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Constituyendo una familia de la tabla de Mendeléyev, los actínidos comprenden quince elementos químicos. Se trata de metales pesados que se distinguen por sus propiedades químicas relacionadas. En general, a veces se designan bajo el símbolo químico colectivo “An”. Este último representa todos los tipos de actínidos.
La mayoría de los actínidos pertenecen al bloque f, excepto el lawrencio, que es un elemento del bloque d. A diferencia de los lantánidos, estos metales tienen un número de valencia variable. De hecho, presentan un radio iónico y un radio atómico elevado. Además, sus propiedades físicas son diversas. Los actínidos dotados de un número atómico más elevado tienen los mismos comportamientos químicos que los lantánidos.
Los actínidos son radioactivos. Gracias a la desintegración radiactiva, liberan energía. La mayoría de ellos son fisionables en neutrones rápidos. Por otro lado, los actínidos más presentes en la Tierra son el torio, el uranio así como el plutonio. Este último corresponde a un elemento sintético obtenido por reacción nuclear. Los dos primeros, por su parte, son considerados como elementos primordiales.
Presentes en los reactores nucleares, estos tres metales también son utilizados en la fabricación de armas nucleares. En cuanto al americio, este posee un uso comercial civil. Se encuentra principalmente en las cámaras de ionización de un detector de humo. En el medio natural, el uranio y el torio están disponibles en cantidad importante. Además de sus isótopos relativamente estables, tienen una larga vida media. El plutonio y el neptunio están presentes en pequeña cantidad. Se forman por transmutación en los minerales de uranio.
Producidos a partir de componentes ligeros por captura neutrónica, los otros actínidos son todos sintéticos. Se trata, entre otros, del curio, del berkelio, del americio, del californio, del einstenio así como del fermio. Tras los ensayos nucleares atmosféricos, pueden dejar huellas en el medio ambiente. El plutonio, en particular el plutonio 239, es el actínido sintético más utilizado. Los reactores nucleares también generan otros actínidos calificados como “menores”. Estos últimos están presentes en cantidad relativamente menor. Con los productos de fisión, constituyen una parte de los residuos de alta actividad y larga vida.
Los actínidos poseen propiedades físicas similares a las de los lantánidos. Para los cinco primeros elementos, notablemente torio, actinio, protactinio, neptunio y uranio, sus electrones están distribuidos en subcapas 6d y 7s. Además, su radio iónico disminuye progresivamente.
Todos los actínidos son materiales blandos caracterizados por sus reflejos plateados. Estos se oxidan fácilmente al aire libre. La densidad y la plasticidad de estos elementos son más elevadas. En cuanto a su resistividad, esta oscila entre 15 y 150 µΩ cm. Por otro lado, el torio posee una dureza similar a la del acero. Una vez calentado, puede ser estirado en cables o enrollado en hojas. Este compuesto es, por lo tanto, menos denso comparado con el plutonio y el uranio.
A la vez paramagnéticos y radioactivos, estos metales pesados se caracterizan por sus diferentes fases cristalinas. El neptunio, el uranio así como el californio tienen tres, mientras que el plutonio posee siete. La estructura cristalina de estos componentes se parece a la de los elementos de transición del período cuatro de la tabla periódica.
Cuando los actínidos están finamente divididos, se vuelven pirofóricos. Esto significa que se inflaman al aire libre de manera espontánea. El número de sus electrones en la subcapa 5f no presenta ninguna influencia en su punto de fusión. Por ejemplo, el del plutonio es de aproximadamente 640 °C.
Comparados con los lantánidos, los actínidos reaccionan fácilmente con los halógenos y los calcógenos. Los elementos con un bajo número de electrones en la subcapa 5f son fácilmente hidrogenados. La mayoría de estos metales pesados disponen de una variedad importante de estados de oxidación. Los más estables son:
Los diferentes elementos de actínidos presentan su propia propiedad química.
Químicamente, el actinio es similar al lantano. En efecto, sus configuraciones electrónicas y sus radios iónicos son semejantes. También está dotado de un estado de oxidación +3. Sin embargo, es menos reactivo y posee propiedades fundamentales más pronunciadas. El Ac3+ representa el más ácido de los actínidos trivalentes. Por tanto, tiene menos tendencia a hidrolizarse en solución acuosa.
El torio es químicamente reactivo. Además, sus compuestos son incoloros, debido a la ausencia de electrones en las subcapas 6d y 5f. Las sales de torio tienen una propensión más baja a la hidrólisis. Son extremadamente solubles tanto en agua como en los diferentes solventes orgánicos polares.
Este elemento dispone de dos estados de oxidación, de los cuales +5 es el más estable y +4 se oxida en protactinio(V). La solución de protactinio tetravalente es el resultado de la acción de un reductor fuerte bajo atmósfera de hidrógeno. Desde el punto de vista químico, el protactinio(IV) tiene la misma característica que el torio(IV) y el uranio(IV). Por otra parte, el fosfato, el fluoruro, el yodato de protactinio(IV) así como el hipofosfito no son solubles ni en agua ni en los ácidos diluidos. El protactinio puede sin embargo formar carbonatos solubles.
El uranio posee una valencia de 3 a 6. En estado hexavalente, presenta las mismas propiedades que los elementos del grupo 6. La mayoría de sus compuestos son no estequiométricos. Esto significa que su composición química tiene una desviación sensiblemente variable a la estequiometría. UO2+δ representa la fórmula del dióxido de uranio. Considerados como oxidantes débiles, los elementos del uranio(VI) se caracterizan por su propiedad reductora. Se oxidan fácilmente en contacto con el oxígeno del aire. En cuanto al uranio(III), este se presenta como un reductor fuerte. La presencia de electrones en la subcapa 6d le permite formar compuestos organometálicos como UIII(C5H5)3 y UIV(C5H5)4.
El número máximo de enlaces covalentes de un neptunio está comprendido entre 3 y 7. La valencia 4 es la más común en los diferentes compuestos sólidos de este elemento. Sin embargo, el estado de oxidación +5 es el más estable. El neptunio metálico se muestra reactivo. Fácilmente hidrolizados, sus iones forman compuestos de coordinación.
