uranio se encuentra en cientos de minerales, incluida la uraninita (el mineral de uranio más común ), la carnotita , la autunita , el uranofano , la torbernita y la coffinita . [11] Se producen concentraciones significativas de uranio en algunas sustancias, como depósitos de roca fosfórica , y minerales como lignito y arenas de monacita en minerales ricos en uranio [11] (se recupera comercialmente de fuentes con tan solo 0,1% de uranio [16] ] ).
Como todos los elementos con pesos atómicos superiores al hierro , el uranio sólo se forma de forma natural mediante el proceso r (captura rápida de neutrones) en supernovas y fusiones de estrellas de neutrones . [64] El torio y el uranio primordiales sólo se producen en el proceso r, porque el proceso s (captura lenta de neutrones) es demasiado lento y no puede superar la brecha de inestabilidad después del bismuto. [65] [66] Además de los dos isótopos de uranio primordiales existentes, 235 U y 238 U, el proceso r también produjo cantidades significativas de 236 U , que tiene una vida media más corta y, por lo tanto, es un radionucleido extinto , que se desintegró hace mucho tiempo. completamente a 232 mil. Se produjo más uranio-236 mediante la desintegración de 244 Pu , lo que explica la abundancia observada de torio mayor de lo esperado y la abundancia de uranio menor de lo esperado. [67] Si bien la abundancia natural de uranio se ha visto complementada por la desintegración de los extintos 242 Pu (vida media de 375.000 años) y 247 Cm (vida media de 16 millones de años), produciendo 238 U y 235 U respectivamente, esto ocurrió a un grado casi insignificante debido a las vidas medias más cortas de estos padres y su menor producción que 236 U y 244 Pu, los padres del torio: la relación 247 Cm/ 235 U en la formación del Sistema Solar fue(7,0 ± 1,6) × 10 −5 . [68]
Algunas bacterias, como Shewanella putrefaciens , Geobacter metallireducens y algunas cepas de Burkholderia fungorum , utilizan uranio para su crecimiento y convierten el U(VI) en U(IV). [69] [70] Investigaciones recientes sugieren que esta vía incluye la reducción del U(VI) soluble a través de un estado pentavalente intermedio de U(V). [71] [72] Otros organismos, como el liquen Trapelia involuta o microorganismos como la bacteria Citrobacter , pueden absorber concentraciones de uranio que son hasta 300 veces el nivel de su entorno. [73] Las especies de Citrobacter absorben iones uranilo cuando se les administra glicerol fosfato (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 usarse en biorremediación para descontaminar el agua contaminada con uranio. [29] [74] También se ha demostrado que la proteobacteria Geobacter biorremedia el uranio en las aguas subterráneas. [75] El hongo micorrízico Glomus intraradices aumenta el contenido de uranio en las raíces de su planta simbiótica. [76]
En la naturaleza, el uranio (VI) forma complejos de carbonatos altamente solubles a pH alcalino. Esto conduce a un aumento de la movilidad y la disponibilidad de uranio en las aguas subterráneas y el 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 mediante la sobreexpresión de la proteína PhoK en E. coli . [77]
Las plantas absorben algo de uranio del suelo. Las concentraciones de uranio en peso seco en las plantas oscilan entre 5 y 60 partes por mil millones, y las cenizas de madera quemada pueden tener concentraciones de hasta 4 partes por millón. [29] Las concentraciones de uranio en peso seco en las plantas alimenticias suelen ser más bajas, con uno o dos microgramos por día ingeridos a través de los alimentos que ingiere la gente. [29]
La producción mundial de uranio en 2021 fue de 48.332 toneladas , de las cuales 21.819 t (45%) se extrajeron en Kazajstán . Otros países importantes con extracción de uranio son Namibia (5.753 t), Canadá (4.693 t), Australia (4.192 t), Uzbekistán (3.500 t) y Rusia (2.635 t). [78]
El mineral de uranio se extrae de varias maneras: a cielo abierto , subterránea , lixiviación in situ y minería de pozo . [9] El mineral de uranio de baja calidad extraído normalmente contiene entre un 0,01 y un 0,25 % de óxidos de uranio. Se deben emplear medidas exhaustivas para extraer el metal de su mineral. [79] Los minerales de alta ley encontrados en los depósitos de la cuenca de Athabasca en Saskatchewan , Canadá, pueden contener hasta un 23% de óxidos de uranio en promedio. [80] El mineral de uranio se tritura y se convierte en un polvo fino y luego se lixivia con un ácido o un álcali . El lixiviado se somete a una de varias secuencias de precipitación, extracción con disolventes 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 refinamiento y la conversión. [81]
El uranio de calidad comercial se puede producir mediante la reducción de haluros de uranio con metales alcalinos o alcalinotérreos . [11] El uranio metálico también se puede preparar mediante electrólisis de KUF.
