Bookshelf

4.2. PROPRIETĂȚI FIZICE, CHIMICE ȘI RADIOLOGICE

Proprietățile fizice ale uraniului și ale compușilor de uraniu importante în ciclul combustibilului nuclear și în programele de apărare sunt enumerate în tabelul 4-2. Procentul de apariție și proprietățile radioactive ale izotopilor naturali ai uraniului sunt enumerate în tabelul 4-3. Cele două serii de dezintegrare pentru izotopii naturali ai uraniului sunt prezentate în tabelul 4-4.

Metalurgic, uraniul metalic poate exista în trei forme alotropice: ortorombic, tetragonal sau cubic centrat pe corp (Lide 2008) și poate fi aliat cu alte metale pentru a-i modifica proprietățile structurale și fizice în funcție de aplicație. Ca și pulberea de aluminiu metalic, pulberea de uraniu metalic este autopiroforică și poate arde spontan la temperatura camerei în prezența aerului, a oxigenului și a apei. În același mod, suprafața metalului în vrac, atunci când este expusă pentru prima dată la atmosferă, se oxidează rapid și produce un strat superficial subțire de UO2, care rezistă la pătrunderea oxigenului și protejează metalul interior de oxidare. La temperaturi de 200-400°C, pulberea de uraniu se poate autoaprinde în atmosfere de CO2 și N2. Pentru a preveni autoaprinderea, așchiile de prelucrare a uraniului pot fi depozitate în containere deschise și sub ulei sau apă de mașină pentru a preveni acumularea de hidrogen gazos. Uraniul în flăcări poate fi plasat sub apă până la stingere, care poate fi întârziată de hidroliza apei, care furnizează o parte din oxigen și hidrogen pentru continuarea arderii. Pulverizarea apei, CO2 și haloanele sunt ineficiente, iar descărcarea de haloane poate fi explozivă și produce gaze toxice (DOE 2001).

Uraniul poate exista în cinci stări de oxidare: +2, +3, +4, +5 și +6 (Lide 2008); cu toate acestea, doar stările +4 și +6 sunt suficient de stabile pentru a avea o importanță practică. Uraniul tetravalent este rezonabil de stabil și formează hidroxizi, fluoruri hidratate și fosfați cu solubilitate redusă. Uraniul hexavalent este starea cea mai stabilă, iar starea cea mai frecvent întâlnită este U3O8, deși există câteva locuri de depozitare localizate pentru hexafluorura de uraniu antropogenă (UF6) în Statele Unite (DOE 2011a). Principalii compuși ai uraniului includ oxizi, fluoruri, carburi, nitrați, cloruri, acetați și alții. Una dintre caracteristicile ionilor UO2+2 este capacitatea lor de a deveni fluorescenți în lumină ultravioletă.

Deși elementul uraniu a fost descoperit în 1789 de Klaproth, care l-a numit „uraniu” după planeta Uranus, recent descoperită, abia în 1896 Becquerel a descoperit că uraniul este radioactiv. Există 22 de izotopi cunoscuți ai uraniului, dintre care doar 3 se găsesc în stare naturală (NNDC 2011). Acești trei izotopi, 234U, 235U și 238U, au o abundență masică relativă în roca crustală neperturbată a Pământului de 0,005, 0,72 și, respectiv, 99,275%. Un gram de uraniu natural cu această abundență izotopică relativă are o activitate de 0,69 µCi. Din acești 0,69 µCi, 49,0% din activitate poate fi atribuită la 234U, 2,27% din activitate poate fi atribuită la 235U, iar 48,7% din activitate poate fi atribuită la 238U (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Acest raport se referă doar la rocile crustale nedisturbate. Deși abundența masică relativă a 234U este de numai 0,005%, aceasta reprezintă aproximativ jumătate din activitatea totală. Abundențele izotopice relative prezentate mai sus pot fi modificate într-o oarecare măsură de procese naturale care nu sunt pe deplin înțelese, dar care pot determina raporturi diferite în aer, apă și sol, după cum s-a demonstrat în rapoartele EPA (EPA 1994a, 2007).