Al igual que el neptunio, el plutonio posee valencias de 3 a 7. Particularmente reactivo, forma una película de óxido cuando está expuesto al aire libre. Este elemento reacciona también con el hidrógeno a temperaturas bajas que van de 25 a 50 °C. Así, forma aleaciones intermetálicas y haluros. Este metal puede participar en reacciones de polimerización.
Ofreciendo una gran diversidad química, presenta valencias de 2 a 6. Es posible observar el americio divalente en soluciones no acuosas y compuestos secos. En cuanto al americio tetravalente, este forma compuestos químicos muy estables tales como el fluoruro, el dióxido así como el hidróxido. También puede producir complejos en solución acuosa. En estado sólido, su valencia más estable sigue siendo 4. En solución acuosa, esta es 3.
Para los elementos que siguen al americio, la valencia 3 sigue siendo la más estable. Sin embargo, el curio puede volverse tetravalente en los sólidos. En el dióxido y los fluoruros sólidos, el berkelio presenta una valencia 4 estable. Para el einstenio, el californio y el fermio, la valencia 3 es la que se ha observado. Finalmente, el lawrencio presenta una valencia 3, tanto en solución como en los compuestos sólidos.
Los actínidos presentan varios isótopos. Además de ser radioactivos, estos últimos son sintéticos. Los nucleidos primordiales conciernen al torio 232, al uranio 238 y al uranio 235. El protactinio 231, el torio 230 así como el uranio 234 están disponibles en cantidad significativa en la naturaleza.
El torio natural se compone de 0,02(2) % de 230Th y de 99,98(2) % de 232Th. Existen 30 isótopos del torio desde el 209Th hasta el 238Th. Entre ellos, el 232Th es el más estable. Posee una vida media de 14,05 mil millones de años. Se desintegra a través de una cadena radiactiva que cuenta con doce nucleidos. En cuanto a los otros isótopos, estos son inestables, cada uno con su propia vida media:
El isómero 229mTh se distingue por su energía de excitación más baja de 7,8 ± 0,5 eV.
Los isótopos están compuestos de plutonio, de los cuales los más estables son:
Los otros tipos de isótopos disponen de una vida media de más de 7.000 años. Entre los más comunes figuran 239Pu y 241Pu. Estos materiales fisibles son utilizados con el fin de fabricar armas nucleares y alimentar reactores nucleares. Existen ocho isómeros con una vida media inferior a 1 segundo.
28 isótopos de uranio están disponibles. El más estable es el uranio 238 que posee una vida media superior a 4,468 3 mil millones de años. La cadena de desintegración de este emisor cuenta con cerca de 18 nucleidos. Por otra parte, la del uranio 235 es de 15 nucleidos. Estos dos isótopos son particularmente útiles en la industria nuclear. Y es que el 238U se muestra más fértil, mientras que el 235U se presenta como uno de los isótopos fisionables naturales disponibles en cantidad importante.
Los actínidos se presentan en varias formas oxidadas, de las cuales las básicas son An2O5, AnO2 y An2O3. Los trióxidos AnO3 son considerados como anfóteros. Hidrosolubles, estas bases presentan la misma reactividad que la de los hidróxidos de las REE o tierras raras. El actinio forma parte de las bases más fuertes. Sus compuestos son incoloros excepto el sulfuro de actinio Ac2S3. Los dióxidos de actínidos tetravalentes pueden cristalizar en el sistema reticular cúbico.
Asociado con el oxígeno, el torio presenta una reacción importante. Esto permite obtener dióxido de torio conocido bajo la fórmula ThO2. En cuanto al dióxido de torio, este corresponde a un mineral refractario con un punto de fusión de 3.390 °C. Con el fin de estabilizar la estructura, es posible añadir 1% de ThO2 al tungsteno. Esto permite también optimizar el refuerzo de los filamentos de este último para hacerlo aún más resistente a las vibraciones.
Es importante calentar el dióxido de torio a 600 °C con el fin de disolverlo en el ácido. Por encima de esta temperatura, se obtiene una nueva forma de ThO2 muy resistente. Si añadimos un poco de iones fluoruro, la disolución de este ThO2 en el ácido puede ser catalizada.
Dos óxidos de protactinio están disponibles, notablemente el óxido blanco Pa2O5 y el dióxido negro PaO2. El primero es fácil de producir. Sin embargo, el segundo se muestra isomorfo con el ThO2. Estos óxidos son todos básicos.
Ciertas sales de uranio se descomponen al aire libre a una temperatura de aproximadamente 400 °C. El nitrato de uranilo hidratado da, por ejemplo, un trióxido de uranio de color naranja. Considerado como anfótero, este óxido forma varios hidróxidos.
El trióxido de uranio es reducido por el hidrógeno para formar dióxido de uranio UO2. Este último tiene propiedades similares a las del dióxido de torio ThO2. Conviene precisar que este óxido es también básico y puede formar el hidróxido de uranio U(OH)4.
Los otros actínidos como el plutonio, el neptunio así como el americio pueden dar dos óxidos básicos, a saber el AnO2 y el An2O3. El trióxido de neptunio resulta inestable. Así, solo el Np3O8 puede ser producido.
Cuando los actínidos reaccionan con los halógenos, forman sales AnX3 y AnX4. Los fluoruros no son solubles en agua mientras que los bromuros, los yoduros así como los cloruros de actínidos son hidrosolubles. El uranio, por su parte, forma un hexafluoruro incoloro conocido bajo la fórmula UF6 o hexafluoruro de uranio. Su sublimación se efectúa a 56,5 °C. Gracias a esta propiedad, resulta útil para separar los diferentes isótopos del uranio por difusión gaseosa.
Los hexafluoruros de actínidos presentan una propiedad similar a la de los anhídridos. Sensibles a la humedad, tienen tendencia a hidrolizarse formando nuevos compuestos AnO2F2. El hexacloruro de uranio y el pentacloruro de uranio son inestables. Sin embargo, son sintetizados.
Los ácidos que reaccionan con actínidos forman sales. Sin embargo, si no son oxidantes, estos elementos permanecen en un estado de oxidación menos elevado. Estas reacciones pueden generar hidrógeno que reacciona con el actínido para dar el hidruro correspondiente. Comparado con el torio, el uranio se disuelve fácilmente en agua y en ácidos.
