Uranio

1. En 1896 el físico Henri Becquerel descubrió
la radiación que emitían los minerales de
uranio. En ese mismo año, los estudios de
Pierre y Marie Curie sobre minerales de
uranio y torio condujeron al
descubrimiento de dos elementos: el
polonio y el radio. Estos elementos
despertaron un gran interés por emitir
radiaciones muy penetrantes, a semejanza
del uranio y el torio. A esta propiedad del
radio y otros elementos inestables, la de
emitir energía en forma de radiación al
desintegrarse, Marie Curie la llamó
"radiactividad".
En 1903, Rutherford y Soddy observaron
que la energía que salía del interior del
átomo era enorme, comparada con la
producida por cambios químicos. Ahora se
sabe que esa energía proviene del núcleo
de los átomos.
Radiactividad y fisión nuclear
La pregunta era ¿cuál es el origen de toda esa energía del núcleo del átomo? Albert
Einstein en 1905 propuso una teoría en la que se asevera que la energía y la masa
son diferentes aspectos de lo mismo, y que la relación se puede expresar por la
2
ecuación E = mc , donde E representa la energía, m la masa y c la velocidad de la luz
en el vacío. Esta ecuación indica que la masa se puede transformar en energía, y la
energía en masa; además, expone que una pequeña cantidad de masa puede
transformarse en una enorme cantidad de energía. La velocidad de la luz es
cercana a los 300 mil kilómetros por segundo, por lo que si esta cantidad se eleva al
cuadrado, la energía resultante es verdaderamente asombrosa.
Estos experimentos condujeron a la conclusión de que si se lograban desintegrar a
voluntad los núcleos de algunos elementos, sería posible obtener fabulosas
cantidades de energía.
En 1932, el físico británico James Chadwick descubrió el neutrón y en 1939, los
químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann descubrieron el rompimiento de
átomos de uranio al bombardearlos con neutrones; lo cual comprobaron al
encontrar elementos más ligeros que no se tenían al inicio de los experimentos. A
este fenómeno le llamaron fisión nuclear.
235
En la fisión de un átomo de uranio-235 ( U) se produce una gran cantidad de
energía, aproximadamente 50 millones de veces más que en la combustión de un
átomo de carbono. Esta energía se distribuye entre los fragmentos de fisión, los
neutrones, la radiación gamma y la radiación beta/gamma que se obtiene del
decaimiento de los productos de fisión y la energía de los neutrinos.
Estos descubrimientos condujeron al físico italiano Enrico Fermi a tratar de
mantener y controlar una reacción de fisión en cadena auto-sostenida. Utilizó los
235
neutrones provenientes de la fisión del U para fisionar otros núcleos del mismo
isótopo. Fermi construyó el primer reactor nuclear del mundo al que llamaron
Chicago Pile 1, debido a que se construyó en las instalaciones de la Universidad de
Chicago. El 2 de diciembre de 1942 logró la primera reacción de fisión nuclear en
cadena auto-sostenida; el control de esta reacción lo consiguió mediante el empleo
de boro y cadmio, elementos absorbedores de neutrones.
235
Por lo tanto, cuando el núcleo de U es bombardeado con neutrones de baja
energía, se fisiona y se producen de 2 a 3 neutrones que, a su vez, producen otras
fisiones y otros neutrones. Si este proceso se repite cíclicamente, se dice que existe
conoce como materiales fértiles. Por
ejemplo, el uranio-233 se produce por
captura de un neutrón por un átomo de
torio-232, y el plutonio-239 se forma
cuando un átomo de uranio-238 captura
un neutrón .
Enriquecimiento del uranio
El uranio natural es un elemento radiactivo
una reacción en cadena. A cada ciclo de la reacción en cadena se le llama
generación.
Moderadores
En la mayoría de los reactores en funcionamiento la fisión se realiza por neutrones
térmicos, es decir, de baja energía. Dado que los neutrones que se producen en la
fisión nuclear son neutrones rápidos, los reactores incluyen sustancias
moderadoras con el objeto de reducir la energía cinética de los neutrones hasta
llevarla al orden de magnitud necesario para que puedan producir nuevas fisiones.
Como moderadores se utilizan frecuentemente el grafito, el agua pesada y el agua
ligera.
