El uranio es un elemento químico metálico de color plateado perteneciente a la serie de los actínidos. Tiene el mayor peso atómico de entre todos los elementos que se encuentran en la naturaleza. En concreto su número atómico es 92, por lo que su núcleo posee 92 protones y un número variable de neutrones que de forma natural oscila entre 142 y 146. Esto hace que se trate de un material con una alta densidad, de 19,1 g cm–3, no obstante menor que la de otros elementos como el wolframio o el oro.
El uranio natural se compone normalmente de tres isótopos distintos: el uranio-238 (238U), el más abundante, el uranio-235 (235U) y una cantidad mínima de uranio-234 (234U), cuyas proporciones en masa son del 99,284%, el 0,711% y el 0,0085%, respectivamente. Estos valores definen la abundancia isotópica de este elemento que, salvo excepciones, se mantiene aproximadamente constante en la naturaleza. A temperatura ambiente posee una estructura cristalina de simetría ortorrómbica poco corriente para los metales. A temperaturas más altas aparecen otras dos formas alotrópicas antes de fundir, de simetrías tetragonal y cúbica centrada en el interior.
Es un elemento poco abundante en la corteza terrestre pero aparece en algunos minerales como la uranita, también llamada pecblenda en su forma más impura, un óxido de uranio de color negro como el que se muestra en la figura 3.1a que es la principal mena de uranio. También existen otros minerales que contienen uranio y se consideran menas secundarias como la autunita o la torbernita, que son de un fuerte color amarillo (figura 3.1b) y verde (figura 3.1c), respectivamente. Estos minerales pertenecen a un grupo más extenso constituido por fosfatos y arseniatos de uranilo hidratados de distintos metales, químicamente parecidos, que a menudo aparecen asociados.
El uranio se conocía desde finales del siglo XVIII y durante el siglo XIX se estudiaron algunas de sus sales. Su extracción se lleva a cabo mediante técnicas estándares en metalurgia. Normalmente las menas se trituran y procesan con ácido sulfúrico para obtener una mezcla de óxidos de uranio que popularmente se conoce como yellowcake (torta amarilla), debido a su color amarillo intenso, y que es un producto comercial (figura 3.1d). El siguiente paso suele ser convertir la mezcla de óxidos en hexafluoruro de uranio, que es el materia prima más habitual para obtener los compuestos de uranio necesarios para otras aplicaciones. Aunque evidentemente puede obtenerse uranio metálico (figura 3.1e), es algo poco habitual.
Tradicionalmente el uranio se usaba como elemento de aleación para aceros o como pigmento verde o amarillo para vidrios (figura 3.1f), pero debido a la naturaleza radiactiva de este elemento estos usos son poco frecuentes en la actualidad. En efecto, el uranio es un elemento radiactivo y sus tres isótopos naturales decaen mediante desintegraciones nucleares, pero de forma muy lenta. En concreto, son emisores α con periodos de semidesintegración de aproximadamente 4470 y 704 millones años para el 238U y el 235U, respectivamente. Debido a que los periodos de semidesintegración son distintos, el cociente de sus abundancias, que puede experimentar ligerísimas variaciones, puede usarse como método de datación para el rango de tiempo adecuado. Asimismo, los cocientes de masas de algunos de estos isótopos de uranio con otros de sus elementos descendientes también sirven para propósitos de datación.
El uranio ha tenido una importancia capital en el desarrollo de la química y la física del siglo XX, ya que su estudio ha dado lugar a importantes descubrimientos, empezando por la radioactividad natural a finales del siglo XIX, la fisión nuclear o el hallazgo de elementos nuevos como el radio y el polonio o los actínidos artificiales, creados en el laboratorio y que no existen en la naturaleza.
