L'urani, un element químic de gran importància al món de la ciència i la tecnologia, ocupa un lloc destacat a la taula periòdica a causa de les seves propietats úniques. El seu nombre atòmic és 92, i es troba a la natura en diverses formes.
L'urani és més conegut pel seu paper en la generació d'energia nuclear i la fabricació d'armes nuclears, ja que és l'element clau de la fissió nuclear. A més, té aplicacions en medicina, investigació científica i tecnologia aeroespacial.
Encara que el seu ús ofereix beneficis significatius, l'urani és radioactiu i el seu maneig està subjecte a regulacions estrictes per garantir-ne l'ús segur.
Usos i aplicacions
L'urani té diverses aplicacions a la indústria i la investigació. Vegem-ne alguns exemples:
- Generació d'energia nuclear: L'ús més destacat de l'urani és com a combustible en reactors nuclears per a la generació d'energia elèctrica. L'urani enriquit s'utilitza a la fissió nuclear, on els nuclis d'urani-235 es divideixen en nuclis més petits, alliberant una gran quantitat d'energia en forma de calor. Aquesta energia es converteix en electricitat. Lenergia nuclear és una font denergia neta i eficient.
- Fabricació d'armes nuclears: L'urani enriquit també ha estat utilitzat en la fabricació d'armes nuclears. Quan s'assoleix una concentració suficient d'urani-235, es pot fer servir per crear explosions nuclears devastadores. Això ha portat a la necessitat de controlar i restringir laccés a lurani enriquit.
- Medicina nuclear: L'urani s'utilitza en medicina nuclear en la producció de radioisòtops, com el tecneci-99m, que es fan servir en l'obtenció d'imatges mèdiques, com les tomografies per emissió de positrons (PET) i les gammagrafies, per al diagnòstic de malalties i trastorns.
- Propulsió espacial: La fissió nuclear de l'urani ha estat considerada una font d'energia per a missions espacials de llarga durada. S'ha explorat la possibilitat de fer servir reactors nuclears per propulsar naus espacials.
- Investigació científica: L'urani s'utilitza a la investigació científica, inclosos experiments nuclears i estudis sobre la física de partícules. També es fa servir en acceleradors de partícules i detectors de radiació.
- Projectils perforants i blindatges: L'urani empobrit s'ha utilitzat en projectils perforants i en el blindatge de vehicles militars degut a la seva alta densitat, que li proporciona propietats penetrants i protectores.
Estructura d'un àtom d'urani
Un àtom consta dun nucli i delectrons que envolten aquest nucli. Alhora, un nucli consta de protons i de neutrons. Un protó té una càrrega positiva. Un neutró no té càrrega elèctrica i és neutre.
Les càrregues positives dels protons intenten empènyer-se violentament cap a fora. El que impedeix que se separin és una nova classe de força: una força d'atracció de curt abast, immensament poderosa, actua indistintament entre protons i neutrons (que des d'aquest punt de vista són tots nucleons).
La força nuclear de curt abast els manté units, oposant-se a aquest efecte repulsiu de les càrregues positives dels protons. D'aquesta manera, els neutrons actuen com a “ciment nuclear”.
Tipus d'urani: natural, enriquit i empobrit
Hi ha diferents tipus d'urani segons la composició isotòpica. Cadascun d'aquests tipus té propietats i aplicacions específiques, cosa que els converteix en components vitals de la tecnologia nuclear i altres disciplines relacionades.
A continuació, es detalla una breu descripció de cada tipus d'urani i les característiques respectives.
Urani natural
L'urani natural és el que es troba a la natura i està compost principalment per tres isòtops: urani-238 (U-238), urani-235 (U-235) i urani-234 (U-234). La proporció d'U-238 a l'urani natural és molt més gran que la d'U-235, i cal enriquir-lo per utilitzar-lo en reactors nuclears o armes nuclears.
