Isotopos del uranio

El uranio es el elemento 92 de la tabla periódica, y su peso atómico es de 238,0289. El uranio natural está formado por tres tipos de isótopos: uranio-238 U(238), uranio-235 (U235) y uranio-234 (U234). De cada gramo de uranio natural el 99,28 % de la masa es uranio-238, el 0,71% uranio-235 y 0,005% uranio-234. La relación Uranio-238/Uranio-235 es constante en toda la Tierra y el resto de los planetas del Sistema Solar.

El isótopo U235 es útil como combustible en centrales nucleares y en armamentos. Para producir combustible, el uranio natural es separado en dos porciones. La porción combustible tiene más U235 que lo normal y se llama uranio enriquecido. La porción sobrante con menos U235 que lo normal se llama uranio empobrecido U238. El uranio natural, enriquecido o empobrecido es químicamente idéntico. El uranio empobrecido es el menos radiactivo, el uranio enriquecido es el más radiactivo.

Midiendo emisiones gamma

La medida de la emisión gamma es el método tradicional para estimar la concentración de U3O8 en las muestras naturales. La emisión gamma es generada principalmente por los isotopos “hijos” 214Bi y 214Pb de la serie de decaimiento del uranio y que normalmente están junto al uranio en la mineralización. En este sentido, los productos del decaimiento radiactivo que se registran con las emisiones gamma son proporcionales a la cantidad de uranio presente en donde se está tomando la medida, asumiendo que el uranio “isótopo padre” no ha sido separado de los emisores gamma “isótopos hijos” que están siendo medidos.

Valores normales de uranio

Para todos los elementos químicos, existen tablas bien consolidadas que presentan valores normales o de fondo en los diferentes materiales y ambientes geológicos. Para el caso del uranio han sido analizadas cientos de muestras por diferentes autores, y los valores normales en cada ambiente o material son presentados en la tabla, donde puede observarse que a nivel mundial, los granitos tienen un promedio de 2,4 ppm de uranio, sin embargo en regiones particulares el valor normal pudiera ser mas alto e incluso el doble, y si bien esto puede ameritar un trabajo de prospección, en ningún momento debe especularse sobre la existencia de un depósito mineral.

REFERENCIAS DE LA TABLA

Chen, J.H., Edwards, R.L. and Wasserburg, G.J. (1986). 238U, 234U and 232Th in seawater. Earth and Planetary Science Letters 80: 241-251.

Condie, K.C. (1993). Chemical composition and evolution of the upper continental crust: contrasting results from surface samples and shales. Chemical Geology 104: 1-37.

Farmer, G.L. (2004). Continental Basaltic Rocks. In: Treatise on Geochemistry. Holland, H.D. and Turekian, K.K. Editors, Elsevier, Amsterdam. 3: 85-121.

Gao, S., Luo, T-C., Zhang, B-R., Zhang, H-F., Han, Y-W., Zhao, Z-D. and Hu, Y-K. (1998). Chemical composition of the continental crust as revealed by studies in East China. Geochimica et Cosmochimica Acta 62:1959-1975.

Kemp, A.I.S. and Hawkesworth, C.J. (2004). Granitic Perspectives on the Generation and Secular Evolution of the Continental Crust. In: Treatise on Geochemistry. Holland, H.D. and Turekian, K.K. Editors, Elsevier, Amsterdam. 3: 349-410.

Li, Y.H. (1991). Distribution Patterns of the Elements in the Ocean - a Synthesis. Geochimica et Cosmochimica Acta 55(11): 3223-3240.

Plank, T. and Langmuir, C.H. (1998). The geochemical composition of subducting sediment and its consequences for the crust and mantle. Chemical Geology 145: 325-394.

Rudnick, R.L. and Gao, S. (2004). Composition of the Continental Crust. In: Treatise on Geochemistry. Holland, H.D. and Turekian, K.K. Editors, Elsevier, Amsterdam. 3: 1-64.

