L'uranio: Proprietà e usi dell'elemento

Descrizione

L'uranio è un metallo denso e grigio-argenteo; è forse più conosciuto per la sua radioattività e il suo ruolo centrale nell'energia nucleare. Essendo uno degli elementi naturali più pesanti, l'uranio presenta una combinazione unica di reattività chimica, stati di ossidazione multipli e caratteristiche nucleari che lo rendono indispensabile nella tecnologia moderna, nella produzione di energia e nella ricerca scientifica.

Introduzione all'elemento

Il grande interesse di scienziati, chimici e ingegneri per l'uranio è sempre stato legato alla sua posizione unica nella tavola periodica. Il numero atomico 92 lo rende uno degli ultimi elementi naturalmente abbondanti e un ponte tra i metalli pesanti naturali e gli elementi transuranici sintetici. Il chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth lo scoprì nel 1789, ma fu riconosciuto semplicemente come un metallo pesante dalle proprietà particolari fino alla fine del XIX secolo, quando la scoperta della radioattività da parte di Henri Becquerel mostrò la vera importanza scientifica dell'uranio.

I principali minerali contenenti uranio sono l'uraninite, la carnotite e la brannerite; viene estratto in molte parti del mondo. Le sue caratteristiche di alta densità, il peso quasi doppio rispetto al piombo, e la capacità di subire la fissione nucleare lo rendono un materiale importante sia nell'industria civile che in quella della difesa.

Descrizione delle proprietà chimiche

Dal punto di vista chimico, l'uranio è molto versatile e assume forme che vanno dallo stato di ossidazione +3 a quello +6, con un'ulteriore forma comune e stabile rappresentata da +4 e +6. Questa flessibilità consente all'elemento di formare un'ampia gamma di composti, molti dei quali svolgono ruoli essenziali nei cicli del combustibile nucleare e nelle applicazioni industriali.

- Il biossido di uranio è la forma principale utilizzata nei pellet di combustibile nucleare perché è stabile, altamente refrattario e compatibile con le condizioni del reattore.

- Le forme intermedie comuni durante la lavorazione includono il triossido di uranio (UO₃) e l'otossido di triuranio (U₃O₈).

- L'esafluoruro di uranio (UF₆) è uno dei composti dell'uranio chimicamente più significativi. La sua volatilità lo rende ideale per i processi di arricchimento che separano gli isotopi necessari per ottenere materiale per reattori o armi.

La solubilità dell'uranio nei sistemi ambientali è fortemente influenzata dal pH e dalla presenza di ioni carbonato o fosfato. Questa chimica controlla il modo in cui l'uranio si muove nelle acque sotterranee, come viene estratto dalle miniere e come deve essere gestito nei progetti di bonifica ambientale.

Proprietà fisiche

Proprietà.Valore.Unità.Descrizione

Numero atomico 92 - Numero di protoni nel nucleo

Peso atomico 238,03 g/mol Massa media degli atomi di uranio

Densità 19,1 g/cm³ Densità estremamente elevata; quasi il doppio di quella del piombo

Punto di fusione 1132 °C Temperatura alla quale l'uranio solido diventa liquido

Punto di ebollizione 4131 °C Temperatura alla quale l'uranio vaporizza

Gravità specifica 19,1 - Densità relativa rispetto all'acqua

Per ulteriori informazioni, visitare il sito Stanford Advanced Materials (SAM).

L'uranio metallico puro è malleabile e duttile, ma si appanna se esposto all'aria e reagisce facilmente per formare una serie di ossidi di uranio. Pur essendo radioattivo, i prodotti di decadimento sono prevalentemente particelle alfa, che non possono penetrare la pelle, anche se l'esposizione interna è pericolosa e i controlli sulla manipolazione devono essere rigorosi.

U-235 e U-238: Gli isotopi importanti

Due isotopi definiscono l'importanza tecnologica dell'uranio: U-238 e U-235.

U-238

Circa il 99,3% dell'uranio naturale è costituito da U-238. Pur non essendo facilmente fissile, questo isotopo è fertile, cioè può assorbire un neutrone e diventare plutonio-239, un isotopo fissile utilizzato sia nei reattori che nelle armi nucleari. Questa caratteristica fa sì che l'U-238 svolga un ruolo importante sia nei combustibili a ossidi misti (MOX) sia nelle tecnologie dei reattori breeder.

