Procesamiento de uranio

Procesamiento de uranio, preparación del mineral para su uso en diversos productos.

El uranio (U), aunque muy denso (19,1 gramos por centímetro cúbico), es un metal relativamente débil y no refractario. De hecho, las propiedades metálicas del uranio parecen ser intermedias entre las de la plata y otros metales verdaderos y las de los elementos no metálicos, por lo que no se valora para aplicaciones estructurales. El valor principal del uranio está en las propiedades radiactivas y fisionables de sus isótopos. En la naturaleza, casi todo (99.27 por ciento) del metal consiste en uranio-238; el resto consiste en uranio 235 (0,72 por ciento) y uranio 234 (0,006 por ciento). De estos isótopos naturales, solo el uranio-235 es directamente fisionable por irradiación de neutrones. Sin embargo, el uranio-238, al absorber un neutrón, forma uranio-239, y este último isótopo finalmente se descompone en plutonio-239, un material fisible de gran importancia en la energía nuclear y las armas nucleares. Otro isótopo fisionable, uranio-233, puede formarse por irradiación de neutrones de torio-232.

Incluso a temperatura ambiente, el uranio metálico finamente dividido reacciona con oxígeno y nitrógeno. A temperaturas más altas, reacciona con una amplia variedad de metales de aleación para formar compuestos intermetálicos. La formación de soluciones sólidas con otros metales ocurre raramente, debido a las estructuras cristalinas singulares formadas por átomos de uranio. Entre la temperatura ambiente y su punto de fusión de 1.132 ° C (2.070 ° F), el uranio metálico existe en tres formas cristalinas conocidas como fases alfa (α), beta (β) y gamma (γ). La transformación de la fase alfa a la fase beta ocurre a 668 ° C (1,234 ° F) y de la fase beta a la fase gamma a 775 ° C (1,427 ° F). El uranio gamma tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (bcc), mientras que el uranio beta tiene una estructura tetragonal. La fase alfa, sin embargo, consiste en láminas corrugadas de átomos en una estructura ortorrómbica altamente asimétrica. Esta estructura anisotrópica o distorsionada dificulta que los átomos de los metales de aleación sustituyan a los átomos de uranio o que ocupen espacios entre los átomos de uranio en la red cristalina. Solo se ha observado que el molibdeno y el niobio forman aleaciones de solución sólida con uranio.

Historia

Al químico alemán Martin Heinrich Klaproth se le atribuye el descubrimiento del elemento uranio en 1789 en una muestra de pitchblende. Klaproth nombró al nuevo elemento después del planeta Urano, que había sido descubierto en 1781. Sin embargo, no fue hasta 1841 que el químico francés Eugène-Melchior Péligot demostró que la sustancia metálica negra obtenida por Klaproth era realmente el dióxido de uranio compuesto. Péligot preparó metal de uranio real reduciendo el tetracloruro de uranio con metal de potasio.

Antes del descubrimiento y la elucidación de la fisión nuclear, los pocos usos prácticos del uranio (y estos eran muy pequeños) estaban en la coloración de la cerámica y como catalizador en ciertas aplicaciones especializadas. Hoy, el uranio es altamente valorado para aplicaciones nucleares, tanto militares como comerciales, e incluso los minerales de bajo grado tienen un gran valor económico. El uranio metálico se produce rutinariamente mediante el proceso Ames, desarrollado por el químico estadounidense FH Spedding y sus colegas en 1942 en la Universidad Estatal de Iowa, Ames. En este proceso, el metal se obtiene del tetrafluoruro de uranio por reducción térmica con magnesio.

Minerales

La corteza terrestre contiene aproximadamente dos partes por millón de uranio, lo que refleja una amplia distribución en la naturaleza. Se estima que los océanos contienen 4.5 × 10 ⁹ toneladas del elemento. El uranio se presenta como un componente importante en más de 150 minerales diferentes y como un componente menor de otros 50 minerales. Los minerales de uranio primarios, que se encuentran en las venas hidrotermales magmáticas y en las pegmatitas, incluyen uraninita y pitchblende (esta última una variedad de uraninita). El uranio en estos dos minerales se produce en forma de dióxido de uranio, que, debido a la oxidación, puede variar en la composición química exacta de UO ₂ a UO _2.67. Otros minerales de uranio de importancia económica son autunita, un fosfato de uranilo de calcio hidratado; tobernita, un fosfato de uranilo de cobre hidratado; coffinito, un silicato de uranio hidratado negro; y carnotita, un vanadato de uranil potasio hidratado amarillo.

Se estima que más del 90 por ciento de las reservas conocidas de uranio de bajo costo ocurren en Canadá, Sudáfrica, Estados Unidos, Australia, Níger, Namibia, Brasil, Argelia y Francia. Alrededor del 50 al 60 por ciento de estas reservas se encuentran en las formaciones rocosas conglomeradas del lago Elliot, ubicado al norte del lago Hurón en Ontario, Canadá, y en los campos de oro de Witwatersrand en Sudáfrica. Las formaciones de arenisca en la meseta de Colorado y la cuenca de Wyoming en el oeste de los Estados Unidos también contienen importantes reservas de uranio.

Minería y concentración

Los minerales de uranio se producen en depósitos que están cerca de la superficie y muy profundos (por ejemplo, 300 a 1,200 metros, o 1,000 a 4,000 pies). Los minerales profundos a veces ocurren en costuras tan gruesas como 30 metros. Como es el caso de los minerales de otros metales, los minerales de uranio superficial se extraen fácilmente con grandes equipos de movimiento de tierra, mientras que los depósitos profundos se extraen mediante métodos tradicionales de eje vertical y deriva.

Los minerales de uranio típicamente contienen solo una pequeña cantidad de minerales que contienen uranio, y estos no son susceptibles de fundirse por métodos pirometalúrgicos directos; en cambio, se deben usar procedimientos hidrometalúrgicos para extraer y purificar los valores de uranio. La concentración física reduciría en gran medida la carga en los circuitos de procesamiento hidrometalúrgico, pero ninguno de los métodos convencionales de beneficio típicamente empleados en el procesamiento de minerales, por ejemplo, gravedad, flotación, electrostática e incluso clasificación manual, son generalmente aplicables a los minerales de uranio. Con pocas excepciones, los métodos de concentración resultan en una pérdida excesiva de uranio en los relaves.