Materiales físiles y fértiles
La fisión nuclear se induce al bombardear con neutrones el núcleo de ciertos
átomos de número atómico grande. Todos los núcleos pesados pueden fisionarse
siempre y cuando sean bombardeados con neutrones con la energía adecuada, de
tal manera que el núcleo de estos átomos adquieran un estado de inestabilidad
que conduzca a la fisión. Algunos átomos, tales como el uranio-235, el plutonio-
239, el plutonio-241 y otros, se fisionan con neutrones de baja energía y se les llama
materiales fisiles. Por su parte, los átomos que capturan neutrones para producir
átomos fisiles como son el torio-232, el uranio-238, el plutonio-240 y otros, se les
La Chicago pile 1 de Fermi,
el primer reactor nuclear
Henri Becquerel y la familia Curie
Neutrón
Núcleo del
235
átomo de U
Neutrones
libres
CALORCALOR
RADIACIONESRADIACIONES
Durante la fisión de un átomo de uranio se
generan productos de fisión, además de
que se desprenden de 2 a 3 neutrones que
ocasionan otras fisiones
44 55Contacto Nuclearinstituto nacional de investigaciones nucleares

2. En 1896 el físico Henri Becquerel descubrió
la radiación que emitían los minerales de
uranio. En ese mismo año, los estudios de
Pierre y Marie Curie sobre minerales de
uranio y torio condujeron al
descubrimiento de dos elementos: el
polonio y el radio. Estos elementos
despertaron un gran interés por emitir
radiaciones muy penetrantes, a semejanza
del uranio y el torio. A esta propiedad del
radio y otros elementos inestables, la de
emitir energía en forma de radiación al
desintegrarse, Marie Curie la llamó
"radiactividad".
En 1903, Rutherford y Soddy observaron
que la energía que salía del interior del
átomo era enorme, comparada con la
producida por cambios químicos. Ahora se
sabe que esa energía proviene del núcleo
de los átomos.
Radiactividad y fisión nuclear
La pregunta era ¿cuál es el origen de toda esa energía del núcleo del átomo? Albert
Einstein en 1905 propuso una teoría en la que se asevera que la energía y la masa
son diferentes aspectos de lo mismo, y que la relación se puede expresar por la
2
ecuación E = mc , donde E representa la energía, m la masa y c la velocidad de la luz
en el vacío. Esta ecuación indica que la masa se puede transformar en energía, y la
energía en masa; además, expone que una pequeña cantidad de masa puede
transformarse en una enorme cantidad de energía. La velocidad de la luz es
cercana a los 300 mil kilómetros por segundo, por lo que si esta cantidad se eleva al
cuadrado, la energía resultante es verdaderamente asombrosa.
Estos experimentos condujeron a la conclusión de que si se lograban desintegrar a
voluntad los núcleos de algunos elementos, sería posible obtener fabulosas
cantidades de energía.
En 1932, el físico británico James Chadwick descubrió el neutrón y en 1939, los
químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann descubrieron el rompimiento de
átomos de uranio al bombardearlos con neutrones; lo cual comprobaron al
encontrar elementos más ligeros que no se tenían al inicio de los experimentos. A
este fenómeno le llamaron fisión nuclear.
235
En la fisión de un átomo de uranio-235 ( U) se produce una gran cantidad de
energía, aproximadamente 50 millones de veces más que en la combustión de un
átomo de carbono. Esta energía se distribuye entre los fragmentos de fisión, los
neutrones, la radiación gamma y la radiación beta/gamma que se obtiene del
decaimiento de los productos de fisión y la energía de los neutrinos.
Estos descubrimientos condujeron al físico italiano Enrico Fermi a tratar de
mantener y controlar una reacción de fisión en cadena auto-sostenida. Utilizó los
235
neutrones provenientes de la fisión del U para fisionar otros núcleos del mismo
isótopo. Fermi construyó el primer reactor nuclear del mundo al que llamaron
Chicago Pile 1, debido a que se construyó en las instalaciones de la Universidad de
Chicago. El 2 de diciembre de 1942 logró la primera reacción de fisión nuclear en
cadena auto-sostenida; el control de esta reacción lo consiguió mediante el empleo
de boro y cadmio, elementos absorbedores de neutrones.