Shaw, D.M., Cramer, J.J., Higgins, M.D. and Truscott, M.G. (1986). Composition of the Canadian Precambrian shield and the continental crust of the Earth. In: Geological Society Special Publications: The nature of the lower continental crust. Dawson, J.D., Carswell, D.A., Hall, J. and Wedepohl, K.H. (Editors), Geological Society of London. 24: 275-282.

Wedepohl, K.H. and Hartmann, G. (1994). The composition of the primitive upper earth's mantle. In: Kimberlites, related rocks and mantle xenoliths. Meyer, H.O.A. and Leonardos, O.H. Editors, Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais, Rio de Janeiro. 1: 486-495.

Uranio en areniscas

Uranio en areniscas

Uranio en areniscas

La formación de concentraciones económicas de uranio es controlada por el comportamiento contrastante del uranio en ambiente oxidante en donde es muy soluble bajo la forma de ion uranilo UO₂²⁺ y en ambiente reductor donde es una especie insoluble UO₂. En consecuencia, la movilidad y la concentración de uranio está fuertemente controlada por las condiciones redox de la corteza terrestre. Hay un punto en la evolución de la Tierra, hace aproximadamente 2.400 millones de años, cuando la atmósfera cambió de un estado reductor a otro oxidante, al aparecer la fotosíntesis y el oxígeno. Previo a este momento la mayor parte de las acumulaciones de uranio se produjeron en paleoplaceres como acumulaciones de detritos ya que el uranio bajo estas condiciones era insoluble. Posteriormente cuando se oxigenó la atmósfera y la hidrósfera la mayor parte de los depósitos económicos de uranio se formaron por el transporte en solución acuosa del ion uranilo y su depositación por reducción. Para la formación de grandes depósitos coincidieron procesos que combinaron la fuente del uranio, gradientes redox y estructuras favorables para el transporte de fluidos.

Los yacimientos de uranio alojados en areniscas se definen como acumulaciones epigenéticas de uranio que ocurren en formaciones de areniscas de origen fluvial, lacustrino o deltaico. La forma de estos yacimientos tiende a ser tabular o del tipo “roll-front”, cada una se relaciona con procesos geoquímicos particulares en donde las aguas subterráneas con baja concentración de uranio infiltran en las areniscas. Estos depósitos constituyen el 18% de la reserva mundial de uranio con tenores entre 0,05 y 0,4% y los depósitos individuales alcanzan reservas de hasta 50.000 toneladas.

La principal fuente de uranio son las rocas ígneas en áreas cercanas que son afectadas por los procesos de meteorización, en donde el uranio es progresivamente disuelto y transportado aguas abajo en estratos permeables de arenisca. En general la precipitación del uranio tiende a ocurrir cerca del contacto, pero solamente si existen condiciones de ambiente reductor, por ejemplo la presencia de materia orgánica en los estratos de areniscas.

De los recursos inferidos y asegurados de uranio a nivel mundial, los depósitos alojados en areniscas ocupan la segunda posición.

En los años 2005-2006 ha sido considerable la inversión en la exploración de uranio, tanto en países que habían abandonado la exploración hace 20 años, así como en países que nunca habían tenido proyectos de exploración. Las grandes inversiones han sido dedicadas a tres tipos de depósitos, (1) los asociados a disconformidades, (2) asociados a areniscas y (3) complejos de brechas hematíticas. Por ejemplo, la Federación Rusa, ha concentrado la mayor parte su inversión de 100 millones de dólares (2006-2007) en la prospección de depósitos asociados a areniscas; la India entre 2005-2007 ha invertido cerca de 50 millones de dólares en la exploración de areniscas del Cretáceo, y así mismo China, Kazakhstan y Australia. La razón principal es que este tipo de depósitos contienen altas reservas y buenos tenores, pero adicionalmente la mayor ventaja estriba en que los métodos de explotación son menos traumáticos para el medio ambiente, ya que antiguamente eran a cielo abierto, y hoy cada vez mas se hacen mediante la técnica de lixiviación in situ (ISL). Esta tecnología en el 2006, ha permitido a los Estados Unidos aumentar el 50% de la producción de uranio. Históricamente la producción de uranio ha sido a partir de minas a cielo abierto y minas subterráneas, pero a partir de las últimas dos décadas la técnica s ISL ha ido desplazando la forma de beneficiar el yacimiento. Esta técnica utiliza la inyección de ácido en pozos que alcanzan al estrato de arenisca mineralizado, y luego la extracción del ácido enriquecido en uranio mediante pozos de extracción. En el 2006 la producción mediante ISL superó la producción de las minas a cielo abierto, y se espera que esta tendencia se mantenga. El 35% de incremento en la producción desde el 2002 en Australia, la Federación Rusa, Kazakhstan, y los Estados Unidos, es gracias a la aplicación del ISL.

