Bookshelf

4.2. PROPIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS Y RADIOLÓGICAS

Las propiedades físicas del uranio y de los compuestos de uranio importantes en el ciclo del combustible nuclear y en los programas de defensa se enumeran en la Tabla 4-2. El porcentaje de ocurrencia y las propiedades radiactivas de los isótopos naturales del uranio se enumeran en la Tabla 4-3. Las dos series de desintegración para los isótopos naturales del uranio se muestran en la Tabla 4-4.

Metalúrgicamente, el uranio metálico puede existir en tres formas alotrópicas: ortorrómbica, tetragonal o cúbica centrada en el cuerpo (Lide 2008), y puede ser aleado con otros metales para alterar sus propiedades estructurales y físicas para adaptarse a la aplicación. Al igual que el polvo metálico de aluminio, el polvo metálico de uranio es autopirofórico y puede arder espontáneamente a temperatura ambiente en presencia de aire, oxígeno y agua. Del mismo modo, la superficie del metal a granel, cuando se expone por primera vez a la atmósfera, se oxida rápidamente y produce una fina capa superficial de UO2, que resiste la penetración del oxígeno y protege el metal interior de la oxidación. A temperaturas de 200-400°C, el polvo de uranio puede autoinflamarse en atmósferas de CO2 y N2. Para evitar la autoignición, las virutas de uranio de mecanización pueden almacenarse en recipientes abiertos y bajo aceite de máquina o agua para evitar la acumulación de gas hidrógeno. El uranio en combustión puede colocarse bajo el agua hasta que se extinga, lo que puede retrasarse por la hidrólisis del agua, que proporciona algo de oxígeno e hidrógeno para continuar la combustión. El agua pulverizada, el CO2 y el halón son ineficaces, y la descarga de halón puede ser explosiva y producir gases tóxicos (DOE 2001).

El uranio puede existir en cinco estados de oxidación: +2, +3, +4, +5 y +6 (Lide 2008); sin embargo, sólo los estados +4 y +6 son lo suficientemente estables como para tener importancia práctica. El uranio tetravalente es razonablemente estable y forma hidróxidos, fluoruros hidratados y fosfatos de baja solubilidad. El uranio hexavalente es el estado más estable, y el estado más común es el U3O8, aunque hay algunos lugares de almacenamiento localizados para el hexafluoruro de uranio antropogénico (UF6) en los Estados Unidos (DOE 2011a). Los principales compuestos del uranio incluyen óxidos, fluoruros, carburos, nitratos, cloruros, acetatos y otros. Una de las características de los iones UO2+2 es su capacidad de fluorescencia bajo la luz ultravioleta.

Aunque el elemento uranio fue descubierto en 1789 por Klaproth, que lo denominó «uranio» en honor al recién descubierto planeta Urano, no fue hasta 1896 cuando Becquerel descubrió que el uranio es radiactivo. Se conocen 22 isótopos del uranio, de los cuales solo 3 se producen de forma natural (NNDC 2011). Estos tres isótopos, 234U, 235U y 238U, tienen una abundancia de masa relativa en la roca de la corteza terrestre no alterada de 0,005, 0,72 y 99,275%, respectivamente. Un gramo de uranio natural con esta abundancia isotópica relativa tiene una actividad de 0,69 µCi. De estos 0,69 µCi, el 49,0% de la actividad es atribuible al 234U, el 2,27% de la actividad es atribuible al 235U, y el 48,7% de la actividad es atribuible al 238U (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Esta proporción se refiere únicamente a la roca de la corteza terrestre no alterada. Aunque la abundancia relativa en masa del 234U es sólo del 0,005%, representa aproximadamente la mitad de la actividad total. Las abundancias isotópicas relativas indicadas anteriormente pueden verse alteradas hasta cierto punto por procesos naturales que no se comprenden del todo, pero que pueden causar diferentes proporciones en el aire, el agua y el suelo, como se demuestra en los informes de la EPA (EPA 1994a, 2007).