235
Por lo tanto, cuando el núcleo de U es bombardeado con neutrones de baja
energía, se fisiona y se producen de 2 a 3 neutrones que, a su vez, producen otras
fisiones y otros neutrones. Si este proceso se repite cíclicamente, se dice que existe
conoce como materiales fértiles. Por
ejemplo, el uranio-233 se produce por
captura de un neutrón por un átomo de
torio-232, y el plutonio-239 se forma
cuando un átomo de uranio-238 captura
un neutrón .
Enriquecimiento del uranio
El uranio natural es un elemento radiactivo
una reacción en cadena. A cada ciclo de la reacción en cadena se le llama
generación.
Moderadores
En la mayoría de los reactores en funcionamiento la fisión se realiza por neutrones
térmicos, es decir, de baja energía. Dado que los neutrones que se producen en la
fisión nuclear son neutrones rápidos, los reactores incluyen sustancias
moderadoras con el objeto de reducir la energía cinética de los neutrones hasta
llevarla al orden de magnitud necesario para que puedan producir nuevas fisiones.
Como moderadores se utilizan frecuentemente el grafito, el agua pesada y el agua
ligera.
Materiales físiles y fértiles
La fisión nuclear se induce al bombardear con neutrones el núcleo de ciertos
átomos de número atómico grande. Todos los núcleos pesados pueden fisionarse
siempre y cuando sean bombardeados con neutrones con la energía adecuada, de
tal manera que el núcleo de estos átomos adquieran un estado de inestabilidad
que conduzca a la fisión. Algunos átomos, tales como el uranio-235, el plutonio-
239, el plutonio-241 y otros, se fisionan con neutrones de baja energía y se les llama
materiales fisiles. Por su parte, los átomos que capturan neutrones para producir
átomos fisiles como son el torio-232, el uranio-238, el plutonio-240 y otros, se les
La Chicago pile 1 de Fermi,
el primer reactor nuclear
Henri Becquerel y la familia Curie
Neutrón
Núcleo del
235
átomo de U
Neutrones
libres
CALORCALOR
RADIACIONESRADIACIONES
Durante la fisión de un átomo de uranio se
generan productos de fisión, además de
que se desprenden de 2 a 3 neutrones que
ocasionan otras fisiones
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3. ¿Qué son los reactores nucleares?
neutrones se escapen del sistema y que
otros sean absorbidos por núcleos que no
se fisionan (a estos núcleos se les llama
venenos porque tienden a “matar” la
reacción, absorbiendo neutrones).
En un reactor nuclear la reacción en
cadena se mantiene a un nivel casi
constante, y que por su diseño y calidad de
su combustible no pueden explotar como
bombas atómicas.
La mayor parte de la energía liberada en la
fisión (aproximadamente 85%) se libera en
forma de calor en un tiempo muy corto,
después de que el proceso ocurre. El resto
de la energía proviene del decaimiento
radiactivo de los productos de fisión,
nombre que reciben los fragmentos una
vez que se han frenado y comienzan a
decaer. El decaimiento radiactivo continúa
aun cuando la reacción en cadena se ha
detenido, por lo que el diseño de un reactor
debe tener en cuenta esta energía para
poder manejarla adecuadamente.
Generalmente los elementos combustibles
tienen una reactividad mayor que cero, y a
esta cantidad se le llama exceso de
reactividad. Si el reactor consistiera
únicamente de elementos combustibles
sería supercrítico, pero ahí es donde entran
en función las llamadas barras de control,
que tienen una reactividad negativa. Estas
barras de control se introducen al núcleo lo
necesario para que el valor neto de
reactividad sea cero, es decir, que el reactor
235
La fisión nuclear del U ha hecho posible la existencia de los reactores nucleares.
Un reactor nuclear es una instalación en la cual se puede iniciar y controlar una
serie de fisiones nucleares auto-sostenidas. Estos dispositivos son utilizados como
herramientas de investigación, como sistemas para producir isótopos radiactivos y
también como fuentes de energía. Estos últimos son comúnmente conocidos como
reactores de potencia.