Concepto de reservas

Las estimaciones de las reservas de uranio a nivel internacional, son preparadas siguiendo el esquema de clasificación desarrollado por el Grupo Uranio que es un adjunto a la OECD Agencia de Energía Atómica OECD-NEA y la Agencia Internacional de Energía Atómica IAEA. Estos estimados son publicados bianualmente en una publicación conocida como el Libro Rojo. Este esquema de clasificación que ha sido adoptado internacionalmente, divide los recursos uraníferos en categorías que reflejan niveles de confianza en las cantidades recuperables de uranio con respecto a los costos de producción.

Fueron adoptados los términos de reservas convencionales y no-convencionales. Las reservas convencionales son aquellas que tienen una historia de producción minera, y el uranio puede ser el producto primario o un sub-producto importante de un yacimiento de otro mineral (por ejemplo, uranio en yacimientos de cobre u oro). Reservas de muy bajo grado o tenor, en donde el uranio sólo es recuperable como un sub-producto menor, son consideradas no-convencionales (por ejemplo, uranio en depósitos de fosfatos, lutitas negras y agua de mar).

Las reservas convencionales son clasificadas de acuerdo al nivel de confianza en cuatro categorías:

1. Reserva Razonablemente Asegurada (RRA). Está referida al uranio ubicado en depósitos de tamaño, tenor y configuración conocida, tal que la cantidad recuperable puede ser especificada cuantitativamente.

Reserva Inferida. Está referida al uranio, adicional a la RRA, deducida sobre la base de evidencias geológicas directas, en áreas donde existen depósitos explorados y donde la continuidad geológica ha sido establecida, pero los datos aun son inadecuados como para clasificarlos como RRA.

Reserva pronosticada. Es el uranio que adicional a la reserva inferida, supuestamente existe en depósitos cuya evidencia es indirecta y que posiblemente deben existir en una tendencia geológica bien definida, o en áreas mineralizadas asociadas a depósitos bien conocidos. Reserva especulativa. Está referida al uranio que adicional al pronosticado, se piensa que existe sobre la base de evidencias y extrapolaciones geológicas indirectas. Como lo indica su nombre, la existencia y el tamaño de esta reserva es especulativa.

Ciclo del Combustible Nuclear

Como el carbón, el petróleo y el gas natural, el uranio es una fuente de energía que debe ser procesada mediante una serie de pasos para poder producir un combustible eficiente. Cada combustible tiene su ciclo, pero el del uranio es el más complicado de todos. En síntesis, el primer paso es encontrar el uranio mediante la prospección geológica, geofísica y geoquímica, para luego minarlo y someterlo a procesos de molienda, conversión, enriquecimiento, y fabricación del combustible. Luego de utilizarlo y producir la electricidad, el residuo conocido como combustible apagado o agotado “spent fuel” podría someterse a una serie de pasos de reprocesamiento y reciclaje antes de disponerlo como desecho.

Extracción del uranio

El proceso de extracción que es el primer paso de ciclo, puede realizarse a cielo abierto o en minas subterráneas. Los países con reservas comprobadas, pueden comprometer y planificar su futuro energético sobre estas reservas. Las plantas de procesamiento normalmente están ubicadas cerca de la mina, donde el material es triturado y sometido a extracción con ácido sulfúrico. El uranio disuelto es precipitado como óxido de uranio U3O8 conocido como torta amarilla “yellow cake”. Se requieren 150-200 toneladas de torta amarilla para que una planta nuclear de 1000 MWe (Megavatio Eléctrico) genere electricidad durante un año.