5o UF4, disuelto en cloruro de calcio fundido ( CaCl
2) y solución de cloruro de sodio ( Na Cl). [11] El uranio muy puro se produce mediante la descomposición térmica de haluros de uranio sobre un filamento caliente. [11]
![Producción (minas) y demanda mundial de uranio[78]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/75/U_production-demand.png/1280px-U_production-demand.png)
![Producción de uranio en 2015, en toneladas[82]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9a/Uranium_production,_OWID.svg/1280px-Uranium_production,_OWID.svg.png)
Se estima que existen 6,1 millones de toneladas de uranio en minerales que son económicamente viables a 130 dólares EE.UU. por kg de uranio, [83] mientras que 35 millones de toneladas están clasificados como recursos minerales (perspectivas razonables para una eventual extracción económica). [84]
Australia tiene el 28% de las reservas de mineral de uranio conocidas del mundo [83] y el depósito de uranio más grande del mundo se encuentra en la mina Olympic Dam en Australia del Sur . [85] Existe una importante reserva de uranio en Bakouma , una subprefectura de la prefectura de Mbomou en la República Centroafricana . [86]
Parte del uranio también procede de armas nucleares desmanteladas. [87] Por ejemplo, entre 1993 y 2013, Rusia suministró a Estados Unidos 15.000 toneladas de uranio poco enriquecido dentro del Programa de Megatones a Megavatios . [88]
Se estima que otros 4.600 millones de toneladas de uranio se disuelven en agua de mar ( los científicos japoneses demostraron en los años 1980 que la extracción de uranio del agua de mar mediante intercambiadores de iones era técnicamente factible). [89] [90] Ha habido experimentos para extraer uranio del agua de mar, [91] pero el rendimiento ha sido bajo debido al carbonato presente en el agua. En 2012, los investigadores del ORNL anunciaron el desarrollo exitoso de un nuevo material absorbente denominado HiCap que realiza la retención superficial de moléculas, átomos o iones sólidos o gaseosos y también elimina eficazmente metales tóxicos del agua, según resultados verificados por investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . [92] [93]
En 2005, diez países representaban la mayoría de los óxidos de uranio concentrados del mundo: Canadá (27,9%), 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%) y Ucrania (1,9%). [95] En 2008, se pronosticaba que Kazajstán aumentaría su producción y se convertiría en el mayor proveedor de uranio del mundo en 2009; [96] [97] Kazajstán ha dominado el mercado mundial de uranio desde 2010. En 2021, su participación fue del 45,1%, seguido de Namibia (11,9%), Canadá (9,7%), Australia (8,7%), Uzbekistán (7,2%) , Níger (4,7%), Rusia (5,5%), China (3,9%), India (1,3%), Ucrania (0,9%) y Sudáfrica (0,8%), con una producción total mundial de 48.332 toneladas. [78] La mayor parte del uranio no se produjo mediante extracción subterránea convencional de minerales (29% de la producción), sino mediante lixiviación in situ (66%). [78] [98]
A finales de los años 1960, los geólogos de la ONU descubrieron importantes depósitos de uranio y otras reservas minerales raras en Somalia . El hallazgo fue el más grande de su tipo, y los expertos de la industria estimaron que los depósitos representaban más del 25% de las reservas de uranio entonces conocidas en el mundo, de 800.000 toneladas. [99]
Se cree que la oferta final disponible será suficiente para al menos los próximos 85 años, [84] aunque algunos estudios indican que la inversión insuficiente a finales del siglo XX puede producir problemas de oferta en el siglo XXI. [100] 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. [101] En otras palabras, hay poco mineral de alta ley y proporcionalmente mucho más mineral de baja ley disponible.