La disolución de los hidróxidos en los ácidos también puede formar sales de actínidos. Cristalizados en una solución acuosa, estos últimos permiten obtener hidratos tales como:
Ciertas sales de actínidos disponen de una valencia más elevada. Así, se hidrolizan más fácilmente. Los diferentes elementos como el sulfato, el nitrato de torio y el cloruro dan sales básicas, notablemente el Th(OH)3NO3 y el Th(OH)2SO4. Por otra parte, los actínidos trivalentes y tetravalentes tienen la misma solubilidad que la de las sales de lantánidos. Los yodatos, los fluoruros, los fosfatos, los carbonatos así como los oxalatos de actínidos son, por lo tanto, menos solubles en agua.
En estado de oxidación +6, los actínidos forman aniones más complejos tales como [An2O7]2− y [AnO4]2−. Por consiguiente, el neptunio, el uranio y el plutonio dan sales de tipo (NH4)2U2O7 (diuranato) y Na2UO4 (uranato). En razón de su valencia elevada, los actínidos pueden producir compuestos de coordinación. También, el torio forma sulfatos, tiocianatos y nitratos correspondientes.
Las sales que presentan una fórmula genérica An2Th(NO3)6·nH2O son consideradas como coordinadas. Su índice de coordinación es igual a 12. Cabe precisar que los actínidos hexavalentes y pentavalentes forman sales complejas. Finalmente, las dicetonas permiten obtener compuestos de coordinación de actínidos más estables tales como el uranio y el torio.
Los actínidos se imponen como elementos químicos muy tóxicos. Si el cuerpo humano se expone a sus compuestos, corre el riesgo de desarrollar enfermedades o sufrir lesiones. Esta toxicidad es causada por la radioactividad y las propiedades químicas de los actínidos. Además, es variable en naturaleza y fuerza de un elemento a otro.
El torio posee una toxicidad química limitada. En efecto, sus compuestos tienen una baja solubilidad en agua. Sin embargo, su manipulación puede provocar dermatitis. Todos los síntomas tienden a aparecer después de aproximadamente diez años. Siendo pirofórico, el torio metálico pulverulento se enciende al aire libre de manera espontánea.
La mayoría de los compuestos de uranio son peligrosos, especialmente cuando son inhalados. Y es que pueden fijarse más tiempo en los pulmones. Después, se difunden en el resto del organismo. Pasados a la sangre, estos elementos se acumulan a menudo en los huesos y pueden permanecer allí durante varios años. Las consecuencias de la inhalación de uranio en la salud son múltiples. Dada su elevada toxicidad, perturban el buen funcionamiento del cerebro, los riñones, el corazón y el hígado. Este elemento químico es también reprotóxico. Según ciertos estudios realizados en laboratorio, los iones uranilo UO22+ que provienen de compuestos de uranio hexavalente como el trióxido de uranio provocan enfermedades congénitas. También pueden provocar déficits inmunitarios.
La mayoría de estos compuestos son muy utilizados en el ámbito nuclear para aumentar el isótopo fisible en el uranio. Esto también presenta ciertos riesgos para la salud. El uranio metálico es igualmente pirofórico. Cuando granos de pequeño tamaño se exponen a una temperatura ambiente y al aire libre, pueden incendiarse.
En los seres humanos, la absorción del plutonio presenta un peligro. Transportado por transferrinas, este se almacena en la sangre y se acumula en el hígado, los pulmones y los huesos. Para limitar los efectos, es esencial inyectar rápidamente un complejo calcio-DTPA. Esto evita la fijación de elementos tales como el curio y el americio. El plutonio también se caracteriza por su radiotoxicidad. En cambio, posee la misma toxicidad química que los otros metales pesados.
Al igual que otras sustancias radiactivas, los actínidos son susceptibles de dañar los tejidos por contaminación de la piel. La radiación alfa puede atravesar las mucosas de los órganos internos.
El actinio figura entre los elementos que comportan una radiactividad relativamente peligrosa. Puede acumularse en las capas superficiales de los huesos y en el hígado. Esta sustancia toma más tiempo para ser excretada del cuerpo. Sin embargo, su absorción por el tubo digestivo es bien inferior a la del radio.
El protactinio se desarrolla en los huesos y los riñones. El cuerpo humano tolera una dosis máxima de 0,03 µCi.
La radiotoxicidad del uranio se debe a sus emisiones alfa. Se vuelve preponderante al enriquecimiento en uranio 235 por encima del 6%. Así, la toxicidad química del uranio predomina por debajo de este umbral, notablemente en el caso del uranio empobrecido.
El plutonio tiende a acumularse en el hígado, los pulmones así como los huesos. Su contaminación puede efectuarse por vía alimentaria o por vía aérea. Este elemento químico es menos soluble en agua. Por esta razón persiste en el organismo. Por otra parte, sus isótopos emiten radiaciones alfa susceptibles de provocar lesiones graves en las células circundantes. La dosis máxima tolerable es de 0,3 µCi, es decir 5 µg.
Estudios realizados en modelos animales han mostrado que la contaminación aérea es la más peligrosa. En efecto, más del 20% de la cantidad inhalada puede fijarse en el cuerpo. Según la solubilidad de los compuestos y el tamaño de las partículas, el plutonio permanece en el sistema linfático, en los pulmones. También es posible que pase a la sangre y alcance los huesos y el hígado. En el caso de una contaminación alimentaria, aproximadamente el 0,05% de los compuestos de este elemento pasan a la sangre, mientras que el resto es excretado.
En el medio natural, el uranio y el torio están disponibles en cantidad importante. Se encuentra principalmente el uranio en la corteza terrestre. Se presenta en forma de una mezcla de óxidos. Varios minerales contienen este metal pesado, notablemente la autunita Ca(UO2)2(PO4)2·10-12H2O, la carnotita K2(UO2)2(VO4)2·3H2O, etc. En cuanto a su composición isotópica, esta es de:
El isótopo 238U dispone de una vida media más larga que llega hasta 4,51 mil millones de años. En 2013, la producción de uranio alcanzó 5.902.900 t. Las reservas mundiales en 2015 se elevaban a 60.496 t.
