Caracteristicile si aplicatiile uraniului

Uraniul este un element chimic cu simbolul U si numarul atomic 92 in tabelul lui Mendeleev. Este un metal gri-argintiu din seria actinidelor din tabelul periodic. Un atom de uraniu are 92 de protoni si 92 de electroni, dintre care 6 sunt electroni de valenta.

Uraniul este slab radioactiv, deoarece toti izotopii uraniului sunt instabili; timpul de injumatatire a izotopilor sai in mod natural variaza intre 159.200 de ani si 4,5 miliarde de ani. Cei mai comuni izotopi ai uraniului natural sunt uraniul-238 (care are 146 de neutroni si reprezinta peste 99% din uraniul de pe Pamant) si uraniul-235 (care are 143 neutroni). Uraniul are cea mai mare greutate atomica a elementelor care apar primordial.

Densitatea sa este cu aproximativ 70% mai mare decat cea a plumbului si putin mai mica decat cea a aurului sau a tungstenului. Apare in mod natural in concentratii scazute de cateva parti per milion in sol, roca si apa si este extras comercial din minerale purtatoare de uraniu, cum ar fi uraninita.

In natura, uraniul se gaseste sub forma de uraniu-238 (99.2739–99.2752%), uraniu-235 (0,7198–0,7202%) si o cantitate foarte mica de uraniu-234 (0,0050–0,0059%). Uraniul se descompune lent emitand o particula alfa. Perioada de injumatatire a uraniului-238 este de aproximativ 4,47 miliarde de ani, iar cea a uraniului-235 este de 704 milioane de ani, ceea ce le face utile in datarea varstelor pe Pamant.

Multe utilizari contemporane ale uraniului exploateaza proprietatile sale unice nucleare. Uraniul-235 este singurul izotop fisil care apare in mod natural, ceea ce il face utilizat pe scara larga in centralele nucleare si la producerea armelor nucleare. Cu toate acestea, din cauza cantitatilor minuscule gasite in natura, uraniul trebuie sa fie supus imbogatirii, astfel incat sa fie prezent suficient uraniu-235, in aplicatiile in care se doreste a fi folosit.

Uraniul-238 este fisionabil cu neutroni rapizi si este fertil, ceea ce inseamna ca poate fi transmis la plutoniu-239 fisil, intr-un reactor nuclear. Un alt izotop fisil, uraniu-233, poate fi produs din toriu natural si este important si in tehnologia nucleara. Uraniu-238 are o probabilitate mica de fisiune spontana sau chiar una indusa cu neutroni rapizi; uraniul-235 si, intr-un grad mai mic, uraniul-233, au o sectiune transversala de fisiune mult mai mare pentru neutronii lenti. In concentratie suficienta, acesti izotopi mentin o reactie nucleara sustinuta in lant.

Aceasta genereaza caldura in reactoarele de energie nucleara si produce materialul fisil pentru armele nucleare. Uraniul epuizat (238U) este utilizat in patrunzatorii de energie cinetica si in placarea armurilor. Uraniul este utilizat ca si colorant in sticla de uraniu, producand culori de la galben de lamaie pana la culori verzi. De asemenea, a fost folosit pentru nuantare si umbrire in fotografia timpurie.

Descoperirea uraniului din 1789 intr-un strat mineral de uraninita, este creditata lui Martin Heinrich Klaproth, care a numit noul element dupa planeta Uranus, descoperita recent. Eugène-Melchior Péligot a fost prima persoana care a izolat metalul, iar proprietatile sale radioactive au fost descoperite in 1896 de Henri Becquerel. Cercetarile lui Otto Hahn, Lise Meitner, Enrico Fermi si altii, precum J. Robert Oppenheimer, incepand din 1934, au dus la utilizarea sa ca si combustibil in industria energiei nucleare si la productia Little Boy, prima arma nucleara folosita in razboi.

O cursa a inarmarilor care a continuat in timpul Razboiului Rece dintre Statele Unite si Uniunea Sovietica, a produs zeci de mii de arme nucleare care au folosit uraniu si plutoniu-239, derivat din uraniu. Securitatea acestor arme si a materialelor lor fisibile in urma destramarii Uniunii Sovietice in 1991, reprezinta o preocupare continua pentru sanatatea si siguranta publica.

Cand este rafinat, uraniul este un metal argintiu, slab radioactiv. Are o duritate Mohs de 6, suficienta pentru a zgaria sticla si aproximativ egala cu cea a titanului, rodiului, manganului si niobiului. Este maleabil, ductil, usor paramagnetic, puternic electropozitiv si un conductor electric slab. Metalul cu uraniu are o densitate foarte mare de 19,1 g / cm3, mai densa decat plumbul (11,3 g / cm3), dar mai putin mai densa decat tungstenul si aurul cu (19,3 g / cm3).

Metalul de uraniu reactioneaza cu aproape toate elementele nemetalice (cu exceptia gazelor nobile) si a compusilor acestora, reactivitatea lui crescand cu temperatura. Acizii clorhidric si nitric dizolva uraniul, dar acizii neoxidanti, altii decat acidul clorhidric, ataca foarte lent elementul. Cand este divizat fin, poate reactiona cu apa rece; in aer, metalul de uraniu devine acoperit cu un strat intunecat de oxid de uraniu.  Uraniul din minereuri este extras chimic si transformat in dioxid de uraniu sau alte forme chimice utilizabile in industrie.

Uraniu-235 a fost primul izotop care s-a dovedit a fi fisil. Alti izotopi care apar in mod natural sunt fisionabili, dar nu fisili. La bombardarea cu neutroni lenti, izotopul sau de uraniu-235 se va imparti de cele mai multe ori in doua nuclee mai mici, eliberand energie de legare nucleara si mai multi neutroni. Daca prea multi dintre acesti neutroni sunt absorbiti de alte nuclee de uraniu-235, apare o reactie in lant nuclear care are ca rezultat o eliberare de caldura sau (in circumstante speciale), o explozie.

Intr-un reactor nuclear, o astfel de reactie in lant este incetinita si controlata de o substanta de absorbtie neutronica, absorbind o parte din neutronii liberi. Astfel de materiale absorbante de neutroni sunt adesea parte a tijelor de control ale reactoarelor (a se vedea fizica reactorului nuclear pentru o descriere a acestui proces de control al reactorului).

Pana la 7 kg de uraniu-235 pot fi utilizate pentru a produce o bomba atomica. Prima bomba nucleara folosita in razboi, Little Boy – Micutul, s-a bazat pe fisiunea de uraniu, dar primul exploziv nuclear (cel folosit la Trinity) si bomba care a distrus Nagasaki (Fat Man), au fost ambele bombe cu plutoniu.

Uraniul metal are trei forme alotrope:

α (ortorombic) stabil pana la 668 ° C. Ortorombic, grupa spatiala nr. 63, Cmcm, parametri de grila a = 285,4 pm, b = 587 pm, c = 495,5 pm.

β (tetragonal) stabil de la 668 ° C la 775 ° C. Tetragonal, grup spatial P42 / mnm, P42nm sau P4n2, parametri de grila a = 565,6 pm, b = c = 1075,9 pm.

γ (cubic centrat pe corp) de la 775 ° C pana la punctul de topire – aceasta este cea mai maleabila si ductila stare. Parametru lattice centrat pe corp, parametri de grila a = 352,4 pm.