El descubrimiento de la radiactividad natural ocurrió a finales del siglo XIX y es debido al científico francés Henri Becquerel cuando trabajaba con sales fosforescentes. Se percató de que una placa fotográfica que había dejado en un cajón se había ennegrecido debido a la presencia de una sal de uranio (concretamente sulfato de uranilo y potasio) que se encontraba en el mismo cajón. La placa, como la que se muestra en la figura 3.2a, mostraba marcas como si hubiera estado expuesta a la luz, y pronto Becquerel se dio cuenta de que este fenómeno no tenía nada que ver con la fosforescencia de las sales, sino que era un efecto que provenía del uranio. Sus experimentos demostraban que había una forma de radiación invisible que podía penetrar a través del papel.
Por la descripción y explicación de la radioactividad natural, Becquerel recibió el Premio Nobel de Física de 1903 junto con el matrimonio Curie. Por la misma época los Curie también estudiaron a fondo la radioactividad de la pecblenda, obteniendo y caracterizando dos elementos químicos radiactivos nuevos, el polonio y el radio, extraídos de grandes cantidades de este mineral. Este descubrimiento haría que en 1911 Marie Curie fuera galardonada con el Premio Nobel por segunda vez, en este caso en la categoría de Química.
Ya en el siglo XX todavía vendrían más avances importantes de la mano de este elemento. En 1934 el eminente físico nuclear Enrico Fermi había predicho la existencia de elementos químicos más pesados que el uranio de naturaleza sintética, a los que se les empezó a denominar genéricamente transuránidos. La técnica sugerida para obtener estos nuevos elementos era el bombardeo con neutrones (partículas que habían sido recientemente descubiertas) de otros elementos de alto número atómico. Se suponía que la irradiación controlada con neutrones podría inducir reacciones de transmutación como las que ya habían sido estudiadas en elementos de número atómico bajo. Consistían en la transformación de un elemento químico en otro distinto con un número atómico próximo, normalmente con una unidad de diferencia. A la vista de estas circunstancias, bombardear muestras de uranio y torio parecía un método plausible para obtener alguno de estos elementos transuránidos.
Alentados por esta predicción, Otto Hahn y su joven asistente Fritz Strassmann investigaron en esa línea pero detectaron con gran sorpresa la presencia de bario tras la irradiación con neutrones de una muestra de uranio. La aparición de un elemento tan ligero era un hecho completamente inesperado e inexplicable salvo si se aceptaba la hipótesis de que los núcleos atómicos se habían “fracturado” de alguna forma dando lugar a núcleos más ligeros. La publicación de estos resultados ocurrió en 1939 justamente después de que Lise Meitner, estrecha colaboradora de Hahn, se hubiera visto obligada a huir de la Alemania nazi poco antes de la realización de dichos experimentos. Fue Meitner, junto a su sobrino Otto R. Frisch, quienes dieron una explicación satisfactoria desde el punto de vista teórico a estos experimentos, y por ende al mecanismo de la fisión nuclear. En concreto, propusieron que el 235U se había fisionado para dar lugar a 144Ba y 89Kr junto a tres neutrones liberando una gran cantidad de energía, tal y como se indica en la figura 3.2b. Por el descubrimiento de la fisión nuclear, Hahn recibió el Premio Nobel de Química de 1944 en solitario, sin incluirse al joven Strassmann y sin tener en cuenta la contribución teórica de Meitner y Frisch[1].
El descubrimiento de los elementos transuránidos ocurriría muy poco tiempo después del de la fisión, en California, por Edwin McMillan y Philip H. Abelson, quienes supieron controlar debidamente las condiciones de irradiación de los neutrones gracias al recién descubierto ciclotrón, dando lugar a la producción de un nuevo elemento de número atómico 93 al que llamaron neptunio (por analogía lingüística con el uranio, el elemento precedente). En la misma institución, Glenn T. Seaborg continuó con esta línea de investigación descubriendo y aislando sucesivamente los siguientes elementos transuránidos e introduciendo el concepto de actínidos, elementos de química similar a la del uranio pero diferente a la de los lantánidos y por supuesto a la de los metales de transición. En 1951 McMillan y Seaborg fueron galardonados con el Premio Nobel de Química por estas investigaciones[2].