Ciertos minerales contienen torio. Se trata, entre otros, de la torita (Th,U)SiO4, de la torianita ThO2 así como de la monacita (Ce,La,Nd,Th)PO4. También pueden contener uranio y una fracción de lantánidos.
En cuanto al actinio, su abundancia ponderal en la corteza terrestre es solamente de 5 × 10-17. A menudo está presente en los minerales que contienen uranio 235. Por otra parte, la del protactinio es de aproximadamente 10-14.
El isótopo más estable del neptunio, que es el neptunio 237, tiene una vida media insignificante en comparación con la edad de la Tierra. Este elemento no existe en el entorno natural más que como producto intermedio de la desintegración de otros isótopos radioactivos. Finalmente, la abundancia natural del plutonio, en particular el plutonio 240, es de aproximadamente 3 × 10-22. Se trata por lo tanto de un elemento raro. Así, el utilizado en las industrias del armamento es enteramente sintético.
La extracción de los actínidos a partir de los minerales implica un proceso complejo. En general, se utilizan fluoruros como intermediarios. En efecto, no son hidrosolubles y pueden ser purificados por reacciones redox. Estas sustancias también son reducidas por el calcio, el magnesio y el bario.
Las propiedades del actinio presentan una gran similitud con las del lantano. Por lo tanto, es sintetizado por la reacción nuclear de isótopo del radio o por proceso de intercambio de iones.
El torio es extraído a partir de la monacita. Para obtener nitrato de torio, conviene hacer reaccionar el pirofosfato de torio con ácido nítrico. Permitiendo aumentar el pH en la solución de sulfato, este proceso elimina las tierras raras en la monacita.
También existe otra técnica de extracción. Esta consiste en descomponer la monacita con una solución de hidróxido de sodio NaOH a una temperatura de 140 °C. Se obtienen los hidróxidos metálicos. Estos últimos serán después lavados con agua y filtrados a 80 °C. Para terminar, se disuelven en ácido clorhídrico. Es importante neutralizar la solución ácida con los hidróxidos para que su pH sea de 5,8. Esto forma un precipitado de Th(OH)4 que contiene hidróxidos de tierras raras con una tasa de aproximadamente 3%. Este procedimiento se acaba con la disolución del hidróxido de torio en un ácido mineral para purificarlo
El torio metálico puro (ThO2) es separado del cloruro, del óxido y del fluoruro anhidros vía una reacción con el calcio en una atmósfera inerte: ThO2 + 2 Ca → 2 CaO + Th.
Para extraer el torio, también es posible mezclar cloruro de potasio y cloruro de sodio en un crisol de grafito. Conviene electrolizar el fluoruro en esta mezcla a una temperatura de aproximadamente 800 °C. No queda más que aplicar el proceso de Van-Arkel-de-Boer para purificar el metal pesado.
El primer método de extracción del plutonio consiste en tratar el uranio irradiado con nitrato HNO3. Es esencial añadir reactivos tales como el peróxido de hidrógeno y el sulfato de hierro a la solución. Estos hacen de agentes reductores para disminuir el estado de oxidación del elemento de + 6 a +4. El uranio permanece presente en forma de nitrato de uranilo. Bajo la acción del (NH4)2CO3 o carbonato de amonio, los compuestos del plutonio son precipitados.
Otra técnica también puede ser utilizada. Consiste en extraer el uranilo UO22+ y el plutonio(IV) por el fosfato de tributilo. Es importante poner en reacción estos dos elementos con la hidracina N2H4 con el fin de recuperar el plutonio.
Para extraer el uranio de sus minerales, conviene quemar estos y asociarlos con el ácido nítrico. Esta reacción permite pasar el metal pesado en solución. Esta última es tratada con fosfato de tributilo en el queroseno con el fin de formar un compuesto organometálico con una fórmula UO2(NO3)2((CH3CH2CH2CH2O)3PO)2. Todas las impurezas insolubles serán después filtradas.
Si el mineral de uranio presenta una tasa importante de minerales como la magnesita MgCO3 y la dolomita CaMg(CO3)2, puede consumir mucho ácido. En este caso, es mejor optar por el método al carbonato. Este necesita la utilización de una solución acuosa de Na2CO3 o carbonato de sodio. Este ingrediente tiene por función convertir el uranio en un complejo [UO2(CO3)3]4−. La ventaja de esta técnica reside en sus reactivos que parecen menos corrosivos. Además, puede hacer precipitar otros metales. Sin embargo, es importante tratar el mineral con carbonato de sodio bajo presión de oxígeno y a una temperatura elevada.
El último método de extracción implica la utilización de resinas poliméricas que harán de polielectrolito. El uranio es separado gracias al intercambio de iones en estas resinas. Es después extraído de estos últimos con la ayuda del ácido nítrico con el fin de obtener nitrato de uranilo UO2(NO3)2·6H2O. Este debe exponerse a alta temperatura con el fin de dar trióxido de uranio. Con el hidrógeno, el UO3 es reducido en UO2.
Los actínidos son aplicados en numerosos campos.
El actinio 227 se utiliza como fuente de neutrones. Conocido por su densidad másica de energía elevada de 14,5 W g−1, es explotado para concebir RTGs (generadores termoeléctricos de radioisótopos). En cuanto al actinio 228, emite electrones energéticos fáciles de detectar de 2,28 MeV. Por eso es empleado como indicador de radiactividad. En regla general, se utilizan fuentes 228Ac-228Ra con el fin de producir un rayo gamma para uso médico o industrial.
Se explota este elemento en la fabricación de las camisas Auer o de las camisas de incandescencia. Varias industrias se sirven igualmente de él como aditivo en ensamblajes de zinc y de magnesio. Hay que precisar que las aleaciones magnesio-torio son a la vez ligeras y duras. Poseen una ductilidad así como un punto de fusión más elevado. Así, estos materiales son útiles en la producción de misiles y en la aeronáutica. El torio dispone también de propiedades de emisión de electrón con una larga vida útil.
