Isotopi dell’uranio
Gli isotopi dell’uranio presenti in natura sono tre e dotati di radioattività ovvero 234U, 235U e 238U di cui il 238U è il più abbondante
L’uranio è un elemento metallico di simbolo U, numero atomico 92 e peso atomico 238.
Esso appartiene alla serie degli attinidi del Sistema Periodico degli elementi.
Nel 1789 il chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth scoprì l’elemento in un campione di pechblenda, e prese nome dal pianeta Urano e fu isolato allo stato metallico nel 1841.
Proprietà
Puro, l’uranio si presenta come un metallo bianco-argenteo, lievemente radioattivo e di poco più tenero dell’acciaio. È malleabile, duttile e debolmente paramagnetico. È un metallo molto denso (65% più denso del piombo). Diviso finemente, reagisce con l’acqua a temperatura ambiente; esposto all’aria si copre superficialmente di uno strato del proprio ossido.
L’uranio metallico si presenta in tre forme allotropiche:
· α – ortorombico, stabile fino a 667,7°C
· β – tetragonale, stabile a temperature comprese tra 667,7 e 774,8°C
· γ – cubico a corpo centrato, stabile a temperature comprese tra 774,8°C ed il punto di fusione, è la forma più duttile e malleabile delle tre.
Radioattività
Nel 1896 il fisico francese Antoine-Henri Becquerel scoprì le proprietà radioattive dell’uranio, durante l’analisi di un’immagine ottenuta per azione dei sali fluorescenti di solfato di uranile di potassio K2OUO2(SO4)2 , su una lastra fotografica coperta da un sottile strato di sostanza fotoassorbente.
Gli studi sulla radioattività che seguirono l’esperimento di Becquerel portarono alla scoperta del radio e alla definizione di nuovi e fondamentali concetti sulla struttura atomica.
Tra gli elementi presenti in natura, è quello dotato di numero atomico maggiore e quelli che lo seguono nel sistema periodico sono tutti artificiali. E’ presente in diverse rocce (graniti, basalti, ecc.), ma i minerali importanti dal punto di vista industriale sono solamente due:
- uranite (UO2 contenente anche Torio)
- pechblenda (anch’essa biossido di Uranio).
L’uranite è un minerale radioattivo ricco di uranio che si trova, prevalentemente sotto forma di UO2, e contiene anche UO3 e ossidi di piombo, torio ed altri elementi. L’uranite contiene anche una piccola quantità di radio derivante dal decadimento dell’uranio e modeste quantità di isotopi del piombo quali prodotti finali del decadimento del 238U e 235 U rispettivamente 206Pb e 207 Pb. La pechblenda è una varietà di uraninite di composizione approssimativa U3O8 , in aggregati e masse zonate, di colore nero piceo.
Reazioni degli isotopi radioattivi dell’uranio
L’assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo di 238U dà luogo a un processo radioattivo durante il quale il nucleo si trasforma nell’isotopo fissile 239Pu a seguito di due decadimenti β
23892U → 23992U → 23993Np → 23994Pu
L’isotopo 235U è importante sia per i reattori che per le armi nucleari perché è l’unico isotopo fissile esistente in natura in quantità apprezzabili. Anche 238U può trovare impiego nei reattori nucleari, dove viene convertito in 239U per assorbimento di neutroni termici, il quale decade in 239Pu, fissile. Anche l’isotopo 233U è fissile; viene prodotto per bombardamento con neutroni di 232Th. In natura sono presenti tre isotopi, tutti emettitori α:
23892U : abbondanza 99.274% con tempo di dimezzamento (emivita) di 4.50 x 109 anni
23592U : abbondanza 0.720% con tempo di dimezzamento di 7.13 x 108 anni
23492U : abbondanza 0.006 % con tempo di dimezzamento di 2.35 x 105 anni
I primi due isotopi sono gli iniziatori di famiglie radioattive naturali mentre il terzo si forma durante il decadimento del 23892U.
Proprietà nucleari
Le proprietà nucleari del 23592U e del 23892U sono di estrema importanza dal momento che il primo è fissile e il secondo è fertile.
Fissile significa che è in grado di sviluppare una reazione a catena di fissione nucleare
Fertile significa che è un nuclide che, a seguito dell’assorbimento di un neutrone si trasmuta in un radionuclide che decade in un nuclide che possa fornire energia da fissione o da fusione nucleare.
L’isotopo 238U decade in 214Pb secondo una catena di decadimento radioattivo:
Inizialmente emette una particella α trasformandosi in 234U e, successivamente si trasmuta secondo lo schema seguente:
234U → 230Th → 226Ra → 222Rn → 218Po → 214Pb
L’isotopo 214Pb dà poi luogo, nell’ordine a due decadimenti β, un decadimento α, due decadimenti β, e un successivo decadimento α prima di raggiungere la stabilità dopo la formazione di 206Pb
Gli isotopi dell’uranio sono separati per aumentare la concentrazione di 235U rispetto a 238U; questo processo è chiamato arricchimento. L’uranio si considera “arricchito” quando la frazione di 235U è considerevolmente maggiore del livello naturale , tipicamente su valori compresi tra il 3% ed il 7%. L’isotopo 235U è il tipico materiale fissile per i reattori nucleari ed è usato per la produzione di armi nucleari