Fatos Sobre o Urânio

Em 6 de agosto de 1945, uma bomba de 3 metros de comprimento caiu do céu sobre a cidade japonesa de Hiroshima. Menos de um minuto depois, tudo a uma milha da detonação da bomba foi obliterado. Uma grande tempestade de fogo destruiu rapidamente quilômetros a mais, matando dezenas de milhares de pessoas.

Este foi o primeiro uso de uma bomba atômica na guerra, e usou um elemento famoso para causar a sua destruição: o urânio. Este metal radioactivo é único na medida em que um dos seus isótopos, o urânio-235, é o único isótopo natural capaz de sustentar uma reacção de fissão nuclear. (Um isótopo é uma versão do elemento com um número diferente de neutrões em seu núcleo.)

Para entender o urânio, é importante entender a radioatividade. O urânio é naturalmente radioactivo: O seu núcleo é instável, por isso o elemento está num estado de decadência constante, procurando um arranjo mais estável. Na verdade, o urânio foi o elemento que tornou possível a descoberta da radioatividade. Em 1897, o físico francês Henri Becquerel deixou alguns sais de urânio em uma placa fotográfica, como parte de algumas pesquisas sobre como a luz influenciou esses sais. Para sua surpresa, a placa embaciou, indicando algum tipo de emissão dos sais de urânio. Becquerel compartilhou um Prêmio Nobel com Marie e Pierre Curie em 1903 para a descoberta.

Apenas os factos

De acordo com o Laboratório Nacional de Aceleradores Lineares Jefferson, as propriedades do urânio são:

• Número atômico (número de prótons no núcleo): 92
• Símbolo atômico (na Tabela Periódica de Elementos): U
• Peso atómico (massa média do átomo): 238,02891
• Densidade: 18,95 gramas por centímetro cúbico
• Fase à temperatura ambiente: Sólido

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• Ponto de fusão: 2.075 graus Fahrenheit (1.135 graus Celsius)

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• Ponto de fusão: 7.468 F (4.131 C)
• Número de isótopos (átomos do mesmo elemento com um número diferente de nêutrons): 16, 3 que ocorrem naturalmente
• Isótopos mais comuns: U-234 (0,0054 por cento de abundância natural), U-235 (0,7204 por cento de abundância natural), U-238 (99,2742 por cento de abundância natural)

História do urânio

Martin Heinrich Klaproth, um químico alemão, descobriu o urânio em 1789, apesar de ser conhecido desde pelo menos A.D. 79, quando o óxido de urânio estava sendo usado como corante para esmaltes cerâmicos e em vidro, segundo a Chemicool. Klaproth descobriu o elemento no mineral pitchblende, que na época se pensava ser um minério de zinco e ferro. O mineral foi dissolvido em ácido nítrico, e depois foi adicionado potássio (sais de potássio) ao precipitado amarelo restante. Klaproth concluiu que havia descoberto um novo elemento quando a reação entre o potássio e o precipitado não seguiu nenhuma reação dos elementos conhecidos. Sua descoberta acabou sendo óxido de urânio e não urânio puro como ele acreditava originalmente.

De acordo com o Laboratório Nacional de Los Alamos, Klaproth deu ao novo elemento o nome do recém-descoberto planeta Urano, que foi nomeado para o deus grego do céu. Eugène-Melchior Péligot, um químico francês, isolou urânio puro em 1841, aquecendo tetracloreto de urânio com potássio.

Uranio foi encontrado radioativo em 1896 por Antoine H. Becquerel, um físico francês. Becquerel tinha deixado uma amostra de urânio em cima de uma placa fotográfica não exposta, que se tornou nublada. Ele concluiu que ele estava emitindo raios invisíveis, de acordo com a Royal Society of Chemistry. Esta foi a primeira instância em que a radioatividade foi estudada e abriu um novo campo da ciência. Marie Curie, uma cientista polonesa, cunhou o termo radioatividade logo após a descoberta de Becquerel, e com Pierre Curie, um cientista francês, continuou a pesquisa para descobrir outros elementos radioativos, como o polônio e o rádio, e suas propriedades.

Energia e guerra

O urânio do universo formou-se há 6,6 bilhões de anos em supernovas, de acordo com a Associação Nuclear Mundial. Está em todo o planeta, e compõe cerca de 2 a 4 partes por milhão da maioria das rochas. Está em 48º lugar entre os elementos mais abundantes encontrados nas rochas da crosta natural, segundo o Departamento de Energia dos EUA, e é 40 vezes mais abundante que a prata.