Conversión a UF6

El uranio natural está conformado por tres isótopos: uranio-238 (238U), uranio-235 (235U) y uranio-234 (234U). En el uranio natural el 99,28 % de la masa es 238U, el 0,71% es 235U y el 0,005% 234U. El isótopo 235U es el utilizado como combustible en las plantas de energía eléctrica y en los armamentos. El uranio concentrado de la mina que tiene la forma de U3O8 debe ser convertido en la especie gaseosa hexafluoruro de uranio UF6 para poder ser enriquecido y llevar la concentración de 235U hasta un 3-4%.

Enriquecimiento

Los reactores nucleares requieren del uranio enriquecido para poder trabajar. El isótopo 235U cuya proporción natural es de 0,71% deber ser llevado a un 3-4% o ligeramente más alto. El proceso de enriquecimiento separa dos fases gaseosas del UF6, una enriquecida con el 235U que va al siguiente paso del combustible nuclear, y una empobrecida en 235U conocida como cola, que tiene una alta proporción del isótopo 238U que no es útil como combustible. El uranio remanente en la cola, es utilizado para aleaciones metálicas.

Fabricación del combustible

El UF6 enriquecido con el isótopo 235U es llevado a la planta de fabricación en donde es convertido en dióxido de uranio UO2 y prensado en pastillas. Estas pastillas son introducidas en tubos de acero o aleación de circonio que van al reactor nuclear.

Reactor nuclear

Cientos de tubos con el UO2 enriquecido son colocados en el corazón del reactor nuclear. La fisión del 235U produce calor durante una reacción en cadena, que es utilizado para producir vapor de agua que mueve a las turbinas generadoras de electricidad. Periódicamente el combustible agotado es reemplazado por combustible nuevo, para mantener una fuente constante de calor.

Almacenamiento del combustible agotado

El combustible agotado es altamente radiactivo y aun produce gran cantidad de calor. Es almacenado en fosas o piscinas, cercanas al reactor, esperando a que su calor y radiactividad disminuyan. A veces es almacenado en espacios donde es enfriado con aire frio. Finalmente, es llevado a su depósito definitivo, aunque algunas veces es reciclado para extraerle el plutonio que sirve para alimentar al reactor nuclear. Cuando ya no es útil, es vitrificado con borosilicato para inmovilizarlo y es almacenado en contenedores de acero inoxidable. Los contenedores de acero inoxidable son colocados en grandes depósitos de concreto armado o enterrados en cavernas rocosas profundas.

Las armas nucleares construidas en la década de los años 60 están constituidas por un 90% de 235U, mientras que para la producción eléctrica apenas se requiere un enriquecimiento del 3-4%. En este sentido, el desarme de estas armas nucleares está siendo realizado mediante la dilución con uranio empobrecido hasta alcanzar la concentración deseada de 235U. Progresivamente las armas de las grandes potencias, están siendo convertidas en energía eléctrica.

El ciclo del combustible nuclear presentado en la figura 1, equivale a lo que consumiría una planta de 1000 Mw en un año. Si esto tuviese que ser generado por combustible fósil, son requeridos 1.900.000.000 m3 de gas natural, o 3.600.000 ton de carbón, o 2.000.000 ton de derivado de petróleo. Con la diferencia de que cada tipo de planta arrojaría al ambiente grandes cantidades de contaminantes, mientras que una planta nuclear dejaría 150 ton de desecho que no es evacuado al ambiente.

La energía nuclear NO CONTAMINA

Desecho liberado al ambiente según el tipo de combustible, para una planta eléctrica de 1000 Mw/año. El combustible nuclear NO PRODUCE efecto invernadero. En la tabla se compara con otros combustibles.

Aumento de la demanda de uranio

Se espera que el consumo eléctrico continúe incrementándose rápidamente en las próximas décadas, para satisfacer el crecimiento poblacional y económico de las naciones. Muchos gobiernos han reconocido que los costos de las plantas nucleares no solo son competitivos, sino que su emisión de gases es cero. En este sentido, la evidente tendencia del incremento de la demanda y agotamiento de las fuentes secundarias, ha ejercido una fuerte presión en los esfuerzos y las inversiones dedicadas a la exploración de nuevos yacimientos de uranio.

