Chimica nucleare

RADIOATTIVITÁ NATURALE

• Radionuclidi primordiali

Sono i radionuclidi sopravvissuti fino a oggi perché la loro vita media è dell’ordine dell’età della Terra. Hanno tempi di dimezzamento così grandi, che esistono nella forma presente sin da prima della formazione del sistema solare. Sono resistiti al big bang e, i nuclidi più pesanti, derivano dalla nucleo-sintesi stellare o da esplosioni di supernove. A causa dell’età della Terra (circa 4,6 ∙ 10 anni) il tempo di vita medio deve essere maggiore di 5 ∙ 10 anni affinché si trovi traccia della specie.

I principali nuclidi radioattivi presenti nelle rocce sono K e Rb.

• Radionuclidi cosmogenici

Sono i radionuclidi a vita media più breve dei precedenti prodotti naturalmente tramite bombardamento dell’atmosfera da parte dei raggi cosmici. Questi raggi cosmici si dividono in radiazioni cosmiche primarie, costituite da una piccola frazione di

controlli industriali, diagnostica e terapia medica, etc). Tra i più comuni si trova Sr, Sr, Zr, Ru, I, Ce, Ce, Cs, Cs, U, Pu,241 241 152Pu, Am. I radionuclidi prodotti industrialmente e nella medicina sono: Eu,154 133 99m 131 65 60Eu, Ba, Tc, I, Zn, Co.

Radionuclidi nel corpo umanoIl corpo umano è una sorgente radioattiva di attività pari a circa 8000 Bq. Di14 40questi, circa 4000 provengono dal C e circa 4000 provengono dal K. Altre fonti238 232di radioattività trascurabili sono poi il U e il Th.

Radionuclidi negli oceaniLa radioattività negli oceani è principalmente dovuta alla presenza di U e Th40e K. In particolare, il torio è più abbondante nelle rocce ma i sali di uranio sono40più solubili, mentre il K essendo sia molto abbondante che solubile rappresentala maggior sorgente di radioattività.

Il problema del radon 232 235È un gas nobile

Il reattore di Oklo costituisce l'unico esempio noto di reattore a fissione nucleare naturale auto-sostenuta. In questa miniera si sono verificate delle reazioni di fissione nucleare innescate circa 1,7 miliardi di anni fa. L'intero processo è stato possibile grazie all'abbondanza dell'isotopo U-235 (che all'epoca ammontava a circa il 3%) e grazie alla presenza di acqua nella miniera. L'acqua, infatti, ha agito contemporaneamente come moderatore di neutroni e come fluido di raffreddamento.

Si ritiene che i reattori di Oklo abbiano probabilmente funzionato a tratti. Quello che si ipotizza è che il riscaldamento dovuto alla fissione faceva evaporare l'acqua, causando una perdita di criticità dei reattori stessi. Successivamente, il raffreddamento della zona permetteva un nuovo accumulo di acqua e quindi il reattore diventava nuovamente critico, ripristinando la sua funzionalità.

Si ritiene che tale reattore sia rimasto in funzione per alcune

ELEMENTI RADIOATTIVI NATURALI

• Torio (Z = 90) 232

L'isotopo più stabile è il Th (100%, t = 914,05 ∙ 10 anni) capostipite della serie radioattiva 4n. Il Th può essere usato come combustibile. Non è fissile ma fertile dato che genera U che è fissile. È un elemento abbastanza abbondante sulla crosta terrestre e si estrae dalla monazite (fosfato di terre rare e torio). È un metallo elettropositivo (stato di ossidazione più comune +4) che si ossida all'aria. Come l'uranio, il torio può formare complessi ad alto numero di coordinazione.

• Uranio (Z = 92) 238 235

Isolato nel 1841, possiede 3 isotopi naturali: U (99.2739%), U (0.7204%) e 235U (0.0057%). In particolare, gli isotopi U e U sono i capostipiti delle serie radioattive 4n+2 e 4n+3. Esistono poi...

Altri 12 isotopi artificiali, di cui il ²³³U più importante è U che è fissile e che si può generare dal torio. L'uranio è presente nelle rocce in basse concentrazioni, ma le rocce che lo contengono sono moltissime. Si estrae da miniere a cielo aperto (le principali sono situate in USA, Russia e Kazakistan) o dal sottosuolo.