235U este un izotop de interes deosebit deoarece este fisionabil (capabil să fie fisionat) și, în consecință, poate susține o reacție nucleară în lanț în prezența neutronilor cu energie adecvată. Izotopul predominant al uraniului care se găsește în natură, 238U, nu este ușor fisionabil, dar o mică parte din transformările sale au ca rezultat fisiunea spontană mai degrabă decât dezintegrarea alfa tipică; acești neutroni pot fi suficienți pentru a iniția o reacție în lanț în condiții adecvate de concentrație, masă și termizare a neutronilor. Prin urmare, pentru ca uraniul să poată fi utilizat ca și combustibil în reactoarele nucleare, raportul dintre 235U și 238U este mărit de la 0,72 la 2-4% printr-un proces numit îmbogățire. Procesul de îmbogățire cel mai utilizat în Statele Unite se numește difuzie gazoasă, dar pot fi utilizate și alte procese de îmbogățire care implică metode termice, prin centrifugare și laser, iar alte țări sunt implicate activ în producția de uraniu îmbogățit. Minereul de uraniu este transformat în oxid de uraniu (U3O8) și apoi fluorizat în UF6; apoi, un flux de UF6 gazos care conține toți cei trei compuși izotopici este trecut printr-o serie lungă de etape de difuzie prin care 234U și 235U trec mai repede decât 238U. Astfel, capătul din față al fluxului are o concentrație sporită de 235U și se numește hexafluorură de uraniu îmbogățit, în timp ce capătul din spate al fluxului are o concentrație redusă de 235U și se numește hexafluorură de uraniu sărăcit. Procentul de îmbogățire este o măsură a procentului masic de 235U în produsul final, iar gradul de îmbogățire este determinat de utilizare. UF6 îmbogățit este, de obicei, transformat în uraniu metalic sau oxid de uraniu pentru combustibilul pentru reactoarele de putere sau în metal pentru aplicații în domeniul armamentului. UF6 sărăcit este fie transformat în uraniu metalic pentru o varietate de aplicații civile și militare, fie depozitat pentru utilizare ulterioară. Uraniul slab îmbogățit (îmbogățit la 2-4%) este utilizat în reactoarele nucleare civile (DOE 2000), în timp ce uraniul puternic îmbogățit (>90% îmbogățit) este utilizat în reactoarele speciale de cercetare (majoritatea dintre acestea au fost scoase din funcțiune), în miezurile reactoarelor submarinelor nucleare și în armele nucleare. Uraniul metalic sărăcit este utilizat ca scut împotriva radiațiilor, proiectile de rachete, elemente țintă în reactoarele de producere a plutoniului, o componentă a giroscopului și contragreutăți sau stabilizatoare în aeronave.

Uraniul suferă continuu transformări prin procesul de dezintegrare prin care eliberează energie pentru a deveni în cele din urmă un element stabil sau ne-radioactiv. În cazul izotopilor de uraniu, acesta este un proces complex care implică producerea în serie a unui lanț de produși de dezintegrare, numiți progenituri, până la formarea unui element final stabil. Produsele de dezintegrare ale izotopilor de uraniu, care sunt, de asemenea, radioactive, sunt prezentate în tabelul 4-4. 238U este izotopul părinte al seriei de uraniu (234U este un produs de dezintegrare a 238U), în timp ce 235U este izotopul părinte al seriei de dezintegrare a actiniului. Toți izotopii naturali ai uraniului și unii dintre progeniturile lor se dezintegrează prin emisie de particule alfa; ceilalți membri ai celor două serii se dezintegrează prin emisie de particule beta și raze gamma (NNDC 2011). Atât seria de dezintegrare a uraniului, cât și cea a actiniului au trei caracteristici comune. Fiecare serie începe cu un părinte cu durată lungă de viață, 235U sau 238U, fiecare serie conține un izotop al gazului nobil radon și fiecare serie se termină cu un izotop stabil al plumbului, 207Pb sau 206Pb.

Cantitatea de timp necesară pentru ca jumătate din atomii unui radionuclid să se transforme se numește timpul de înjumătățire radioactivă al acestuia. Rata de dezintegrare și, prin urmare, timpul de înjumătățire, pentru fiecare radionuclid este unică. Timpul de înjumătățire al 238U este foarte lung, 4,5×109 ani; timpii de înjumătățire ai 235U și 234U sunt cu câteva ordine de mărime mai mici, 7,0×108 și, respectiv, 2,5×105 ani. Deoarece activitatea unei anumite mase de uraniu depinde de masa și de timpul de înjumătățire al fiecărui izotop prezent, cu cât abundența relativă a celor 234U și 235U, care se descompun mai rapid, este mai mare, cu atât activitatea va fi mai mare. Astfel, uraniul sărăcit este mai puțin radioactiv decât uraniul natural, iar uraniul îmbogățit este mai radioactiv.

Uraniul este neobișnuit printre elemente, deoarece este atât un material chimic, cât și unul radioactiv. Pericolele asociate cu uraniul depind de forma chimică și fizică a uraniului, de calea de ingerare și de nivelul de îmbogățire. Forma chimică a uraniului determină solubilitatea acestuia și, prin urmare, transportabilitatea în fluidele corporale, precum și retenția în corp și în diferite organe. Toxicitatea chimică a uraniului este principala preocupare pentru sănătate, deoarece compușii solubili ai uraniului provoacă leziuni ale metalelor grele în țesutul renal. Pericolele radiologice ale uraniului pot fi o preocupare principală atunci când compușii de uraniu inhalat, îmbogățit (DOE 2001) și insolubil sunt reținuți pe termen lung în plămâni și în limfaticele asociate.

.