El uranio 235 es el más utilizado en la producción de energía nuclear. La fisión de un gramo de este elemento libera hasta 1 MW día. Presente al 0,72% en el mineral de uranio, este isótopo es utilizado en la mayoría de los reactores de neutrones térmicos. Absorbe los neutrones ralentizados con el fin de iniciar la reacción de fisión liberando los neutrones suplementarios.
El uranio 233 y el torio 232 son isótopos más apreciados para producir nucleidos pesados y mantener una reacción en cadena. El uranio 239 también puede transmutarse por desintegración beta en plutonio 239. Este isótopo también es capaz de realizar una fisión espontánea. Este primer reactor fue construido con el fin de concebir plutonio 239 para uso militar.
La utilización de plutonio 239 es principalmente militar. Fácil de producir, es considerado como un componente esencial. Su utilización disminuye la masa crítica a aproximadamente un tercio de la requerida para el uranio 235. Para los reactores nucleares, el plutonio 238 es el isótopo más eficaz. En efecto, presenta una masa crítica relativamente baja comparada con la de 235U. También emite energía térmica por desintegración. Por consiguiente, este elemento es explotado para producir termopares para la cosmonáutica así como los generadores termoeléctricos de radioisótopos para las exploraciones espaciales.
La desintegración de este isótopo produce partículas alfa inofensivas y no emite rayos gamma. Por lo tanto, es empleado como fuente de energía en los simuladores cardíacos. Solamente 160 mg proporcionan cinco veces más duración de alimentación que las pilas convencionales.
Los actínidos son metales pesados muy raros. Solo el uranio y el torio están disponibles en cantidad importante en la naturaleza. El plutonio es el que se sintetiza más fácilmente. Por otra parte, los transuránidos se obtienen a partir de la reacción nuclear. Actualmente, existen dos vías para producir isótopos distintos al plutonio. Se trata de la irradiación en reactor nuclear y la de los haces de partículas.
La primera vía permite producir actínidos en cantidad ponderal. Sin embargo, presenta un límite. Se dirige únicamente a los primeros elementos de la familia. Con el fin de sintetizar los actínidos de masa atómica elevada, el acelerador de partículas es el método más adaptado. Consiste en bombardear el plutonio, el uranio, el californio así como el curio con iones de neón, de boro, de oxígeno, de nitrógeno o de carbono. Esta técnica es más eficaz para producir isótopos que comportan menos neutrones así como elementos más pesados que el plutonio.
De 1962 a 1966, los Estados Unidos condujeron ensayos nucleares subterráneos con el fin de identificar la producción de metales pesados. Después de la explosión, se toman muestras de rocas. Tras el análisis de estos productos, se constató que no existe ningún isótopo que presente masa atómica superior a 257.
Los actínidos naturales fueron descubiertos de manera diferente:
En 1789, Martin Heinrich Klaproth, el químico alemán aisló el uranio a partir de mineral uraninita. Nombró este elemento “uranio” en referencia a Urano. Disolvió pechblenda en ácido nítrico. Klaproth se sirvió del hidróxido de sodio para neutralizar la solución obtenida. Esto permitió formar un precipitado amarillo. Este fue reducido con carbón para producir una sustancia negruzca. El químico consideró entonces esta última como un metal.
Después de sesenta años, un químico francés llamado Eugène-Melchior Péligot analizó el polvo. Según él, este correspondía al óxido de uranio. Aisló por lo tanto una muestra metálica de uranio. Para ello, calentó tetracloruro de uranio con potasio. Así, la masa de un átomo de este elemento fue estimada en 120. Sin embargo, en 1877, el químico ruso Dmitri Mendeléyev revisó este valor a 240. Se basó en la tabla periódica de los elementos. En 1882, K. Zimmerman lo confirmó experimentalmente.
Friedrich Wöhler descubrió el óxido de torio en 1872 en un mineral de Noruega. En 1828, Jöns Jacob Berzelius analizó este último. Hizo reducir cloruro de torio con otras sustancias como el potasio. Así, obtuvo un metal que bautizó torio. Péligot utilizó este mismo método para aislar el uranio.
El actinio fue el descubrimiento de André-Louis Debierne. Lo encontró en los restos de uranocre que habían sido tratados con el fin de extraer el polonio y el radio. El químico francés describió esta sustancia como similar al torio. Proveniente del griego aktinos, el término actinio significa “rayo luminoso”. En razón de su escasa abundancia y de su gran similitud con el lantano, este elemento fue aislado en estado puro una sola vez en 1950.
En 1900, el protactinio fue aislado por William Crookes. En 1913, Oswald Helmuth Göhring y Kazimierz Fajans realizaron un estudio de la cadena radiactiva de 238U. Así, pudieron identificar el isótopo 234 mPa. Estos físico-químicos nombraron este elemento “brevio”. A partir de 1918, grupos de científicos compuestos por Otto Hahn, Lise Meitner y John Cranston descubrieron el isótopo 231Pa. Lo llamaron protoactinio. En 1949, este término fue abreviado a protactinio.
El descubrimiento de los actínidos transuránicos se efectuó entre 1940 y 1960.
En 1940, Philip H. Abelson y Edwin McMillan descubrieron el neptunio en Berkeley. El bombardeo del uranio con ciertos neutrones lentos les permitió producir el isótopo 239Np. Se refirieron al planeta Neptuno para bautizar la sustancia “neptunio”. Esta fue el primer transuránido sintetizado.
Producido en 1940, el plutonio 238 es el resultado del bombardeo de un objetivo de uranio por un isótopo de hidrógeno llamado deuterio en el ciclotrón de Berkeley.
Acompañado de sus colegas Albert Ghiorso y Ralph A. James, Glenn T. Seaborg hizo el descubrimiento del curio. Estos físicos se sirvieron del ciclotrón de la universidad de California o UC en Berkeley.
La producción del americio 241 fue realizada por Glenn T. Seaborg, Ralph James así como Albert Ghiorso en el laboratorio de la universidad de Chicago. Este elemento fue sintetizado por la irradiación de plutonio en el interior de un reactor nuclear. Los físicos lo bautizaron “americio” en referencia a América.
Varios físicos y químicos, a saber Stanley G. Thompson, Albert Ghiorso, Kenneth Street, Jr y Glenn T. Seaborg sintetizaron el berkelio. El primer isótopo obtenido dispone de un número de masa de aproximadamente 243. Su vida media es de 4,5 horas.