Il minerale ricco di uranio viene frantumato, trattato con Fe o HNO₃ per ossidare UO₂ a UO₃ e quindi estratto come solfato di uranile con H₂SO₄.

Il minerale povero di uranio non viene frantumato ma si estrae in maniera simile al processo Frasch per l'estrazione dello zolfo utilizzando soluzioni di carbonati come mezzi estraenti.

Dopo ulteriori trattamenti, si ottiene lo "yellow cake", che contiene dal 70 al 99% di U₃O₈. Esso viene lavorato per ottenere il UF₆.

L'uranio metallico si ottiene per riduzione dei cloruri con metalli alcalini o alcalino terrosi ad alta temperatura o per elettrolisi di KUF₆.

o UF in5 4CaCl /NaCl fusi.228 222Si libera anche Rn29 Usato nell'arricchimentoL'arricchimento dell'U si effettuare sfruttando le loro differenti masse.Il processo non è semplice (le masse non differiscono di molto) e può essereeffettuata in 2 modi:

(a) diffusione gassosa: si effettua costringendo l'esafluoruro di uraniogassoso (UF ) attraverso una serie di membrane. Questo produce6 30 235 238una lieve separazione tra le molecole che contengono U e U(b) centrifugazione a gas: essa utilizza un gran numero di cilindri rotantiin serie e formazioni parallele. Questa rotazione crea una forteaccelerazione centrifuga in modo che le molecole di gas più pesanti,238contenenti U si muovono verso l'esterno del cilindro e le molecole235di gas più leggero, con maggiore concentrazione di U si raccolgonopresso il centroTuttavia, questi processi di arricchimento non sono così efficaci, quindiservono impianti molto grandi in modo da avere un

Gran numero di singolistep di arricchimento. Sia da processi di arricchimento che da reattori nucleari si produce come sottoprodotto uranio impoverito. Questo essendo molto denso e meno radioattivo viene utilizzato in ambito civile come schermo per le radiazioni γ, come contrappeso in aeromobili e barche a vela (ultimamente sostituito da W) mentre in ambito militare per fabbricare proiettili e corazze. I problemi che conseguono dall'utilizzo dell'uranio derivano dal fatto che in seguito all'impatto di un proiettile su una superficie si ha produzione di polvere e aerosol, e quindi esseri umani e animali possono essere esposti a questo elemento tramite inalazione, ingestione e assorbimento attraverso la pelle.

30 2 gas hanno una diversa velocità di diffusione all'interno di membrane, se possiedono diverse masse.

ELEMENTI ARTIFICIALI CON Z < 92

• Tecnezio (Z = 43) Individuato nel 1937, viene preparato sotto forma di 99 98Tc per irraggiamento di Mo tramite

neutroni in reattori nucleari o dalla fissione del U.

È uno dei due elementi artificiali che non possiede isotopi stabili. Forma composti stabili negli stati di ossidazione da +1 a +7, e nello stato +7 si comporta da forte ossidante. L’isotopo Tc è usato in medicina nucleare per analisi scintigrafiche e per produrre radiofarmaci a base di tecnezio.

• Promezio (Z = 61)

Identificato nel 1945 tra i prodotti di fissione dell’uranio in un reattore moderato a grafite. In particolare, l’isotopo Pm (β ,t = 2,6 a) fu isolato (1 ng/giorno) in un reattore alimentato a ½235 U. Come il tecnezio non possiede isotopi stabili e si comporta come un tipico lantanide: è elettropositivo e possiede +3 come unico stato di ossidazione stabile. 147Pm è l’unico isotopo con applicazioni pratiche, viene usato per luci di segnalazione (dato che la sua emissione β non causa decomposizione) l’emissione di luce è stabile per molto.

tempo) e per produrre batterie (le particelle emesse vengono convertite in energia elettrica quando una sorgente di Pm è posta in mezzo a delle lamine semi-conduttrici).

ELEMENTI DERIVANTI DAL DECADIMENTO DI URANIO E TORIO

• Polonio (Z = 84) Isolato nel 1898 da Marie Curie dalla pechblenda, il metallo solido emette una luce bluastra a causa della forte emissione α che ionizza l'aria. Possiede 33 isotopi, tutti radioattivi, di cui il più disponibile è il Po mentre il più stabile è il Po. Il Po si prepara irraggiando Bi con neutroni [ Bi(n,β) Po]. Ha carattere