Si todos los neutrones emitidos en las fisiones produjeran nuevas fisiones, es
evidente que la reacción iría creciendo en forma descontrolada. A manera de
ilustración, esto es lo que ocurre en la bomba atómica, en la cual la reacción no se
controla y en unos instantes se libera una cantidad increíble de energía. Este
incremento es muy rápido y produce una explosión extraordinariamente violenta y
energética, característica de tales artefactos. Afortunadamente, es posible controlar
la reacción, haciendo que, en promedio, sólo uno de los neutrones emitidos en cada
fisión produzca otra fisión, y esto, a su vez, se logra dejando que cierta cantidad de
Factor de multiplicación y reactividad
Es muy conveniente definir el término llamado factor de multiplicación k, esto es, el
número de neutrones en una generación (cada ciclo de la reacción en cadena)
dividido entre el número de neutrones en la generación inmediata anterior.
Claramente, si k = 1, la reacción será estable; o sea que el número de neutrones ni
crece ni disminuye. Si k < 1, la reacción está disminuyendo, pues en cada generación
hay menos neutrones; y si k > 1, la reacción está creciendo.
Un reactor nuclear es un aparato en el cual se controla a voluntad una reacción de
fisión en cadena. Cuando un reactor tiene k = 1, o sea que la reacción se mantiene
estable, se dice que el reactor está crítico; cuando k < 1 nos referimos a un estado
subcrítico y cuando k > 1, decimos que es supercrítico.
Otro término muy usado en teoría de reactores es la reactividad (r), definida como:
De esta expresión se puede deducir que cuando un reactor está crítico (o sea que k =
1) la reactividad es cero. En un reactor subcrítico (o sea k < 1), la reactividad es
negativa y en uno en estado supercrítico, la reactividad es positiva.
de número atómico igual a 92 compuesto
235
por 3 isótopos que son: el U con el
238 234
0.7205%, el U con el 99.2739% y el U
con el 0.0056%. Este uranio no es
adecuado para su uso en reactores
enfriados y moderados con agua natural
debido a que este líquido, aunque absorbe
pocos neutrones, impide que la reacción de
fisión en cadena se mantenga auto-
sostenida. Para utilizar uranio natural en
un reactor se requiere un moderador que
absorba menos neutrones, como el agua
pesada y el grafito. Por esta razón se han
ideado varios métodos para incrementar el
235
porcentaje de U, el isótopo idóneo para la
fisión, tal manera que se puedan fabricar
con él combustibles para reactores
enfriados y moderados con agua natural. El
235
porcentaje de U en el combustible
nuclear recibe el nombre de
enriquecimiento, término que se utiliza
sólo en los casos en que el porcentaje de
235
U es mayor al natural.
El enriquecimiento del uranio es un
proceso complejo y son pocos los países
que tienen la capacidad técnica para
llevarlo a cabo. El uranio natural se extrae
del yacimiento en forma de óxido de uranio
(U O ), luego se procesa para convertirlo en3 8
el gas hexafloruro de uranio (UF ). Para esta6
conversión se disuelve el concentrado de
uranio en ácido nítrico, filtrando y
purificando la solución con solventes
235
químicos. El UF se enriquece con el U.6
Dos técnicas que se han utilizado para
enriquecer el uranio son la difusión
Uranio natural
Membrana
Porosa
Uranio enriquecido
Uranio empobrecido
(colas)
Salida del UF enriquecido6
Salida de “colas”
Entrada del UF6
Enriquecimiento por difusión gaseosa
Enriquecimiento por centrifugación gaseosa
238
U
UF6
235
U
gaseosa y la centrifugación gaseosa. La primera está basada en que las moléculas
ligeras atraviesan más rápidamente una membrana porosa. Si se repite esta
operación varias veces se logra enriquecer paulatinamente el gas con la molécula
235
ligera ( U) hasta el nivel deseado. En la centrifugación gaseosa se pone a girar un
cilindro lleno de hexafloruro de uranio. Por la fuerza centrífuga, las moléculas
238 235
pesadas ( U) se van a la periferia, mientras que las moléculas ligeras ( U) tienden
a desplazarse hacia el eje. El gas que queda al centro del cilindro estará
235
ligeramente enriquecido en U. Al igual que en el caso anterior, debe repetirse la
acción varias veces para lograr el nivel de enriquecimiento que se requiera.
66 instituto nacional de investigaciones nucleares 77Contacto Nuclear