La torta amarilla de uranio calcinado, tal como se produce en muchas grandes fábricas, contiene una distribución de especies de oxidación de uranio en diversas formas que van desde la más oxidada hasta la menos oxidada. Las partículas con tiempos de residencia cortos en un calcinador generalmente estarán menos oxidadas que aquellas con tiempos de retención largos o las partículas recuperadas en el depurador de pila. El contenido de uranio generalmente se hace referencia a U
3oh
8, que data de los días del Proyecto Manhattan cuando U
3oh
8se utilizó como estándar de informes de química analítica. [102]
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). [103] Otros óxidos de uranio como el monóxido de uranio (UO), el pentóxido de diuranio ( U
2oh
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
3oh
8) y UO
2. [104] 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 del uranio y es la forma que se encuentra más comúnmente en la naturaleza. El dióxido de uranio es la forma en que el uranio se utiliza más comúnmente como combustible para reactores nucleares. [104] A temperatura ambiente, UO
2se convertirá gradualmente a U
3oh
8. Debido a su estabilidad, los óxidos de uranio generalmente se consideran la forma química preferida para su almacenamiento o eliminación. [104]
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. [105] Existen algunos compuestos sólidos y semimetálicos como UO y US para el estado de oxidación formal de uranio (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 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 . [105]
A diferencia de las sales de uranilo de uranio y las formas catiónicas de óxido de uranio de iones poliatómicos , los uranatos , sales que contienen un anión de óxido de uranio poliatómico, generalmente no son solubles en agua.
Las interacciones de los aniones carbonato con el uranio (VI) hacen que el diagrama de Pourbaix cambie mucho cuando el medio cambia de agua a una solución que contiene carbonato. Si bien la gran mayoría de los carbonatos son insolubles en agua (a menudo se enseña a los estudiantes que todos los carbonatos distintos de los de metales alcalinos son insolubles en agua), los carbonatos de uranio suelen ser solubles en agua. Esto se debe a que un catión U(VI) es capaz de unir dos óxidos terminales y tres o más carbonatos para formar complejos aniónicos.
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 óxido-hidróxido de uranio hidratado y, a pH elevados, 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, hecho que tiene una relación directa con la estabilidad a largo plazo de los combustibles nucleares gastados de dióxido de uranio.
El uranio metálico calentado a entre 250 y 300 °C (482 a 572 °F) reacciona con hidrógeno para formar hidruro de uranio . Incluso temperaturas más altas eliminarán reversiblemente el hidrógeno. 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 . [107] Existen dos modificaciones cristalinas del 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. [107]
Los carburos y nitruros de uranio son compuestos semimetálicos relativamente inertes que son mínimamente solubles en ácidos , reaccionan con agua y pueden encenderse en el aire para formar U.
3oh
8. [107] Los carburos de uranio incluyen monocarburo de uranio (UC ) , dicarburo de uranio ( UC
2), y tricarburo de diuranio ( U
2C
3). Tanto la UC como la UC
2Se forman añadiendo carbono al uranio fundido o exponiendo el metal a monóxido de carbono a altas temperaturas. Estable por debajo de 1800 °C, U
2C
3se prepara sometiendo una mezcla calentada de UC y UC
2al estrés mecánico. [108] Los nitruros de uranio obtenidos por exposición directa del metal al nitrógeno incluyen mononitruro de uranio (UN), dinitruro de uranio ( UN
2), y trinitruro de diuranio ( U
2norte
3). [108]
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. [107] Reducción de UF
4con hidrógeno a 1000 °C se produce trifluoruro de uranio ( UF
3). En las condiciones adecuadas de temperatura y presión, la reacción del UF sólido
4con hexafluoruro de uranio gaseoso ( UF
6) puede formar los fluoruros intermedios de U
2F
9, Ud.
4F
17y UF5. [107]
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 se puede preparar a partir de dióxido de uranio e hidruro de uranio mediante el siguiente proceso: [107]
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. [107]
Un método para preparar tetracloruro de uranio ( UCl
4) consiste en combinar directamente cloro con uranio metálico o hidruro de uranio. La reducción de UCl
4por hidrógeno se produce tricloruro de uranio ( UCl
3) mientras que los cloruros superiores de uranio se preparan mediante reacción con cloro adicional. [107] Todos los cloruros de uranio reaccionan con el agua y el aire.
Los bromuros y yoduros de uranio se forman por reacción directa de bromo y yodo , respectivamente, con uranio o añadiendo UH.