Pois o urânio é altamente associado à radioatividade, sua taxa de decomposição é tão baixa que este elemento não é na verdade um dos mais radioativos por aí. O urânio-238 tem uma meia-vida incrível de 4,5 bilhões de anos. O urânio-235 tem uma meia-vida de pouco mais de 700 milhões de anos. O urânio-234 tem a mais curta meia-vida de todas, 245.500 anos, mas ocorre apenas indiretamente do decaimento do U-238,

Em comparação, o elemento mais radioativo é o polônio. Ele tem uma meia-vida de apenas 138 dias.

Partout, o urânio tem potencial explosivo, graças à sua capacidade de sustentar uma reação nuclear em cadeia. O U-235 é “físsil”, o que significa que o seu núcleo pode ser dividido por neutrões térmicos – neutrões com a mesma energia que o seu ambiente circundante. Eis como funciona, de acordo com a Associação Nuclear Mundial: O núcleo de um átomo U-235 tem 143 nêutrons. Quando um nêutron livre choca com o átomo, ele divide o núcleo, lançando neurônios adicionais, que podem então zingar para os núcleos dos átomos U-235 próximos, criando uma cascata auto-sustentável de fissão nuclear. Os eventos de fissão geram cada um calor. Num reactor nuclear, este calor é utilizado para ferver água, criando vapor que transforma uma turbina para gerar energia, e a reacção é controlada por materiais como o cádmio ou o boro, que podem absorver neutrões extra para os retirar da cadeia de reacção.

Numa bomba de fissão como a que destruiu Hiroshima, a reacção passa a ser supercrítica. O que isto significa é que a fissão ocorre a um ritmo cada vez maior. Estas reacções supercríticas libertam enormes quantidades de energia: A explosão que destruiu Hiroshima teve a potência estimada de 15 kilotons de TNT, tudo criado com menos de um quilograma de urânio submetido a fissão.

Para tornar a fissão de urânio mais eficiente, os engenheiros nucleares enriquecem-na. O urânio natural é apenas cerca de 0,7 por cento U-235, o isótopo físsil. O resto é o U-238. Para aumentar a proporção de U-235, os engenheiros gasificam o urânio para separar os isótopos ou usam centrífugas. De acordo com a Associação Nuclear Mundial, a maioria do urânio enriquecido para usinas nucleares é composta de entre 3% a 5% de U-235.

Na outra extremidade da escala está o urânio empobrecido, que é usado para blindagem de tanques e para fazer balas. O urânio empobrecido é o que sobra depois do urânio enriquecido ser gasto em uma usina elétrica. É cerca de 40% menos radioativo que o urânio natural, de acordo com o Departamento de Assuntos de Veteranos dos EUA. Este urânio empobrecido só é perigoso se for inalado, ingerido ou entrar no corpo num tiroteio ou explosão.

Quem diria?

• Apenas 1,38% do urânio da bomba “Little Boy” que destruiu Hiroshima foi fissionado, de acordo com a Atomic Heritage Foundation. A bomba continha cerca de 140 libras (64 kg) de urânio total.
• A bomba “Little Boy” detonou 1.670 pés (509 metros) acima de Hiroshima e deixou apenas as armações de alguns poucos edifícios de concreto armado no raio de milhas em torno do Ground Zero, de acordo com um relatório da Agência de Defesa Nuclear de 1980. Firestorms destruíram tudo num raio de 4,4 milhas (7 quilômetros) da explosão.
• A meia-vida do urânio-238 é de 4,5 bilhões de anos. Ele decai para o rádio-226, que por sua vez decai para o rádon-222. O rádon-222 torna-se polônio-210, que finalmente decai em um nuclídeo estável, chumbo.
• Marie Curie, que trabalhou com o urânio para descobrir vários elementos ainda mais radioativos (polônio e rádio), provavelmente sucumbiu à exposição à radiação envolvida em seu trabalho. Ela morreu em 1934 de anemia aplástica, uma deficiência de glóbulos vermelhos provavelmente causada por danos de radiação na medula óssea.
• O urânio puro é um metal prateado que oxida rapidamente no ar.
• O urânio é às vezes usado para colorir o vidro, que brilha de amarelo esverdeado sob a luz negra – mas não por causa da radioatividade (o vidro é apenas um pouco radioativo). De acordo com a Collectors Weekly, a fluorescência é devida à luz UV que excita o composto uranílico no vidro, fazendo-o emitir fotões à medida que volta a assentar.
• Yellowcake é óxido de urânio sólido. Esta é a forma em que o urânio é normalmente vendido antes de ser enriquecido.
• O urânio é extraído em 20 países, com mais da metade vindo do Canadá, Cazaquistão, Austrália, Níger, Rússia e Namíbia, de acordo com a Associação Nuclear Mundial.
• De acordo com a Lenntech, todos os humanos e animais estão naturalmente expostos a quantidades mínimas de urânio de alimentos, água, solo e ar. Na maioria das vezes, a população em geral pode ignorar com segurança as quantidades que são ingeridas, exceto se eles vivem perto de locais de resíduos perigosos, minas, ou se as culturas são cultivadas em solo contaminado ou regadas com água contaminada.

