Lavorazione dell'uranio, preparazione del minerale per l'uso in vari prodotti.
L'uranio (U), sebbene molto denso (19,1 grammi per centimetro cubo), è un metallo relativamente debole, non refrattario. In effetti, le proprietà metalliche dell'uranio sembrano essere intermedie tra quelle dell'argento e di altri metalli veri e quelle degli elementi non metallici, quindi non sono apprezzate per le applicazioni strutturali. Il valore principale dell'uranio è nelle proprietà radioattive e fissili dei suoi isotopi. In natura, quasi tutto (99,27 percento) del metallo è costituito da uranio-238; il resto è costituito da uranio-235 (0,72 percento) e uranio-234 (0,006 percento). Di questi isotopi presenti in natura, solo l'uranio-235 è direttamente fissionabile mediante irradiazione di neutroni. Tuttavia, l'uranio-238, assorbendo un neutrone, forma l'uranio-239 e quest'ultimo isotopo alla fine decade in plutonio-239, un materiale fissile di grande importanza nell'energia nucleare e nelle armi nucleari. Un altro isotopo fissile, l'uranio-233, può essere formato dall'irradiazione di neutroni del torio-232.
Anche a temperatura ambiente, l'uranio metallico finemente suddiviso reagisce con ossigeno e azoto. A temperature più elevate reagisce con un'ampia varietà di metalli leganti per formare composti intermetallici. La formazione di soluzione solida con altri metalli si verifica solo raramente, a causa delle singolari strutture cristalline formate da atomi di uranio. Tra la temperatura ambiente e il suo punto di fusione di 1.132 ° C (2.070 ° F), l'uranio metallico esiste in tre forme cristalline conosciute come le fasi alfa (α), beta (β) e gamma (γ). La trasformazione dalla fase alfa a quella beta avviene a 668 ° C (1.234 ° F) e dalla fase beta a fase gamma a 775 ° C (1.427 ° F). L'uranio gamma ha una struttura cristallina cubica (bcc) centrata sul corpo, mentre l'uranio beta ha una struttura tetragonale. La fase alfa, tuttavia, consiste in fogli ondulati di atomi in una struttura ortorombica altamente asimmetrica. Questa struttura anisotropa o distorta rende difficile per gli atomi dei metalli leganti sostituire gli atomi di uranio o occupare spazi tra gli atomi di uranio nel reticolo cristallino. Solo molibdeno e niobio sono stati osservati per formare leghe a soluzione solida con uranio.
Storia
Il chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth ha il merito di aver scoperto l'elemento uranio nel 1789 in un campione di pitchblende. Klaproth chiamò il nuovo elemento come il pianeta Urano, che era stato scoperto nel 1781. Tuttavia, fu solo nel 1841 che il chimico francese Eugène-Melchior Péligot dimostrò che la sostanza metallica nera ottenuta da Klaproth era in realtà il biossido di uranio composto. Péligot ha preparato l'uranio metallico riducendo il tetracloruro di uranio con metallo di potassio.
Prima della scoperta e delucidazione della fissione nucleare, i pochi usi pratici dell'uranio (e questi erano molto piccoli) erano nella colorazione della ceramica e come catalizzatore in alcune applicazioni specializzate. Oggi, l'uranio è molto apprezzato per applicazioni nucleari, sia militari che commerciali, e anche i minerali di bassa qualità hanno un grande valore economico. Il metallo all'uranio viene prodotto abitualmente mediante il processo Ames, sviluppato dal chimico americano FH Spedding e dai suoi colleghi nel 1942 alla Iowa State University, Ames. In questo processo, il metallo è ottenuto dal tetrafluoruro di uranio mediante riduzione termica con magnesio.
minerali
La crosta terrestre contiene circa due parti per milione di uranio, riflettendo un'ampia distribuzione in natura. Si stima che gli oceani contengano 4,5 × 10 9 tonnellate di elemento. L'uranio si presenta come un componente significativo in oltre 150 minerali diversi e come componente minore di altri 50 minerali. I minerali di uranio primario, presenti nelle vene idrotermali magmatiche e nelle pegmatiti, includono l'uraninite e il pitchblende (quest'ultimo una varietà di uraninite). L'uranio in questi due minerali si presenta sotto forma di biossido di uranio, che - a causa dell'ossidazione - può variare nell'esatta composizione chimica da UO 2 a UO 2,67. Altri minerali di uranio di importanza economica sono l'autunite, un uranil fosfato di calcio idratato; tobernite, un uranil fosfato di rame idratato; coffinite, un silicato di uranio nero idratato; e carnotite, un uranil vanadato di potassio giallo idratato.
Si stima che oltre il 90 percento delle riserve conosciute di uranio a basso costo siano presenti in Canada, Sudafrica, Stati Uniti, Australia, Niger, Namibia, Brasile, Algeria e Francia. Circa il 50-60 percento di queste riserve si trova nelle formazioni rocciose di conglomerato del lago Elliot, situato a nord del lago Huron in Ontario, Canada, e nei campi d'oro di Witwatersrand in Sudafrica. Anche le formazioni di arenaria nell'Altopiano del Colorado e nel Bacino del Wyoming negli Stati Uniti occidentali contengono importanti riserve di uranio.
Estrazione e concentrazione
I minerali di uranio si verificano in depositi sia superficiali che molto profondi (ad es. Da 300 a 1.200 metri o da 1.000 a 4.000 piedi). I minerali profondi a volte si verificano in cuciture spesse fino a 30 metri. Come nel caso dei minerali di altri metalli, i minerali di uranio superficiale vengono prontamente estratti con grandi attrezzature per movimento terra, mentre i depositi profondi vengono estratti con i tradizionali metodi ad albero verticale e deriva.
I minerali di uranio contengono in genere solo una piccola quantità di minerali contenenti uranio e questi non sono suscettibili di fusione con metodi pirometallurgici diretti; invece, le procedure idrometallurgiche devono essere utilizzate per estrarre e purificare i valori di uranio. La concentrazione fisica ridurrebbe notevolmente il carico sui circuiti di elaborazione idrometallurgica, ma nessuno dei metodi di beneficenza convenzionali tipicamente impiegati nella lavorazione dei minerali - ad es. Gravità, flottazione, elettrostatica e persino smistamento manuale - è generalmente applicabile ai minerali di uranio. Con poche eccezioni, i metodi di concentrazione comportano un'eccessiva perdita di uranio negli sterili.