3a los ácidos de esos elementos. [107] Los ejemplos conocidos incluyen: UBr3, UBr4, interfaz de usuario
3y interfaz de usuario
4. interfaz de usuario
5Nunca ha estado preparado. Los oxihaluros de uranio son solubles en agua e incluyen UO
2F
2, UOCl
2, UO
2CL
2y UO2Br2. La estabilidad de los oxihaluros disminuye a medida que aumenta el peso atómico del haluro componente. [107]
El uranio, como todos los elementos con número atómico superior a 82, no tiene isótopos estables . Todos los isótopos del uranio son radiactivos porque en los nucleidos que contienen más de 82 protones la fuerza nuclear fuerte no prevalece sobre la repulsión electromagnética . [109] Sin embargo, los dos isótopos más estables, 238 U y 235 U, tienen vidas medias lo suficientemente largas como para ocurrir en la naturaleza como radionucleidos primordiales , y han sobrevivido cantidades mensurables desde la formación de la Tierra. [110] Estos dos nucleidos , junto con el torio-232 , son los únicos nucleidos primordiales confirmados más pesados que el casi estable bismuto-209 . [6] [111]
El uranio natural se compone de tres isótopos principales: uranio-238 (99,28% de abundancia natural), uranio-235 (0,71%) y uranio-234 (0,0054%). También hay otros cinco isótopos traza: uranio-240, un producto de la desintegración del plutonio-244 ; [111] uranio-239, que se forma cuando 238 U sufre una fisión espontánea, liberando neutrones que son capturados por otro átomo de 238 U; el uranio-237, que se forma cuando 238 U captura un neutrón pero emite dos más, que luego se desintegra en neptunio-237 ; uranio-236 , que se produce en pequeñas cantidades debido a la captura de neutrones en 235 U y como producto de la desintegración del plutonio-244; [111] y finalmente, uranio-233 , que se forma en la cadena de desintegración del neptunio-237. Además, el uranio-232 se produciría mediante la doble desintegración beta del torio-232 natural , aunque este proceso energéticamente posible nunca se ha observado. [114]
El uranio-238 es el isótopo más estable del uranio, con una vida media de aproximadamente4,463 × 10 9 años, [6] aproximadamente la edad de la Tierra . El uranio-238 es predominantemente un emisor alfa y se descompone en torio-234. Finalmente se desintegra a través de la serie del uranio , que tiene 18 miembros, en plomo-206 . [16] El uranio-238 no es fisible, pero es un isótopo fértil, porque después de la activación de neutrones puede convertirse en plutonio-239, otro isótopo fisionable. De hecho, el núcleo de 238 U puede absorber un neutrón para producir el isótopo radiactivo uranio-239 . 239 U se desintegra por emisión beta en neptunio -239, también un emisor beta, que a su vez decae, en unos pocos días, en plutonio-239. El 239 Pu se utilizó como material fisionable en la primera bomba atómica detonada en la " prueba Trinity " el 16 de julio de 1945 en Nuevo México . [38]
El uranio-235 tiene una vida media de aproximadamente7,04 × 10 8 años; es el siguiente isótopo de uranio más estable después del 238 U y también es predominantemente un emisor alfa, que se descompone en torio-231. [6] 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 cantidades significativas que es fisible. Esto significa que los neutrones térmicos pueden dividirlo en dos o tres fragmentos ( productos de fisión ). [16] La cadena de desintegración del 235 U, que se denomina serie de actinio , tiene 15 miembros y eventualmente se desintegra en plomo-207. [16] Las tasas constantes de desintegración en estas series de desintegración hacen que la comparación de las proporciones de elementos padres e hijos sea útil en la datación radiométrica.
El uranio-236 tiene una vida media de2,342 × 10 7 años [6] y no se encuentra en cantidades significativas en la naturaleza. La vida media del uranio-236 es demasiado corta para ser primordial, aunque ha sido identificado como un progenitor extinto de su hijo de desintegración alfa, el torio-232. [67] El uranio-236 se encuentra en el combustible nuclear gastado cuando la captura de neutrones en 235 U no induce la fisión, o como producto de la desintegración del plutonio-240 . El uranio-236 no es fértil, ya que se requieren tres capturas de neutrones más para producir 239 Pu fisible, y no es fisible en sí mismo; como tal, se considera residuo radiactivo de larga duración. [115]
El uranio-234 es miembro de la serie del uranio y se encuentra en equilibrio con su progenitor, el 238 U; sufre desintegración alfa con una vida media de 245.500 años [6] y se desintegra en plomo-206 a través de una serie de isótopos de vida relativamente corta.