En 1950, los químicos y físicos que sintetizaron el berkelio procedieron a la producción del californio. Para obtener este elemento, bombardearon curio 242 con un haz de rayos alfa.
Albert Ghiorso descubrió este elemento en los escombros de la explosión termonuclear, Ivy Mike. El 255Fm El 255Fm es producido combinando uranio 238 y neutrones 17 bajo la acción de un fuerte flujo de neutrones. Los resultados fueron primero clasificados. Sin embargo, el equipo de Berkeley logró sintetizar los dos elementos por bombardeo neutrónico de plutonio 239. Los científicos publicaron los resultados en 1954. También desclasificaron las investigaciones sobre Ivy Mike en 1955.
El mendelevio fue obtenido bombardeando un objetivo 253Es con un haz de partículas alfa en forma de 256Md] (vida media 87 minutos). Este proceso de síntesis fue realizado por Albert Ghiorso, Glenn T. Seaborg, Gregory R. Choppin, Bernard G. Harvey y Stanley G .Thompson.
En 1957, el Nobelio fue anunciado por el Instituto Nobel de Física. Albert Ghiorso, JR Walton Torbjorn Sikkeland y Glenn Seaborg lo publicaron en 1958. Este elemento fue bautizado “Nobelio” en honor a Alfred Nobel. En 1965, fue identificado como 256No en 1965 por Gueorgui Fliorov. Bombardeó el uranio con neón 22.
Este actínido sintético fue observado en Berkeley en 1961 por Torbjørn Sikkeland, Albert Ghiorso, Robert M. Latimer así como Almon E. Larsh en el Laboratorio nacional Lawrence-Berkeley. Los iones de boro 11 y de boro 10 bombardean objetivos de isótopos del californio para producir 258Lr. Su nombre fue elegido para honrar a Ernest Orlando Lawrence, que realizó el descubrimiento del principio del ciclotrón.
Al igual que los lantánidos, los actínidos forman igualmente un grupo de elementos con propiedades químicas similares. Aunque los cuatro actínidos fueron conocidos en los años 1930, resultaba más difícil probar que pudieran producir una familia comparable a los lantánidos. En la época, la opinión dominante era que formaban una secuencia regular de elementos del séptimo período. El torio, el protactinio y el uranio tenían el hafnio, el tántalo y el tungsteno como sus análogos respectivos en el sexto período.
Sin embargo, la síntesis de los elementos transuránicos poco a poco revirtió esta visión de las cosas. Glenn Seaborg emitió la hipótesis de los actínidos basándose en la observación de que el estado de oxidación del curio no era superior a 4.
Los actínidos pueden ser producidos en los reactores nucleares.
Ciertos isótopos son formados en los reactores nucleares por captura de neutrones por los diferentes núcleos del combustible. Estos núcleos pesados presentan un interés práctico.
A lo largo del proceso de irradiación en reactores, los átomos de actínidos que se encuentran en el combustible capturan un neutrón. Además, no sufren ninguna fisión. Por otra parte, todos los actínidos presentes disponen de una sección eficaz. Así, esta última determina la velocidad de la transmutación en reactor.
El barn corresponde al orden de magnitud de una sección eficaz de la captura electrónica del 238U. En reactor durante un año, cerca del 1% del uranio se transforma en plutonio. La vida media en reactor de este isótopo es la duración para la cual la depleción vale 69,31%. A menudo seguidas de radioactividad beta, estas capturas neutrónicas permiten aumentar el número atómico.
Los isótopos de los transuránidos disponen de una vida media corta. En efecto, se dotan de una tasa de neutrones más elevada que resuelven rápidamente por emisión beta menos. Algunos isótopos de Cm, Pu y Am son más estables. Producidos en cantidad importante en los reactores nucleares, conciernen, notablemente al neptunio 237, al plutonio, a los curios 244 y 245 así como a los americios 241 y 243. Presentando una radioactividad alfa, estos elementos tienen una vida media de algunas decenas de años. El más estable como el neptunio 237 puede durar hasta 2,144 millones de años.
Estos actínidos son considerados como subproductos de un reactor nuclear. Aunque no son fisibles en neutrones térmicos, estos siguen siendo fisibles. Su sección eficaz oscila entre 0,5 y 2 barn y sus neutrones de energía son superiores a 2 MeV. Pudiendo ser destruidos en reactor nuclear de neutrones rápidos, a menudo son almacenados como residuos definitivos o residuos nucleares HAVL.
Para permitir a una reacción nuclear funcionar de forma auto-sostenida en un reactor nuclear, es esencial tomar ciertas precauciones. Los neutrones obtenidos a partir de la fisión de un átomo no sufren muchas pérdidas antes de participar en una nueva fisión. Además de las pérdidas debidas a la activación de los componentes del reactor, la unión de los neutrones en el núcleo de los actínidos también consume neutrones. De este modo, la capacidad de estos metales pesados para absorber los neutrones es de hecho a primera vista venenos neutrónicos. Si se encuentran en cantidad importante en el seno del núcleo del reactor, la reactividad de este será alterada. Este reactor acabará por perder su buen funcionamiento.
En segundo enfoque, la presencia de actínidos fisibles puede matizar este balance. Es posible que la captura neutrónica producida por un átomo de uranio 238 haga perder un neutrón en el seno del equilibrio neutrónico del núcleo. En este caso, transforma este átomo en un átomo de plutonio 239 fisible. Otro neutrón es susceptible de poner este último en fisión. Por consiguiente, la captura de un neutrón conlleva un déficit sobre la reactividad. El balance neutrónico global permanece ligeramente positivo.
Si el isótopo producido no es “fértil”, el balance neutrónico se vuelve negativo. Una captura neutrónica suplementaria es por lo tanto necesaria con el fin de conducir a una desintegración. Así, el balance global será de tres neutrones para una fisión. Esta última produce “dos y medio hasta tres en promedio” de nuevos neutrones.
Para los actínidos superiores tales como el curio y el berkelio, las capturas neutrónicas sucesivas provocan radioisótopos radioactivos en radioactividad alfa. Estos últimos emiten un núcleo de He antes de fisionar.
