Historia y Descubrimiento

El uranio existe naturalmente como una mezcla de varios óxidos de uranio, siendo el triuranio octaoxido (U3O8) la forma química más prevalente y estable. El dióxido de uranio (UO2) y el trióxido de uranio (UO3) también se encuentran comúnmente en los minerales de uranio. El triuranio octaoxido, un óxido complejo compuesto de U2O5 y UO3, es un sólido de color verde oscuro a negro ubicado principalmente en el mineral pechblenda. Cuando el dióxido de uranio se oxida, produce U3O8 en una reacción química representada como: 3UO2 + O2 → U3O8. Además, el trióxido de uranio, al calentarse por encima de 500°C, se reduce a U3O8: 6UO3 → 2U3O8 + O2. La composición estructural de U3O8 es bipiramidal pentagonal, con unidades UO7 que se repiten.

El uranio es conocido por su uso como combustible en plantas de energía nuclear, que involucra la extracción y el enriquecimiento de uranio de los minerales. El proceso comienza con la extracción de minerales ricos en uranio, seguido de la trituración de rocas, la formación de lodo, el tratamiento con ácido sulfúrico y reacciones subsiguientes que producen diuranato de amonio ((NH4)2U2O7). El calentamiento adicional produce torta amarilla, un óxido de uranio enriquecido que contiene 70-90% de U3O8 en forma de mezcla de UO2 y UO3. La torta amarilla se transporta a plantas de conversión para el enriquecimiento. Dado que el uranio natural consiste en diferentes isótopos, con un 0,7% de U-235 y un 99,3% de U-238, el enriquecimiento es crucial para el combustible del reactor nuclear (concentración del 4%) o el uranio de grado armamentístico (concentración del 90%). El proceso de enriquecimiento implica disolver la torta amarilla en ácido nítrico para producir hexahidrato de nitrato de uranilo (UO2(NO3)2?6H2O), purificar la solución y calentar para extraer UO2, que luego se reduce a UO con H2: UO2(NO3)2?6H2O+H2→UO2+2HNO3+6H2O.

Para enriquecer aún más el uranio, el óxido de uranio sólido se somete a fluoración, convirtiéndolo en una fase gaseosa al reaccionar con fluoruro de hidrógeno: UO2 + 4HF → UF4 + 4H2O. El tetrafluoruro de uranio (UF4) se combina con gas fluor para producir hexafluoruro de uranio (UF6): UF4 + F2 → UF6. El hexafluoruro de uranio, un sólido cristalino blanco en condiciones estándar, sublima a gas a 57°C. El enriquecimiento de U-235 en hexafluoruro de uranio se puede lograr mediante métodos como la difusión gaseosa y la centrifugación gaseosa, aprovechando la diferencia de masas entre los isótopos de uranio.

El UF6 enriquecido se procesa en instalaciones de fabricación de combustible para producir polvo de UO2 mediante varios métodos. En un proceso, el hexafluoruro de uranio se vaporiza y luego se absorbe por agua, lo que resulta en la formación de una solución de fluoruro de uranilo (UO2F2). Se introduce hidróxido de amonio en esta solución, lo que precipita diuranato de amonio. Tras el secado, la reducción y la molienda, se produce polvo de dióxido de uranio. Este polvo luego se comprime en pastillas de combustible para su utilización en reactores nucleares.

La energía nuclear convencional implica aprovechar el calor generado en una reacción de fisión controlada para generar electricidad. El núcleo del reactor, contenido en un recipiente de reacción de paredes gruesas, alberga elementos de combustible que consisten en varillas de circonio llenas de pellets de UO2. El agua llena el reactor con fines de enfriamiento y sirve como moderador, frenando los neutrones para aumentar la probabilidad de interacción de los neutrones con el uranio para la fisión. Varillas de control, compuestas de cadmio y boro, se intercalan entre las varillas de combustible para gestionar la reacción nuclear absorbiendo neutrones.

Si bien el dise?o fundamental de la mayoría de los reactores nucleares es similar, se emplean diversos tipos de reactores en todo el mundo. En los Estados Unidos, la mayoría de los reactores utilizan agua común como refrigerante, clasificándolos como reactores de agua ligera. Estos reactores pueden ser presurizados a aproximadamente 150 atmósferas, manteniendo el refrigerante primario en fase líquida a temperaturas alrededor de 300°C. El calor del agua presurizada se utiliza para aumentar la temperatura del agua secundaria, produciendo vapor para la generación de electricidad. Los reactores de agua en ebullición permiten que el agua en el núcleo hierva directamente, y el vapor resultante impulsa las turbinas. Los reactores de agua pesada, que utilizan D2O como refrigerante y moderador, emplean deuterio (D o 2H) como isótopo de hidrógeno, lo que permite el uso de uranio natural en lugar de uranio enriquecido como combustible.

Los reactores reproductores se desarrollaron para utilizar el U-238 no fisible, que constituye el 97% del uranio natural. El concepto detrás de los reactores reproductores es convertir el U-238 en un material de combustible fisible. Una reacción para criar plutonio es:

El comportamiento del combustible de plutonio en un reactor reproductor difiere del del uranio. El plutonio requiere neutrones rápidos para la fisión, lo que impide el uso de agua como moderador en los reactores reproductores. El sodio líquido se emplea comúnmente en los reactores reproductores, lo que lleva a la designación "reactor rápido reproductor de metal líquido" (LMFBR, por sus siglas en inglés). La controversia en torno a los reactores reproductores está relacionada con preocupaciones sobre la producción de plutonio de grado armamentístico y la proliferación de armas nucleares.

Referencia

Richard L. Myers (2009). Los 100 Compuestos Químicos Más Importantes: Una Guía de Referencia. Greenwood Publishing Group. 1 de octubre de 2009. https://doi.org/10.1021/ed086p1182