El uranio-233 sufre desintegración alfa con una vida media de 160.000 años y, al igual que el 235 U, es fisible. [11] Puede obtenerse a partir de torio-232 mediante bombardeo de neutrones, generalmente en un reactor nuclear; este proceso se conoce como ciclo del combustible del torio . Debido a la fisibilidad del 233 U y a la mayor abundancia natural de torio (tres veces mayor que la del uranio), [116] se ha investigado el uso del 233 U como combustible nuclear como posible alternativa al 235 U y al 239 Pu, [117 ] no es de uso generalizado a partir de 2022 [actualizar]. [116] La cadena de desintegración del uranio-233 forma parte de la serie del neptunio y termina en el casi estable bismuto-209 (vida media2,01 × 10 19 años ) [6] y talio estable -205.
El uranio-232 es un emisor alfa con una vida media de 68,9 años. [6] Este isótopo se produce como subproducto en la producción de 233 U y se considera una molestia, ya que no es fisible y se desintegra a través de emisores alfa y gamma de vida corta como el 208 Tl . [117] También se espera que el torio-232 pueda sufrir una doble desintegración beta , lo que produciría uranio-232, pero esto aún no se ha observado experimentalmente. [6]
Todos los isótopos desde 232 U hasta 236 U inclusive tienen ramas de desintegración de cúmulos menores (menos de10 −10 %), y todos estos, excepto 233 U, además de 238 U, tienen ramas de fisión espontánea menores; [6] la mayor proporción de ramificación para la fisión espontánea es aproximadamente5 × 10 −5 % para 238 U, o aproximadamente una de cada dos millones de desintegraciones. [118] Los isótopos traza de vida más corta 237 U y 239 U experimentan exclusivamente desintegración beta , con vidas medias respectivas de 6,752 días y 23,45 minutos. [6]
En total, se han identificado 28 isótopos de uranio, cuyo número de masa oscila entre 214 [119] y 242, con la excepción de 220. [6] [120] Entre los isótopos de uranio que no se encuentran en muestras naturales ni en combustible nuclear, el más largo -vida es de 230 U, un emisor alfa con una vida media de 20,23 días. [6] Se ha considerado el uso de este isótopo en la terapia dirigida con partículas alfa (TAT). [121] Todos los demás isótopos tienen vidas medias inferiores a una hora, excepto el 231 U (vida media de 4,2 días) y el 240 U (vida media de 14,1 horas). [6] El isótopo de vida más corta conocido es el 221 U, con una vida media de 660 nanosegundos, y se espera que el hasta ahora desconocido 220 U tenga una vida media aún más corta. [122] Los isótopos ricos en protones más ligeros que el 232 U sufren principalmente desintegración alfa, excepto el 229 U y el 231 U, que se desintegran en isótopos de protactinio mediante emisión de positrones y captura de electrones , respectivamente; los 240 U, 241 U y 242 U ricos en neutrones sufren desintegración beta para formar isótopos de neptunio . [6] [120]
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 fisible-235 para armas nucleares y la mayoría de las centrales nucleares, excepto los reactores refrigerados por gas y los reactores de agua pesada presurizada . La mayoría de los neutrones liberados por un átomo de uranio-235 en fisión deben impactar otros átomos de uranio-235 para sostener la reacción nuclear en cadena . La concentración y 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%. [123] Este proceso produce enormes cantidades de uranio empobrecido en uranio-235 y con una fracción correspondientemente mayor de uranio-238, llamado uranio empobrecido o 'DU'. Para que se considere "agotada", la concentración de 235 U no debe ser superior al 0,3%. [124] El precio del uranio ha aumentado desde 2001, por lo que se está considerando el reenriquecimiento de relaves de enriquecimiento que contienen más del 0,35% de uranio-235, lo que elevó el precio del hexafluoruro de uranio empobrecido por encima de 130 dólares por kilogramo en julio de 2007, frente a 5 dólares en 2001. [124]
El proceso de centrifugación de gas , donde el hexafluoruro de uranio gaseoso ( UF
6) se separa por la diferencia de peso molecular entre 235 UF 6 y 238 UF 6 mediante centrífugas de alta velocidad , es el proceso de enriquecimiento líder y más barato. [35] El proceso de difusión gaseosa había sido el principal método 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 de uranio se separan mediante la velocidad de difusión (dado que el uranio-238 es más pesado, se difunde ligeramente más lentamente que el uranio-235). [35] El 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 al uranio-238 unido al flúor y permite que el uranio-235 metálico precipite de la solución. [9] Un método alternativo de enriquecimiento con láser se conoce como separación de isótopos por láser de vapor atómico (AVLIS) y emplea láseres visibles sintonizables, como los láseres de colorante . [125] Otro método utilizado es la difusión térmica líquida. [10]