U-235

Solo lo 0,72% dell'uranio naturale è costituito da U-235, ma è l'unico isotopo presente in natura in grado di sostenere una reazione a catena. L'isotopo si divide in atomi più piccoli quando viene colpito da un neutrone lento, liberando una grande quantità di energia e altri neutroni. Questa reazione a catena è alla base della

- Generazione di energia nucleare

- Propulsione nucleare dei sottomarini

- Armi atomiche

- Operazioni dei reattori di ricerca

A causa della sua rarità, in molti casi l'U-235 deve essere arricchito per aumentarne la concentrazione ai fini dell'applicazione nei reattori. L'arricchimento, che di solito avviene per diffusione gassosa o centrifugazione dell'UF₆, genera uranio arricchito adatto alla produzione di elettricità.

Dove si trova l'uranio

L'uranio è un elemento relativamente comune nella crosta terrestre, presente all'incirca con la stessa abbondanza del tungsteno o del molibdeno. Si presenta per lo più in forma minerale e viene estratto con tecniche convenzionali e di lisciviazione in situ. I principali Paesi produttori di uranio sono:

- Il Kazakistan è attualmente il più grande produttore di uranio al mondo e si basa principalmente sull'estrazione per lisciviazione in situ.

- Il Canada possiede alcuni dei più ricchi giacimenti di alta qualità al mondo.

- Australia - ha vaste riserve situate in diverse grandi miniere a cielo aperto e sotterranee.

Namibia, Niger, Uzbekistan e Stati Uniti: produttori importanti con una lunga storia di estrazione di uranio.

L'uranio si trova anche in tracce nei depositi di fosfati, nell'acqua di mare e persino in alcune rocce granitiche. Le tecnologie per l'estrazione dell'uranio dall'acqua di mare stanno migliorando e in futuro potrebbero garantire una fornitura praticamente illimitata di uranio.

Usi comuni

Le caratteristiche nucleari e fisiche uniche dell'uranio danno origine a diverse applicazioni importanti:

1. Produzione di energia nucleare

L'uso più importante dell'uranio è come combustibile nei reattori nucleari. Quando l'U-235 subisce la fissione, produce grandi quantità di calore. Questo calore genera vapore che, a sua volta, aziona turbine per produrre elettricità. L'energia nucleare da uranio fornisce una parte significativa dell'elettricità a basse emissioni di carbonio nel mondo.

2. Difesa e applicazioni militari

L'uranio arricchito è utilizzato per formare il nucleo delle armi nucleari. L'uranio impoverito (DU) - principalmente U-238 - è impiegato nelle munizioni perforanti e nei rivestimenti dei veicoli blindati, poiché la sua estrema densità gli consente di penetrare e di autoaffilarsi al momento dell'impatto.

3. Applicazioni scientifiche e mediche

Gli usi dei composti dell'uranio includono la datazione delle rocce in geologia, gli studi di tracciabilità ambientale e i reattori di ricerca che producono isotopi medici per il trattamento del cancro.

Metodi di preparazione

L'estrazione e la macinazione sono le fasi iniziali della preparazione commerciale dell'uranio. Dopo l'estrazione, il minerale viene trattato mediante frantumazione, macinazione e lisciviazione chimica, generalmente con acido solforico o soluzioni alcaline, per separare l'uranio dagli altri minerali.

La soluzione finale viene purificata mediante:

- Estrazione con solventi

Scambio ionico

- Precipitazione in "yellowcake", di solito U₃O₈.

Il yellowcake viene convertito in UF₆ per l'arricchimento o in UO₂, per la fabbricazione di pellet di combustibile.

Domande frequenti

Che cos'ha di speciale l'uranio?

Unico tra gli elementi presenti in natura, l'uranio combina radioattività, alta densità, stati di ossidazione multipli e capacità di subire la fissione.

Come si estrae l'uranio?

Con metodi estrattivi tradizionali, lisciviazione in situ e purificazione chimica che separa l'uranio dal minerale.

Perché l'U-235 e l'U-238 sono importanti?

L'U-235 è fissile e in grado di provocare una reazione a catena, mentre l'U-238 è fertile e può essere convertito in combustibile nucleare utilizzabile.

Perché l'uranio è importante per l'industria?

Le sue proprietà nucleari costituiscono la base della produzione energetica globale e delle tecnologie di difesa.

In che modo i metodi di preparazione garantiscono la sicurezza?

Protocolli rigorosi, standard di protezione dalle radiazioni e processi chimici controllati assicurano che l'uranio sia manipolato e utilizzato in modo sicuro.