El uranio es uno de los elementos más importantes que existen en la Tierra, ya que gracias a él se puede generar la conocida como energía nuclear. Aunque se pueda pensar que el uranio es entonces un elemento nocivo para el ser humano, lo cierto es que bien podría ser uno de los elementos más importantes de la tierra si se le diera un buen uso. Veamos a continuación qué es el Uranio y ¿Por qué el Uranio es un elemento tan importante para la tierra?.
El Uranio y la energía nuclear
El 6 de agosto de 1945, una bomba de 3 metros cayó desde el cielo sobre la ciudad japonesa de Hiroshima. Menos de un minuto después, todo a una milla de la detonación de la bomba se borró. Una tormenta de fuego masiva destruyó rápidamente miles de kilómetros , matando a decenas de miles de personas.
Este fue el primer uso de una bomba atómica en la guerra, y utilizó un elemento famoso para causar estragos: el uranio. Este metal radiactivo es único ya que uno de sus isótopos, el uranio-235, es el único isótopo de origen natural capaz de mantener una reacción de fisión nuclear. (Un isótopo es una versión del elemento con un número diferente de neutrones en su núcleo).
Qué es el uranio
Para entender el uranio, es importante entender la radioactividad. El uranio es naturalmente radiactivo: su núcleo es inestable, por lo que el elemento se encuentra en un estado constante de descomposición, buscando una disposición más estable. De hecho, el uranio fue el elemento que hizo posible el descubrimiento de la radiactividad.
En 1897, el físico francés Henri Becquerel dejó algunas sales de uranio en una placa fotográfica como parte de una investigación sobre cómo la luz influía en estas sales. Para su sorpresa, la placa se empañó, indicando algún tipo de emisiones por parte de las sales de uranio. Becquerel compartió un Premio Nobel con Marie y Pierre Curie en 1903 por dicho descubrimiento.
Propiedades del uranio
De acuerdo con el Laboratorio Nacional de Aceleradores Lineales de Jefferson , las propiedades del uranio son:
- Número atómico (número de protones en el núcleo): 92
- Símbolo atómico (en la tabla periódica de elementos ): U
- Peso atómico (masa promedio del átomo): 238.02891
- Densidad: 18.95 gramos por centímetro cúbico
- Fase a temperatura ambiente: sólido
- Punto de fusión: 2,075 grados Fahrenheit (1,135 grados Celsius)
- Punto de ebullición: 7,468 F (4,131 C)
- Número de isótopos (átomos del mismo elemento con un número diferente de neutrones): 16, 3 naturales
- Isótopos más comunes: U-234 (0.0054 por ciento de abundancia natural), U-235 (0.7204 por ciento de abundancia natural), U-238 (99.2742 por ciento de abundancia natural).
El origen del uranio
El uranio fue descubierto por Martin Heinrich Klaproth, un químico alemán, en 1789, aunque se conocía desde al menos 79 d. C., cuando el óxido de uranio se usaba como agente colorante para esmaltes cerámicos y en vidrio, según varios estudios que se han hecho sobre este elemento. Klaproth descubrió el elemento en un mineral de pechblenda (Uranita), que en ese momento se pensó que era un mineral de zinc y hierro. El mineral se disolvió en ácido nítrico y luego se añadió potasa (sales de potasio) al precipitado amarillo restante. Klaproth concluyó que había descubierto un nuevo elemento cuando la reacción entre la potasa y el precipitado no siguió ninguna reacción de elementos conocidos. Su descubrimiento resultó ser óxido de uranio y no de uranio puro, como originalmente había creído.
De acuerdo con el Laboratorio Nacional de Los Alamos , Klaproth nombró el nuevo elemento después del recientemente descubierto planeta Urano, que recibió su nombre del dios griego del cielo. Eugène-Melchior Péligot, un químico francés, aisló uranio puro en 1841 al calentar tetracloruro de uranio con potasio.
El origen del uranio radioactivo
El uranio radiactivo fue descubierto en 1896 por Antoine H. Becquerel, un físico francés. Becquerel había dejado una muestra de uranio encima de una placa fotográfica no expuesta, que se volvió turbia. Concluyó que emitía rayos invisibles, según la Royal Society of Chemistry . Esta fue la primera vez que se estudió la radioactividad y se abrió un nuevo campo de la ciencia. Marie Curie, científica polaca, acuñó el término radioactividad poco después del descubrimiento de Becquerel, y con Pierre Curie, un científico francés, continuó la investigación para descubrir otros elementos radiactivos, como el polonio y el radio, y sus propiedades.
La importancia del uranio en la Tierra
El uranio del universo se formó hace 6.600 millones de años en supernovas, según la Asociación Nuclear Mundial . Se encuentra en todo el planeta y representa entre 2 y 4 partes por millón de la mayoría de las rocas. Es el 48º entre los elementos más abundantes que se encuentran en la roca de la corteza natural, según el Departamento de Energía de EE. UU. , Y es 40 veces más abundante que la plata.
Aunque el uranio está altamente asociado con la radioactividad, su tasa de descomposición es tan baja que este elemento no es realmente uno de los más radiactivos que existen. El uranio-238 tiene una vida media de unos increíbles 4.5 mil millones de años. El uranio-235 tiene una vida media de algo más de 700 millones de años. El uranio-234 tiene la vida media más corta de todos ellos al llegar 245,500 años, pero ocurre solo indirectamente por la descomposición del U-238.
En comparación, el elemento más radiactivo es el polonio . Tiene una vida media de solo 138 días.
