Datos sobre el uranio

El 6 de agosto de 1945, una bomba de 3 metros de largo cayó del cielo sobre la ciudad japonesa de Hiroshima. Menos de un minuto después, todo lo que estaba en un radio de una milla de la detonación de la bomba fue destruido. Una enorme tormenta de fuego destruyó rápidamente kilómetros más, matando a decenas de miles de personas.

Este fue el primer uso de una bomba atómica en la guerra, y utilizó un famoso elemento para causar sus estragos: el uranio. Este metal radiactivo es único porque uno de sus isótopos, el uranio-235, es el único isótopo 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.)

Para entender el uranio, es importante entender la radiactividad. El uranio es naturalmente radiactivo: Su núcleo es inestable, por lo que el elemento está en constante estado 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 emisión de las sales de uranio. Becquerel compartió el Premio Nobel con Marie y Pierre Curie en 1903 por el descubrimiento.

Sólo los hechos

Según el Jefferson National Linear Accelerator Laboratory, las propiedades del uranio son:

• Número atómico (número de protones en el núcleo): 92
• Símbolo atómico (en la tabla periódica de los elementos): U
• Peso atómico (masa media 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 diferente número 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)

Historia del uranio

Martin Heinrich Klaproth, químico alemán, descubrió el uranio en 1789, aunque se conocía su existencia desde al menos el año A.D. 79, cuando el óxido de uranio se utilizaba como agente colorante para esmaltes cerámicos y en el vidrio, según Chemicool. Klaproth descubrió el elemento en el mineral pechblenda, que en aquella época se creía 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 llegó a la conclusión de que había descubierto un nuevo elemento cuando la reacción entre la potasa y el precipitado no siguió ninguna reacción de los elementos conocidos. Su descubrimiento resultó ser óxido de uranio y no uranio puro como había creído en un principio.

Según el Laboratorio Nacional de Los Álamos, Klaproth bautizó el nuevo elemento con el nombre del recién descubierto planeta Urano, que fue nombrado en honor al dios griego del cielo. Eugène-Melchior Péligot, un químico francés, aisló el uranio puro en 1841 calentando tetracloruro de uranio con potasio.

El uranio fue descubierto como radiactivo 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 enturbió. Llegó a la conclusión de que emitía rayos invisibles, según la Royal Society of Chemistry. Esta fue la primera vez que se estudió la radiactividad y abrió un nuevo campo de la ciencia. Marie Curie, una científica polaca, acuñó el término radiactividad 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.

Poder y guerra

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 constituye entre 2 y 4 partes por millón de la mayoría de las rocas. Ocupa el puesto 48 entre los elementos más abundantes que se encuentran en las rocas naturales de la corteza terrestre, según el Departamento de Energía de EE.UU., y es 40 veces más abundante que la plata.

Aunque el uranio está muy asociado a la radiactividad, su tasa de desintegración es tan baja que este elemento no es en realidad uno de los más radiactivos que existen. El uranio-238 tiene una vida media de unos increíbles 4.500 millones de años. El uranio-235 tiene una vida media de poco más de 700 millones de años. El uranio-234 tiene la vida media más corta de todos, 245.500 años, pero sólo se produce indirectamente a partir de la desintegración del U-238.

En comparación, el elemento más radiactivo es el polonio. Tiene una vida media de apenas 138 días.

Aún así, el uranio tiene potencial explosivo, gracias a su capacidad para mantener una reacción nuclear en cadena. El U-235 es «fisible», lo que significa que su núcleo puede ser dividido por neutrones térmicos, es decir, neutrones con la misma energía que su entorno. Así es como funciona, según la Asociación Nuclear Mundial: El núcleo de un átomo de U-235 tiene 143 neutrones. Cuando un neutrón libre choca con el átomo, divide el núcleo, lanzando neuronas adicionales, que luego pueden chocar con los núcleos de los átomos de U-235 cercanos, creando una cascada autosostenida de fisión nuclear. Cada uno de los eventos de fisión genera calor. En un reactor nuclear, este calor se utiliza para hervir el agua, creando vapor que hace girar una turbina para generar energía, y la reacción está controlada por materiales como el cadmio o el boro, que pueden absorber neutrones adicionales para sacarlos de la cadena de reacción.