235U es un isótopo de especial interés porque es fisible (capaz de ser fisionado) y, en consecuencia, puede mantener una reacción nuclear en cadena en presencia de neutrones de energía adecuada. El isótopo predominante del uranio que se encuentra en la naturaleza, el 238U, no es fácilmente fisionable, pero una pequeña parte de sus transformaciones dan lugar a una fisión espontánea en lugar de la típica desintegración alfa; estos neutrones pueden ser suficientes para iniciar una reacción en cadena en condiciones adecuadas de concentración, masa y termalización de neutrones. Por consiguiente, para que el uranio pueda utilizarse como combustible en los reactores nucleares, la proporción entre 235U y 238U se aumenta del 0,72 al 2-4% mediante un proceso denominado enriquecimiento. El proceso de enriquecimiento más utilizado en Estados Unidos se llama difusión gaseosa, pero pueden utilizarse otros procesos de enriquecimiento con métodos térmicos, de centrifugación y láser, y otros países participan activamente en la producción de uranio enriquecido. El mineral de uranio se procesa hasta obtener óxido de uranio (U3O8) y luego se fluoriza hasta obtener UF6; a continuación, una corriente de gas UF6 que contiene los tres compuestos isotópicos pasa por una larga serie de etapas de difusión a través de las cuales el 234U y el 235U pasan más rápidamente que el 238U. Así, el extremo delantero de la corriente tiene una mayor concentración de 235U y se denomina hexafluoruro de uranio enriquecido, mientras que el extremo trasero de la corriente tiene una concentración reducida de 235U y se denomina hexafluoruro de uranio empobrecido. El porcentaje de enriquecimiento es una medida del porcentaje de masa de 235U en el producto final, y el grado de enriquecimiento está determinado por el uso. El UF6 enriquecido suele convertirse en uranio metálico u óxido para el combustible de los reactores de potencia o en metal para aplicaciones armamentísticas. El UF6 empobrecido se convierte en uranio metálico para diversas aplicaciones civiles y militares o se almacena para su uso futuro. El uranio poco enriquecido (2-4% de enriquecimiento) se utiliza en los reactores nucleares civiles (DOE 2000), mientras que el uranio muy enriquecido (>90% de enriquecimiento) se utiliza en los reactores especiales de investigación (la mayoría de los cuales han sido retirados de la circulación), en los núcleos de los reactores de los submarinos nucleares y en las armas nucleares. El uranio metálico empobrecido se utiliza como blindaje contra las radiaciones, proyectiles de misiles, elementos de destino en los reactores de producción de plutonio, componente de giroscopios y contrapesos o estabilizadores en aviones.

El uranio sufre continuamente una transformación a través del proceso de desintegración por el que libera energía para convertirse finalmente en un elemento estable o no radiactivo. En el caso de los isótopos del uranio, se trata de un proceso complejo que implica la producción en serie de una cadena de productos de desintegración, llamados progenie, hasta que se forma un elemento estable final. Los productos de desintegración de los isótopos del uranio, que también son radiactivos, se muestran en la Tabla 4-4. El 238U es el isótopo padre de la serie del uranio (el 234U es un producto de desintegración del 238U), mientras que el 235U es el isótopo padre de la serie de desintegración del actinio. Todos los isótopos naturales del uranio y algunos de sus descendientes se desintegran por emisión de partículas alfa; los demás miembros de ambas series se desintegran por emisión de partículas beta y rayos gamma (NNDC 2011). Tanto la serie de desintegración del uranio como la del actinio tienen tres características en común. Cada serie comienza con un progenitor de larga vida, el 235U o el 238U, cada serie contiene un isótopo del gas noble radón, y cada serie termina con un isótopo estable del plomo, el 207Pb o el 206Pb.

La cantidad de tiempo necesaria para que la mitad de los átomos de un radionúclido se transforme se denomina vida media radiactiva. La tasa de desintegración, y por tanto la vida media, de cada radionúclido es única. La vida media del 238U es muy larga, 4,5×109 años; las vidas medias del 235U y del 234U son órdenes de magnitud inferiores, 7,0×108 y 2,5×105 años, respectivamente. Dado que la actividad de una determinada masa de uranio depende de la masa y la vida media de cada isótopo presente, cuanto mayor sea la abundancia relativa de los isótopos 234U y 235U, que decaen más rápidamente, mayor será la actividad. Así, el uranio empobrecido es menos radiactivo que el uranio natural y el uranio enriquecido es más radiactivo.

El uranio es inusual entre los elementos porque es un material tanto químico como radiactivo. Los peligros asociados al uranio dependen de la forma química y física del uranio, de la vía de ingestión y del nivel de enriquecimiento. La forma química del uranio determina su solubilidad y, por tanto, su transportabilidad en los fluidos corporales, así como su retención en el cuerpo y en diversos órganos. La toxicidad química del uranio es la principal preocupación para la salud, ya que los compuestos solubles del uranio causan daños en el tejido renal. Los peligros radiológicos del uranio pueden ser una preocupación principal cuando los compuestos de uranio enriquecidos (DOE 2001) e insolubles inhalados son retenidos a largo plazo en los pulmones y los linfáticos asociados.