Estos estudios realizados en la década de 1930 sentarían las bases de las futuras aplicaciones nucleares, cuyo desarrollo tecnológico se produjo principalmente durante la Segunda Guerra Mundial en Estados Unidos, en el Proyecto Manhattan, que se llevó a cabo entre 1942 y 1946 con fines bélicos y contando con una financiación sin precedentes. Durante dicho proyecto se hicieron los avances necesarios en distintas ramas del conocimiento para poder controlar la fisión nuclear, dando lugar a la producción del armamento nuclear que fue usado en la contienda bélica en los famosos bombardeos de 1945. No obstante, pese a estos traumáticos sucesos, las investigaciones sobre isótopos radiactivos del Proyecto Manhattan tuvieron una repercusión enorme para otras aplicaciones con fines pacíficos como la medicina nuclear, la producción de energía nuclear o la propulsión nuclear marina, entre otras muchas.
La clave para controlar las reacciones nucleares de fisión residía en aumentar la proporción de 235U que había en el uranio natural, que era demasiado baja. Tal y como habían postulado Meitner y Frisch, este isótopo era el responsable de la fisión y los científicos americanos pensaron que incrementando su proporción lograrían un mayor efecto y podrían iniciar una reacción en cadena que podría sostenerse en el tiempo. Efectivamente, para estas aplicaciones, tanto para la producción de energía en una central nuclear (figura 3.2c) como para fabricar una bomba nuclear (figura 3.2d), es necesario aumentar la proporción de 235U.
Para ello hay que llevar a cabo un proceso de enriquecimiento que es muy costoso y para el que se requiere invertir una gran cantidad de energía. Esto se debe al escaso rendimiento de separación, ya que los isótopos de uranio, y más aún los compuestos que se emplean en el proceso, tienen unas masas muy parecidas. El enriquecimiento del uranio se puede llevar a cabo fundamentalmente mediante dos procesos físicos: la difusión y la centrifugación. Ambos procedimientos usan hexafluoruro de uranio en estado gaseoso gracias a que este compuesto sublima a temperaturas inferiores a 60 oC. Tradicionalmente se empleaba con mayor frecuencia la difusión gaseosa a través de membranas, pero actualmente las técnicas de centrifugación a velocidades muy altas constituyen el procedimiento habitual. Con cualquiera de estos dos métodos puede conseguirse uranio enriquecido cuya proporción de 235U es mucho mayor que el 0,7% que tiene el uranio natural. Por el contrario, el producto que permanece tras el enriquecimiento es conocido como uranio empobrecido y tiene un contenido en 235U mucho menor que el uranio natural.
Según la proporción de 235U con respecto a la de 238U, el uranio enriquecido adquiere distintos grados. Contenidos superiores al 20% dan lugar al uranio altamente enriquecido o para armas, pudiendo llegar hasta el 85%, que es la proporción adecuada también para los reactores de propulsión nuclear marina para grandes barcos y submarinos. Al uranio cuyo contenido de 235U es menor del 20% se le denomina uranio de bajo enriquecimiento y es el necesario para el combustible de las centrales nucleares, aunque las tendencias actuales para disminuir el impacto ambiental de la producción de energía nuclear es usar cada vez combustibles con la menor proporción posible de 235U.
[1] La concesión de este premio generó posteriormente cierta controversia cuando se entendió el alcance del descubrimiento de la fisión nuclear, tanto desde el punto de vista de las aplicaciones como desde la importancia conceptual en física. El premio se concedió en la categoría de química porque se valoró solo el aspecto de las transformaciones químicas. Véanse a este respecto los siguientes artículos: R. L. Sime. Phys. Perspect. 2 (2000) 48-62. https://doi.org/10.1007/s000160050036; E. Crawford et al. Phys. Today 50 (1997) 26. https://doi.org/10.1063/1.881933.
[2] Más información sobre el descubrimiento y las propiedades de los elementos transuránidos puede encontrarse en la monografía G. T. Seaborg, W. D. Loveland. Elements Beyond Uranium. John Wiley & Wiley (1990), o un resumen más conciso en el capítulo 14 de W. D. Loveland, D. J. Morrissey y G. T. Seaborg. Modern Nuclear Chemistry. 2ª ed. John Wiley & Wiley (2017).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