Pesquisa atual

Dada a sua importância no combustível nuclear, os pesquisadores estão profundamente interessados em como o urânio funciona – particularmente durante um derretimento. O derretimento ocorre quando os sistemas de resfriamento em torno de um reator falham e o calor gerado pelas reações de fissão no núcleo do reator derrete o combustível. Isto aconteceu durante o desastre nuclear na usina nuclear de Chernobyl, resultando em uma bolha radioativa chamada “o pé do Elefante”

A compreensão de como os combustíveis nucleares agem quando derretem é crucial para os engenheiros nucleares construir vasos de contenção, disse John Parise, químico e mineralogista da Universidade de Stony Brook e do Laboratório Nacional de Brookhaven.

Em novembro de 2014, Parise e colegas do Laboratório Nacional de Argonne e outras instituições publicaram um artigo na revista Science que elucidou o funcionamento interno do dióxido de urânio derretido, um componente importante do combustível nuclear, pela primeira vez. O dióxido de urânio não derrete até que as temperaturas ultrapassem 5.432 F (3.000 C), por isso é difícil medir o que acontece quando o material fica líquido, disse Parise à Live Science – não há nenhum recipiente suficientemente resistente.

“A solução para isso é aquecermos uma esfera de dióxido de urânio do topo com um laser de dióxido de carbono, e essa esfera é levitada em um fluxo de gás”, disse Parise. “Você tem esta esfera de material levitando no fluxo de gás, então você não precisa de um recipiente”

Os pesquisadores então irradiam raios X através da bolha de dióxido de urânio e medem a dispersão desses raios X com um detector. O ângulo de dispersão revela a estrutura dos átomos dentro do dióxido de urânio.

Os pesquisadores descobriram que no dióxido de urânio sólido, os átomos estão dispostos como uma série de cubos alternando com espaço vazio em um padrão de grade, com oito átomos de oxigênio ao redor de cada átomo de urânio. À medida que o material se aproxima de seu ponto de fusão, os oxigenados ficam “loucos”, disse o pesquisador do Laboratório Nacional Argonne Lawrie Skinner em um vídeo sobre os resultados. Os átomos de oxigênio começam a se movimentar, preenchendo espaço vazio e bopping de um átomo de urânio para outro.

Finalmente, quando o material derrete, a estrutura se assemelha a uma pintura de Salvador Dali à medida que os cubos se transformam em poliedros desordenados. Neste ponto, disse Parise, o número de átomos de oxigênio ao redor de cada átomo de urânio – conhecido como número de coordenação – cai de oito para cerca de sete (alguns átomos de urânio têm seis oxiógenos ao seu redor, e alguns têm sete, fazendo uma média de 6,7 oxiógenos por urânio).

Saber este número torna possível modelar como o dióxido de urânio irá agir a estas altas temperaturas, disse Parise. O próximo passo é adicionar mais complexidade. Os núcleos nucleares não são apenas dióxido de urânio, disse ele. Eles também incluem materiais como zircónio e o que quer que seja usado para proteger o interior do reactor. A equipe de pesquisa agora planeja adicionar esses materiais para ver como a reação do material muda.

“Você precisa saber como o líquido de dióxido de urânio puro se comporta para que quando você começar a olhar para os efeitos de pequenos aditivos, você possa ver quais são as diferenças”. Parise disse.

A grande maioria do urânio é usado para energia, geralmente em reações nucleares controladas. Os resíduos remanescentes, urânio empobrecido, podem ser reciclados para aproveitar outros tipos de energia, como o poder do sol. Uma patente de 2017 de Igor Usov e Milan Sykora, cientistas do Laboratório Nacional de Los Alamos, discute o uso do urânio empobrecido de reações nucleares para criar células solares. Os autores escreveram que o óxido de urânio empobrecido era abundante e barato como sobras do processo de enriquecimento do combustível nuclear e poderia ser otimizado para uso como células solares através do controle da espessura, relação urânio/oxigênio, cristalinidade e doping.

O dióxido de urânio é um excelente semicondutor, de acordo com um trabalho de 2000 de Thomas Meek no Laboratório Nacional Oak Ridge, e poderia ser potencialmente uma melhoria para certos usos em relação aos usos tradicionais do silício, germânio ou arsenieto de gálio. À temperatura ambiente, o óxido de urânio daria a maior eficiência possível de células solares quando comparado com os elementos e compostos tradicionais para o mesmo uso.

Relatório adicional por Rachel Ross, Contribuinte da Live Science