En una bomba de fisión como la que destruyó Hiroshima, la reacción se vuelve supercrítica. Esto significa que la fisión se produce a una velocidad cada vez mayor. Estas reacciones supercríticas liberan cantidades masivas de energía: La explosión que destruyó Hiroshima tuvo la potencia de unos 15 kilotones de TNT, todo ello creado con menos de un kilo (2,2 libras) de uranio en fisión.

Para que la fisión del uranio sea más eficiente, los ingenieros nucleares lo enriquecen. El uranio natural sólo tiene un 0,7% de U-235, el isótopo fisible. El resto es U-238. Para aumentar la proporción de U-235, los ingenieros gasifican el uranio para separar los isótopos o utilizan centrifugadoras. Según la Asociación Nuclear Mundial, la mayor parte del uranio enriquecido para las centrales nucleares se compone de entre un 3% y un 5% de U-235.

En el otro extremo de la escala se encuentra el uranio empobrecido, que se utiliza para el blindaje de tanques y para fabricar balas. El uranio empobrecido es lo que queda después de que el uranio enriquecido se gaste en una central eléctrica. Es un 40% menos radiactivo que el uranio natural, según el Departamento de Asuntos de los Veteranos de Estados Unidos. Este uranio empobrecido sólo es peligroso si se inhala, se ingiere o entra en el cuerpo en un disparo o una explosión.

¿Quién lo iba a decir?

• Sólo el 1,38 por ciento del uranio de la bomba «Little Boy» que destruyó Hiroshima sufrió fisión, según la Atomic Heritage Foundation. La bomba contenía unas 140 libras (64 kg) de uranio en total.
• La bomba «Little Boy» detonó a 1.670 pies (509 metros) por encima de Hiroshima y sólo dejó en pie los armazones de unos pocos edificios de hormigón armado en un radio de una milla alrededor de la zona cero, según un informe de la Agencia Nuclear de Defensa de 1980. Las tormentas de fuego destruyeron todo lo que había en un radio de 4,4 millas (7 kilómetros) de la explosión.
• La vida media del uranio-238 es de 4.500 millones de años. Se descompone en radio-226, que a su vez se descompone en radón-222. El radón-222 se convierte en polonio-210, que finalmente decae en un nucleido estable, el plomo.
• Marie Curie, que trabajó con el uranio para descubrir varios elementos aún más radiactivos (polonio y radio), probablemente sucumbió a la exposición a la radiación que implicaba su trabajo. Murió en 1934 de anemia aplásica, una deficiencia de glóbulos rojos probablemente causada por los daños de la radiación en su médula ósea.
• El uranio puro es un metal plateado que se oxida rápidamente en el aire.
• El uranio se utiliza a veces para colorear el vidrio, que brilla de color amarillo verdoso bajo la luz negra, pero no debido a la radiactividad (el vidrio es sólo un poco radiactivo). Según Collectors Weekly, la fluorescencia se debe a que la luz ultravioleta excita el compuesto de uranilo del vidrio, haciendo que éste emita fotones al asentarse.
• La torta amarilla es óxido de uranio sólido. Esta es la forma en la que se suele vender el uranio antes de ser enriquecido.
• El uranio se extrae en 20 países, y más de la mitad procede de Canadá, Kazajstán, Australia, Níger, Rusia y Namibia, según la Asociación Nuclear Mundial.
• Según Lenntech, todos los seres humanos y animales están expuestos de forma natural a cantidades mínimas de uranio a través de los alimentos, el agua, el suelo y el aire. En su mayor parte, la población en general puede ignorar con seguridad las cantidades que ingiere, excepto si vive cerca de vertederos peligrosos, minas o si los cultivos crecen en suelos contaminados o se riegan con agua contaminada.

Investigación actual

Dada su importancia en el combustible nuclear, los investigadores están muy interesados en el funcionamiento del uranio, especialmente durante una fusión. Las fusiones se producen cuando los sistemas de refrigeración de un reactor fallan y el calor generado por las reacciones de fisión en el núcleo del reactor funde el combustible. Esto ocurrió durante la catástrofe nuclear de la central de Chernóbil, lo que dio lugar a una mancha radiactiva apodada «la pata de elefante».