Los actínidos presentan un impacto sobre el balance neutrónico, lo que es importante para los reactores moderados. En el caso de un reactor de neutrón rápido, los metales pesados formados son más o menos fisibles. Así, son consumidos más rápidamente por el flujo neutrónico. Una eventual captura neutrónica conduce después a un nuevo átomo fisible.
Es posible que el reactor funcione sobre el ciclo del combustible al torio. En este caso, el 232Th, que es el isótopo más fértil forma el actínido inicial.
El torio 232 realiza una captura neutrónica (σ=7.3b) con el fin de convertirse en un torio 233. Este emite después un electrón y un neutrino por la emisión beta para transformarse en protactinio 233. En una segunda emisión beta, este último se convierte en un uranio 233.
En este ciclo (σ=530b), 233U es la materia fisible. Sin embargo, es susceptible de absorber un neutrón (σ=47b) con el fin de formar uranio 234 fértil. Considerado como un isótopo fértil, este 234U es particularmente estable (T/2=245.500 años). Gracias a una captura suplementaria (σ=98b), este elemento puede formar uranio 235, que es la materia más fisible del ciclo del uranio.
El ciclo del torio es únicamente contemplable en el marco de la regeneración donde el balance neutrónico podrá producir una materia fisible que va a alimentar el ciclo. Durante esta fase de creación, una pequeña parte de aproximadamente 10% del neutrón se pierde. Se encontrará después en el ciclo del uranio.
Además de la captura de neutrones, en el caso de un torio, la reacción (n,2n) es igualmente importante en sus consecuencias. Cuando un neutrón incidente es suficientemente energético, forma una especie de rombo y quita un neutrón suplementario del núcleo. Desplaza así su peso hacia abajo de un átomo unitario.
Este fenómeno puede producirse en dos momentos en el ciclo del torio. Inicialmente, el átomo de torio 232 puede ser transformado en 231Th por reacción (n,2n) a los neutrones por encima de 6,4 MeV. Este puede modificarse rápidamente en 231Pa. En segundo lugar, será capaz de absorber neutrones suplementarios, formando protactinio 232 y convirtiéndose en uranio 232. Alternativamente, después de la captura del primer neutrón por el torio, el ciclo principal 233Pa puede formar 232Pa reaccionando a los neutrones superiores a 6,6 MeV (n,2n).
Además de ser débilmente fisible, el uranio 232 es fértil (σ~74b). Puede alcanzar fácilmente su equilibrio secular. Acompaña así al estado de traza al 233U que es normalmente formado por este ciclo. El marcado isotópico de este último elemento es importante. En efecto, la cadena de desintegración del uranio 232 está compuesta por un emisor gamma relativamente energético y penetrante. Sus descendientes disponen de una vida media bastante breve. Por consiguiente, estos emisores gamma permiten alcanzar rápidamente el equilibrio secular. Finalmente, 232U dispone de una vida media T/2= 68,9 años, lo que lo hace persistente y fuertemente radioactivo.
Estas radiaciones imponen una radioprotección importante a todas las operaciones que implican el uranio producido en este ciclo. Esto hace estas operaciones técnicamente complejas y económicamente costosas. Al contrario, esta laguna es una ventaja en términos de prevención de la proliferación. En efecto, la radiación gamma producida por el uranio es fácilmente detectable, haciendo imposible la disimulación de la materia por los controles oficiales.
El ciclo del uranio está basado en la fisión del 235U. Este elemento es una materia fisible. Sin embargo, puede captar neutrones sin fisión con el fin de formar 236U estable. Dejado en irradiación, este último produce 237U, que es modificado en neptunio 237 relativamente estable. El 237Np asegura la captura de un neutrón con el fin de formar 238Np. Este se transforma en plutonio 238 fuertemente radioactivo. Este 238Pu es débilmente fisible.
La reacción (n,2n) es igualmente susceptible de conllevar la pérdida de un neutrón del uranio 238. Puede ser transformado rápidamente en 237U y en 237Np. En el marco del ciclo del uranio, el neptunio sigue siendo el actínido más importante. Pudiendo separarse químicamente de los combustibles irradiados, este elemento es a menudo puesto en irradiación con el fin de crear plutonio 238. Es posible obtener este último sin mezclarlo con 239Pu. Es utilizado principalmente para la concepción de RTG o generador termoeléctrico de radioisótopo.
El ciclo del plutonio se basa en el uranio 238. Formando el actínido inicial, este isótopo fértil capta un neutrón con el fin de formar uranio 239. Este se transforma en neptunio 239, después en plutonio 239. Este último es considerado como la materia más fisible de este ciclo. Por otra parte, la integral de resonancia participa en esta absorción. Aumentando con la temperatura, contribuye a la estabilización del funcionamiento de los reactores nucleares.
El plutonio 239 es una materia estable y fisible. En cambio, una vez de cada tres, puede capturar neutrón incidente con el fin de formar 240Pu. Estable en reactor, este último es también fértil. Bajo irradiación, realiza una captura neutrónica para producir 241Pu fisible. Este nuevo elemento producido es a la vez fisible y radioactivo. Bajo irradiación, se modifica en 242Pu. Particularmente estable, el plutonio 242 captura a menudo un neutrón para transformarse en 243Pu inestable. Este es convertido rápidamente en americio 243.
Este ciclo forma un plutonio que corresponde a una mezcla isotópica compuesta de 239Pu y de otros isótopos pesados (240, 241 así como 242). Este elemento está sobre todo caracterizado por su riqueza en isótopos fisibles. Con este, una separación química basta para producir una materia civil sin recurrir al proceso de separación isotópica. El plutonio se presenta como la principal materia prima para favorecer la alimentación de un ciclo regenerador. También puede reemplazar al uranio fuertemente enriquecido para producir reactores de cuarta generación. En efecto, esta materia es fácil de obtener. Como recordatorio, la primera explosión nuclear se efectuó con plutonio.