Aún así, el uranio tiene un potencial explosivo, gracias a su capacidad de mantener una reacción en cadena nuclear. El U-235 es «fisible», lo que significa que su núcleo se puede dividir por neutrones térmicos, neutrones con la misma energía que su entorno ambiental. Así es como funciona, según la Asociación Nuclear Mundial: el núcleo de un átomo U-235 tiene 143 neutrones. Cuando un neutrón libre choca contra el átomo, divide el núcleo, arrojando neuronas adicionales, que luego pueden entrar en los núcleos de los átomos U-235 cercanos, creando una cascada autosostenida de fisión nuclear. Los eventos de fisión generan calor cada uno. En un reactor nuclear, este calor se usa para hervir el agua, creando vapor que gira una turbina para generar energía, y la reacción es controlada por materiales como el cadmio o el boro.
En una bomba de fisión como la que destruyó Hiroshima, la reacción resultante es supercrítica. Lo que esto significa es que la fisión ocurre a un ritmo cada vez mayor. Estas reacciones supercríticas liberan cantidades masivas de energía: la explosión que destruyó Hiroshima tenía el poder de unos 15 kilotones de TNT, todos creados con menos de un kilogramo (2.2 libras) de uranio en proceso de fisión.
Para hacer que la fisión de uranio sea más eficiente, los ingenieros nucleares la enriquecen. El uranio natural es solo alrededor del 0,7 por ciento de U-235, el isótopo fisionable. El resto es U-238. Para aumentar la proporción de U-235, los ingenieros gasifican el uranio para separar los isótopos o usan centrifugadoras. Según la Asociación Nuclear Mundial, el uranio más enriquecido para las centrales de energía nuclear se compone de entre 3 y 5 por ciento de U-235.
En el otro extremo de la escala está el uranio empobrecido, que se usa para blindaje de tanques y para fabricar balas. El uranio empobrecido es lo que queda después de que el uranio enriquecido se haya gastado en una planta de energía y resulta un 40% menos radioactivo que el uranio natural . Este uranio empobrecido solo es peligroso si se inhala, se ingiere o entra al cuerpo en un tiroteo o una explosión.
El uranio se extrae en la actualidad de 20 países, y más de la mitad proviene de Canadá, Kazajstán, Australia, Níger, Rusia y Namibia, según la Asociación Nuclear Mundial .
A pesar de que puede parecer peligroso, todos los humanos y animales estamos naturalmente expuestos a pequeñas cantidades de uranio de los alimentos, el agua, el suelo y el aire. En su mayor parte, la población en general puede ignorar de manera segura las cantidades que se ingieren y no notar nada, excepto si viven cerca de sitios de desechos peligrosos, minas o si los cultivos se cultivan en suelos contaminados o se riegan con agua contaminada.
La investigación actual
Dada su importancia en el combustible nuclear, los investigadores están muy interesados ??en cómo funciona el uranio, especialmente durante una crisis. Las fusiones se producen cuando los sistemas de enfriamiento alrededor de un reactor fallan y el calor generado por las reacciones de fisión en el núcleo del reactor funde el combustible. Esto sucedió durante el desastre nuclear en la planta de energía nuclear de Chernobyl , lo que resultó en una mancha radioactiva apodada «el pie de elefante».
Comprender cómo actúan los combustibles nucleares cuando se derriten es crucial para los ingenieros nucleares que construyen naves de contención. El dióxido de uranio no se derrite hasta que las temperaturas superan los 5,432 F (3,000 C), por lo que es difícil medir lo que sucede cuando el material se vuelve líquido.
La solución a eso es calentar una bola de dióxido de uranio desde la parte superior con un láser de dióxido de carbono, y esta bola se levita en una corriente de gas. Luego, los investigadores emiten rayos X a través de la burbuja de dióxido de uranio y miden la dispersión de esos rayos X con un detector. El ángulo de dispersión revela la estructura de los átomos dentro del dióxido de uranio.
Los investigadores han llegado a la conclusión con sus estudios, que en el dióxido de uranio sólido, los átomos están dispuestos como una serie de cubos que se alternan con el espacio vacío en forma de cuadrícula, con ocho átomos de oxígeno que rodean cada átomo de uranio. A medida que el material se aproxima a su punto de fusión, los oxígenos se vuelven «locos», ya que comienzan a moverse, llenando el espacio vacío y saltando de un átomo de uranio a otro.
Finalmente, cuando el material se derrite, la estructura se asemeja a una pintura abstracta cuando los cubos se convierten en poliedros desordenados. En este punto, el número de átomos de oxígeno alrededor de cada átomo de uranio -conocido como el número de coordinación- cae de ocho a siete (algunos átomos de uranio tienen seis oxígenos que los rodean, y otros siete, lo que hace un promedio de 6.7 oxígenos por uranio).
Sabiendo este número, se permite modelar cómo el dióxido de uranio actuará a estas altas temperaturas, de modo que el siguiente paso es agregar más complejidad si bien los núcleos nucleares no son solo dióxido de uranio, también incluyen materiales como el zirconio y lo que sea que se use para proteger el interior del reactor.
La gran mayoría del uranio se usa para generar energía, generalmente en reacciones nucleares controladas. Los desechos sobrantes, el uranio empobrecido, se pueden reciclar para aprovechar otros tipos de energía, como el poder del sol.
Por último, el dióxido de uranio es un excelente semiconductor, según un artículo de 2000 de Thomas Meek en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, y podría ser una mejora para ciertos usos sobre los usos tradicionales del silicio, el germanio o el arseniuro de galio. A temperatura ambiente, el óxido de uranio daría la mayor eficiencia posible de células solares en comparación con los elementos y compuestos tradicionales para el mismo uso.
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