Efecto invernadero o uranio ?

La toma de conciencia sobre el medio ambiente y calentamiento global, que desde hace varios años está calando no sólo en los gobiernos sino en la sociedad en general, ha provocado una “nueva fiebre del uranio” que ha colocado el precio del denso metal en los 100 dólares por libra. Los combustibles fósiles, cuyos gases son los principales causantes del efecto invernadero, tienen los días contados, con lo que la energía nuclear se perfila como la energía del futuro y nadie quiere quedarse al margen de esta inminente realidad. El hecho de que el precio del uranio se haya disparado en los últimos 5 años, multiplicándose por 10 y más del doble en los últimos seis meses del año 2007, no responde sólo al interés por este tipo de energía o a la preocupación por el calentamiento global, sino a una simple regla de oferta-demanda.
En estos momentos, en todo el mundo existen 440 reactores nucleares. Teniendo en cuenta que tan sólo el 60% de su consumo procede del uranio de minería, que no se espera la puesta en marcha de nuevos suministros hasta 2011 y que, sin embargo, sí se van a construir nuevas centrales nucleares (China, por ejemplo, ha encargado 4 a Westinghouse y 3 a Toshiba y se calcula que en total se están levantando180 reactores nuevos), es lógico que los precios de este metal pesado se estén disparando y esta tendencia se mantendrá en tanto que siga aumentando la demanda mientras disminuyen los suministros. En este contexto, no es de extrañar que decenas de pequeños mineros estén abriendo negocios en países como Perú, Argentina y Colombia, o que muchas empresas mineras puedan estar comprando propiedades con reservas de uranio para elevar el valor de sus acciones.

Reciclaje de arsenales nucleares

¿ Que están haciendo con los arsenales nucleares ?

Desde 1990 y después de la guerra fría, Estados Unidos ha estado comprando Uranio Enriquecido a Rusia mediante acuerdo comercial. El uranio enriquecido del arsenal atómico se mezcla con el Uranio de bajo contenido que se procesaría en Rusia a razón de 30 Ton/año de capacidad existente, lo que se supone disponible sólo hasta el año 2013. El combustible para reactores producido con armas de la guerra fría rusa se utiliza en una de cada 10 viviendas y empresas de los Estados Unidos, según el Nuclear Energy Institute de Washington.

Oferta y demanda (1)

La demanda por el uranio ha crecido fuertemente en los últimos años, impulsada por la mayor importancia de la energía nuclear como fuente de generación eléctrica y calor. De acuerdo con la Federal Energy Regulatory Comission (FERC), aunque los costos de inversión de las plantas nucleares duplican a los de las plantas convencionales, sus costos de generación son más bajos. En 2006 eran 1,72 centavos de dólar por Kwh contra 5,5 centavos de dólar por Kwh sobre la base de petróleo y gas. Su ventaja más sobresaliente es que al no utilizar combustibles fósiles, no emite a la atmósfera gases tóxicos, lo que es importante debido a que el Protocolo de Kyoto obliga a un pago por cada tonelada de CO2 emitido, para evitar el nocivo calentamiento global.

Esta carrera nuclear requiere de una tremenda cantidad de uranio. Según OIEA, las plantas existentes consumen 180 millones de libras al año, no obstante que se extraen de mina solo 110 millones. El resto proviene de depósitos de materiales estratégicos y armamento nuclear, plutonio de pilas nucleares que se agotan, y de reciclaje. Se estima que para el año 2008, el déficit de óxido de uranio en planta sería de 32 millones de libras.

Que es el libro rojo (Redbook) ?

Las reservas de uranio, producción y demanda, son publicadas bianualmente en el "Red Book" producido por el NEA y la IAEA bajos los auspicios del NEA/IAEA Uranium Group. La primera edición se publicón en 1965. Han sido publicados 21 ediciones y actualmente se está preparando la edición 22, la del año 2007. El Libro Rojo es una fuente confiabl y revisada muy util para la información estadística de reservas, producción y demanda de uranio.