En la práctica, la serie del plutonio que se ha formado en reactor se para en el 242Pu. El 243Pu es fuertemente inestable. Tiene tendencia a desintegrarse fácilmente antes incluso de capturar un neutrón suplementario. Esto impide la formación del 244Pu. Paradójicamente, este plutonio 244 es un isótopo estable que está disponible en estado de trazas en el medio ambiente. En general, su formación natural es causada por el alto flujo neutrónico que se encuentra en el proceso ligado a la explosión de las supernovas. También es posible encontrar trazas en el seno de los isótopos obtenidos tras una explosión atómica.
A excepción de irradiaciones breves destinadas a producir mayoritariamente 239Pu, el plutonio formado contiene una fracción importante de 241Pu. Esta formación de plutonio se acompaña de una pequeña cantidad de americio, que finalmente se vuelve muy radioactivo debido al isótopo 241Am. Si esperamos suficiente tiempo, la actividad beta del 241Pu convertirá una parte en americio 241. En la mayoría de los casos, la desintegración alfa se produce emitiendo una partícula de 5,485 MeV al estado excitado de 237Np. Este último libera entonces un rayo gamma de 59,54 KeV con el fin de volver a su onda fundamental. Aunque complejo, el espectro de energía de la desintegración de 241Am presenta numerosas transiciones. Produce más de 200 rayas de emisiones gamma, alfa y X34.
Débilmente fisible, el americio 241 es considerado como un veneno neutrónico. Captura un neutrón con el fin de obtener 242Am y 242mAm. Producido en gran cantidad, el 242Am es relativamente radioactivo. Forma rápidamente 242Pu o 242Cm. El isómero 242mAm, por su parte, es un isótopo que tiene tendencia a desaparecer rápidamente. Fácilmente fisible, efectúa una captura neutrónica suplementaria con el fin de formar 243Am.
El americio 243 es por lo tanto el resultado de una captura de neutrón realizada por 242Pu o por 242mAm. Se impone como el isótopo del americio más estable. Su vida media es de aproximadamente 7.370 años. Se trata también de un veneno neutrónico menor. Este elemento captura un neutrón para producir americio 244, que se desintegra más rápidamente con el fin de formar 244Cm.
El americio que puede ser separado químicamente dispone de una composición isotópica variable. Así, el punto de entrada en la formación de este elemento es el 241Pu. Este último es obtenido a partir de una irradiación en reactor.
Cuando la edad del 241Pu formado representa una fracción significativa de su vida media (T½ = 14,35 años), el tiempo produce americio 241 a partir de este isótopo. Una irradiación prolongada del 241Pu produce plutonio 242 después americio 243. Una irradiación del 241Pu envejecido favorece la formación del americio 242.
En cuanto al plutonio, la producción en continuo de 241Am hace su utilización muy complicada por sus medidas de radioprotección impuestas. Cuanto más viejo es el plutonio, más necesario se vuelve. Porque, su radioactividad aumenta considerablemente con el tiempo. En unos cincuenta años, alcanza su equilibrio secular. El americio puede ser eliminado químicamente para reducir temporalmente la radiación. Entonces, este plutonio “fresco” puede ser utilizado con límites de radioprotección más bajos. Solo una parte del 241Pu convertido en 241Am puede ser eliminada y el resto continúa produciendo 241Am permanentemente. Mientras que el 241Pu permanece en la mezcla, este estado débilmente irradiante no puede durar. Así, conviene esperar siglos para que la separación del americio pueda asegurar la formación del plutonio débilmente irradiante.
Dos opciones son posibles para entrar en el seno de la serie del curio:
Cuando el curio es alcanzado, las capturas neutrónicas sucesivas aumentan la masa del núcleo desde el elemento 242Cm hasta 249Cm. Los primeros elementos de 242 a 244 son radioactivos. Por una radioactividad alfa, aseguran la retransformación de los núcleos en plutonio. Los 243Cm, 245Cm así como 246Cm, son, por su parte, fisibles.
A partir del curio 245, la vida media es superior a mil años. La vía de evolución bajo irradiación será la acumulación o la fisión de neutrones hasta el curio 248. Este último captura un neutrón y se convierte en 249Cm. Este se transforma a continuación en berkelio 249. El 249Bk se desintegra generalmente en 249Cf. También puede capturar otro neutrón con el fin de ser modificado en 250Bk.
Particularmente radioactivos, los radionucleidos del californio acumulan neutrones para alcanzar 250Cf. También ocurre que sufren una desintegración alfa que los integrará en la serie del curio. La acumulación de los neutrones alcanza su máximo en el californio 253, que es muy inestable. Este sufre una desintegración alfa y beta que lo hará recaer en el mismo ciclo.
Experimentaciones y estudios han sido llevados a cabo con el objetivo de evaluar las diferentes posibilidades de transmutación en reactor de los actínidos. Si la captura neutrónica resulta importante, es muy probable que se caiga en los ciclos superiores que están descritos arriba. La mejor manera de eliminar los actínidos menores es fisionarlos rápidamente. Para ello, conviene utilizar un reactor de neutrón rápido.
La abundancia de los actínidos menores producidos en el combustible reprocesado proveniente de los reactores de agua presurizada depende de la tasa de combustión. Esta oscila entre 33.000 y 45.000 MWj/tMLi. El tipo de combustible utilizado presenta también una influencia sobre esta masa. Este puede ser un uranio natural enriquecido, MOX o incluso URE. La puesta en desecho de estos metales pesados conlleva la pérdida en átomos pesados, que no excede el 3,5% del recurso en uranio. Los actínidos menores de vida corta y media participan en el desprendimiento térmico de los residuos y del combustible irradiado. Teniendo todos descendientes, producen helio.
En la fábrica de reprocesamiento, los actínidos menores están mezclados con productos de fisión. Cuando son incorporados, estos AMin se convierten en residuos HAVL. Representan por lo tanto los residuos radioactivos que provocan problemas importantes. Como emisores alfa, estos poseen una gran toxicidad radiológica y química, sobre todo si el elemento se introduce en la cadena alimentaria. Pueden desprender un fuerte calor. Porque los elementos alfa de los Amin presentan una energía elevada pudiendo alcanzar 5,5 MeV. Los actínidos menores desprenden igualmente helio, que un elemento es susceptible de dañar la cohesión del vidrio de gestión de los residuos. Sin embargo, está establecido que disponen de una baja movilidad en el medio ambiente.
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