La única desviación significativa de la proporción de 235 U a 238 U en cualquier muestra natural conocida ocurre en Oklo , Gabón , donde los reactores naturales de fisión nuclear consumieron parte de los 235 U hace unos dos mil millones de años, cuando la proporción de 235 U a 238 U era mayor. similar al del uranio poco enriquecido que permite que el agua regular ("ligera") actúe como moderador de neutrones similar al proceso en los reactores de agua ligera fabricados por humanos . La existencia de tales reactores de fisión naturales, teóricamente predichos, quedó demostrada cuando se descubrió una ligera desviación de la concentración de 235 U de los valores esperados durante el enriquecimiento de uranio en Francia. Investigaciones posteriores para descartar cualquier acción humana nefasta (como el robo de 235 U) confirmaron la teoría al encontrar proporciones de isótopos de los productos de fisión comunes (o más bien de sus nucleidos hijos estables) en línea con los valores esperados para la fisión pero desviándose de los valores esperados. para muestras de esos elementos no derivadas de fisión.
Una persona puede quedar expuesta al uranio (o a sus derivados 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 alimentada por carbón . Las instalaciones que extraen o procesan mineral de uranio, o enriquecen uranio para combustible de reactores, pueden tener una mayor exposición al uranio. [126] [127] Las casas o estructuras que se encuentran sobre depósitos de uranio (ya sean depósitos de escoria naturales o artificiales) 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 10 mg/m 3 , el uranio es inmediatamente peligroso para la vida y la salud . [128]
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%. [29] 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 a través del polvo hacia los pulmones , representan un peligro 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. [29] El uranio incorporado se convierte en iones uranilo , que se acumulan en los huesos, el hígado, los riñones y los tejidos reproductivos. [129]
La toxicidad radiológica y química del uranio se combina por el hecho de que los elementos de alto número atómico Z, como el uranio, exhiben radiotoxicidad fantasma o secundaria mediante la absorción de rayos gamma y X naturales y la reemisión de fotoelectrones, que en combinación con la alta afinidad del uranio. a la fracción fosfato del ADN provocan un aumento de roturas del ADN de cadena simple y doble. [130]
El uranio no se absorbe a través de la piel y las partículas alfa liberadas por el uranio no pueden penetrar la piel. [26]
El uranio se puede descontaminar de superficies de acero [131] y acuíferos . [132] [133]
El funcionamiento normal de los riñones , el cerebro , el hígado , el corazón y otros sistemas puede verse afectado por la exposición al uranio porque, además de ser débilmente radiactivo, el uranio es un metal tóxico . [29] [134] [135] El uranio también es un tóxico para la reproducción . [136] [137] Los efectos radiológicos son generalmente locales porque la radiación alfa, la forma primaria de desintegración de 238 U, tiene un alcance muy corto y no penetra la piel. Se ha demostrado que la radiación alfa del uranio inhalado causa cáncer de pulmón en trabajadores nucleares expuestos. [138] Si bien los CDC han publicado un estudio en el que se indica que no se ha observado cáncer humano como resultado de la exposición al uranio natural o empobrecido, [139] la exposición al uranio y sus productos de desintegración, especialmente el radón , es una amenaza importante para la salud. [140] La exposición al estroncio-90 , al yodo-131 y a otros productos de fisión no está relacionada con la exposición al uranio, pero puede resultar de procedimientos médicos o de la exposición al combustible gastado de reactores o a la lluvia radiactiva de armas nucleares. [141]
Aunque la exposición por inhalación accidental a una alta concentración de hexafluoruro de uranio ha provocado muertes humanas, esas muertes se asociaron con la generación de ácido fluorhídrico y fluoruro de uranilo altamente tóxicos y no con el uranio en sí. [142] 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. [11]
El uranio metálico suele manipularse con guantes como precaución suficiente. [143] El concentrado de uranio se manipula y contiene de manera que se garantice que las personas no lo inhalen ni lo ingieran. [143]