Urani enriquit
L'urani enriquit és aquell en què s'augmenta la proporció d'U-235 en comparació de l'urani natural. Aquest procés es duu a terme en plantes d'enriquiment i s'utilitza per obtenir urani amb una concentració més gran d'U-235. L'urani enriquit és necessari per alimentar la majoria dels reactors nuclears utilitzats per generar energia.
Urani empobrit
L'urani empobrit és urani que ha passat pel procés d'enriquiment per augmentar la concentració d'U-235, i el material restant, que té una concentració més baixa d'U-235, es coneix com a urani empobrit. Aquest material té usos limitats i sovint s'emmagatzema o s'utilitza en aplicacions no nuclears.
L'urani a la taula periòdica
L'urani, amb símbol "U" i número atòmic 92 a la taula periòdica, és un element radioactiu amb diversos isòtops notables que es troba al grup 3 de la taula periòdica.
Pertany al període 7, cosa que significa que el setè nivell d'energia conté electrons. Quant al bloc, es classifica com un element del bloc f, específicament en la sèrie dels actínids.
Aquest element és part de la sèrie actínida degut a la similitud en les propietats electròniques dels elements dins aquest grup.
|
Propietat |
Valor |
|
Símbol químic |
U |
|
Número atòmic |
92 |
|
Massa atòmica (U-238) |
Aproximadament 238.05078 u |
|
Estat físic |
Sòlid (a temperatura ambient) |
|
Isòtops importants |
U-238, U-235 |
|
Punt de fusió |
Aproximadament 1,132°C (2,070°F) |
|
Punt d'ebullició |
Aproximadament 3,818°C (6,904°F) |
|
Propietats radioactives |
Emet radiació alfa, beta i gamma |
|
Toxicitat |
Tòxic per als éssers humans |
|
Aplicacions |
Energia nuclear, armes nuclears, datació radiomètrica |
|
Abundància |
Relativament rar, es troba en minerals com la uraninita i la carnotita |
Isòtops de l'urani
L'urani es pot presentar en diferents composicions al seu nucli, és a dir, en diferents isòtops. Tot i que l'urani es pot trobar a la natura, la major part es troba en una configuració que no és la més idònia per generar reaccions nuclears.
Per això, els àtoms d'aquest element s'alteren artificialment per convertir-los en altres isòtops més inestables. Aquests nous isòtops afavoriran la generació de reaccions de fissió nuclear en cadena.
A continuació es presenten els isòtops més destacats:
-
Urani-235 (U-235): És l'isòtop de l'urani que s'utilitza com a combustible en reactors nuclears i per a la fabricació d'armes nuclears. L'U-235 és fissionable, cosa que significa que es pot dividir en dos nuclis més lleugers quan absorbeix un neutró, alliberant una gran quantitat d'energia en forma de calor i radiació. Aquest procés és fonamental en les reaccions nuclears de fissió i és el principi darrere de les bombes nuclears i la generació denergia en reactors nuclears.
-
Urani-238 (U-238): És l'isòtop d'urani més abundant i constitueix la major part de l'urani natural. L'U-238 també es pot fisionar, però no és fissionable per neutrons tèrmics, cosa que ho fa menys útil per a la majoria de les aplicacions de fissió nuclear. Tot i això, l'U-238 es converteix en plutoni-239 (Pu-239) quan absorbeix un neutró, i el Pu-239 és un altre material fissionable que s'utilitza en la fabricació d'armes nuclears i com a combustible en reactors de fissió.
-
Urani-233 (U-233): Encara que menys comú, l'U-233 és un altre isòtop fissionable de l'urani que es pot utilitzar com a combustible en reactors nuclears. Es forma a partir del tori-232 (Th-232) mitjançant l'absorció d'un neutró. Tot i que és un fissionable eficient, és més complicat de produir i manejar que l'U-235 o el Pu-239.
A més dels isòtops esmentats, hi ha altres isòtops menys comuns. Aquests inclouen urani-234 (U-234), urani-236 (U-236), urani-239 (U-239), entre altres. Aquests isòtops són menys abundants i tenen aplicacions més limitades en tecnologia nuclear a causa de la seva baixa prevalença.