Entender cómo actúan los combustibles nucleares cuando se funden es crucial para los ingenieros nucleares que construyen recipientes de contención, dijo John Parise, químico y mineralogista de la Universidad de Stony Brook y del Laboratorio Nacional de Brookhaven.

En noviembre de 2014, Parise y sus colegas del Laboratorio Nacional de Argonne y otras instituciones publicaron un artículo en la revista Science que dilucidaba por primera vez el funcionamiento interno del dióxido de uranio fundido, uno de los principales componentes del combustible nuclear. El dióxido de uranio no se funde hasta que las temperaturas superan los 3.000 C (5.432 F), por lo que es difícil medir lo que ocurre cuando el material se vuelve líquido, explicó Parise a Live Science, ya que no existe un recipiente lo suficientemente resistente.

«La solución consiste en calentar una bola de dióxido de uranio desde arriba con un láser de dióxido de carbono, y esta bola se hace levitar sobre una corriente de gas», explicó Parise. «Se tiene esta bola de material levitando sobre la corriente de gas, por lo que no se necesita un contenedor».

Los investigadores luego 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 en el interior del dióxido de uranio.

Los investigadores descubrieron que en el dióxido de uranio sólido, los átomos están dispuestos como una serie de cubos que se alternan con el espacio vacío en un patrón en forma de rejilla, con ocho átomos de oxígeno que rodean a cada átomo de uranio. A medida que el material se acerca a su punto de fusión, los oxígenos se vuelven «locos», explica Lawrie Skinner, investigador del Laboratorio Nacional de Argonne, en un vídeo sobre los resultados. Los átomos de oxígeno comienzan a moverse, llenando el espacio vacío y saltando de un átomo de uranio a otro.

Finalmente, cuando el material se funde, la estructura se asemeja a un cuadro de Salvador Dalí, ya que los cubos se convierten en poliedros desordenados. En este punto, dijo Parise, el número de átomos de oxígeno que rodean a cada átomo de uranio -conocido como número de coordinación- desciende de ocho a unos siete (algunos átomos de uranio tienen seis oxígenos que los rodean, y otros tienen siete, lo que supone una media de 6,7 oxígenos por uranio).

Conocer este número permite modelar cómo actuará el dióxido de uranio a estas altas temperaturas, dijo Parise. El siguiente paso es añadir más complejidad. Los núcleos nucleares no son sólo dióxido de uranio, dijo. También incluyen materiales como el circonio y lo que se utiliza para blindar el interior del reactor. El equipo de investigación planea ahora añadir estos materiales para ver cómo cambia la reacción del material.

«Hay que saber cómo se comporta el líquido de dióxido de uranio puro para que, cuando se empiece a observar los efectos de los pequeños aditivos, se pueda ver cuáles son las diferencias…» dijo Parise.

La gran mayoría del uranio se utiliza para obtener energía, normalmente en reacciones nucleares controladas. Los residuos sobrantes, el uranio empobrecido, pueden reciclarse para aprovechar otros tipos de energía, como la del sol. Una patente de 2017 de Igor Usov y Milan Sykora, científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos, analiza el uso del uranio empobrecido de las reacciones nucleares para crear células solares. Los autores escribieron que el óxido de uranio empobrecido era abundante y barato como restos del proceso de enriquecimiento del combustible nuclear y podría optimizarse para su uso como células solares controlando el grosor, la relación uranio/oxígeno, la cristalinidad y el dopaje.

El dióxido de uranio es un excelente semiconductor, según un artículo del año 2000 de Thomas Meek en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, y podría ser potencialmente una mejora para ciertos usos respecto a los tradicionales del silicio, el germanio o el arseniuro de galio. A temperatura ambiente, el óxido de uranio proporcionaría la mayor eficiencia posible de las células solares en comparación con los elementos y compuestos tradicionales para el mismo uso.

Información adicional de Rachel Ross, colaboradora de Live Science