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4.2. PROPRIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS E RADIOLÓGICAS

As propriedades físicas do urânio e dos compostos de urânio importantes no ciclo do combustível nuclear e nos programas de defesa estão listadas na Tabela 4-2. A porcentagem de ocorrência e as propriedades radioativas dos isótopos naturais de urânio estão listadas na Tabela 4-3. As duas séries de decaimento para os isótopos de urânio de ocorrência natural são mostradas na Tabela 4-4.

Metalúrgico, o metal urânio pode existir em três formas alotrópicas: ortopédico, tetragonal ou cúbico centrado no corpo (Lide 2008), e pode ser ligado a outros metais para alterar suas propriedades estruturais e físicas para se adequar à aplicação. Como o pó de alumínio metálico, o pó de urânio metálico é autopirofórico e pode queimar espontaneamente à temperatura ambiente, na presença de ar, oxigênio e água. Da mesma forma, a superfície do metal a granel, quando exposto pela primeira vez à atmosfera, oxida rapidamente e produz uma fina camada superficial de UO2, que resiste à penetração de oxigênio e protege o metal interno da oxidação. A temperaturas de 200-400°C, o pó de urânio pode se auto-inflamar em atmosferas de CO2 e N2. A fim de evitar a auto-ignição, os cavacos de usinagem de urânio podem ser armazenados em recipientes abertos e sob óleo ou água da máquina para evitar a acumulação de gás hidrogênio. O urânio queimado pode ser colocado debaixo de água até se extinguir, o que pode ser retardado pela hidrólise da água, que fornece algum oxigênio e hidrogênio para a queima contínua. A pulverização de água, CO2 e halon são ineficazes, e a descarga de halon pode ser explosiva e produzir gases tóxicos (DOE 2001).

Uranio pode existir em cinco estados de oxidação: +2, +3, +4, +5, e +6 (Lide 2008); no entanto, apenas os estados +4 e +6 são estáveis o suficiente para serem de importância prática. O urânio tetravalente é razoavelmente estável e forma hidróxidos, fluoretos hidratados e fosfatos de baixa solubilidade. O urânio hexavalente é o estado mais estável, e o estado mais comum é o U3O8, embora existam alguns locais de armazenamento localizados para o hexafluoreto de urânio antropogênico (UF6) nos Estados Unidos da América (DOE 2011a). Os principais compostos de urânio incluem óxidos, fluoretos, carbonetos, nitratos, cloretos, acetatos, e outros. Uma das características dos íons UO2+2 é sua capacidade de fluorescer sob luz ultravioleta.

Embora o elemento urânio tenha sido descoberto em 1789 por Klaproth, que o chamou de “urânio” em homenagem ao recém-descoberto planeta Urano, não foi até 1896 que Becquerel descobriu que o urânio é radioativo. Existem 22 isótopos conhecidos de urânio, dos quais apenas 3 ocorrem naturalmente (NNDC 2011). Estes três isótopos, 234U, 235U e 238U, têm abundância relativa de massa dentro da rocha crustal intacta da Terra de 0,005, 0,72, e 99,275%, respectivamente. Um grama de urânio natural tendo esta abundância isotópica relativa tem uma atividade de 0,69 µCi. Deste 0,69 µCi, 49,0% da actividade é atribuível a 234U, 2,27% da actividade é atribuível a 235U, e 48,7% da actividade é atribuível a 238U (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Esta proporção é apenas para rochas crustálicas não perturbadas. Embora a abundância relativa de massa de 234U seja de apenas 0,005%, ela representa aproximadamente metade da atividade total. As abundâncias isotópicas relativas dadas acima podem ser alteradas até certo ponto por processos naturais que não são totalmente compreendidos, mas que podem causar diferentes proporções no ar, água e solo, como demonstrado em relatórios da EPA (EPA 1994a, 2007).

235U é um isótopo de particular interesse porque é físsil (capaz de ser fissionado) e, consequentemente, pode sustentar uma reação nuclear em cadeia na presença de neutrões energéticos apropriados. O isótopo predominante de urânio encontrado na natureza, 238U, não é facilmente fissionável, mas uma pequena porção de suas transformações resulta em fissão espontânea ao invés da típica decomposição alfa; estes nêutrons podem ser suficientes para iniciar uma reação em cadeia sob condições apropriadas de concentração, massa e termalização de nêutrons. Consequentemente, para o urânio ser usado como combustível em reatores nucleares, a razão de 235U para 238U é aumentada de 0,72 para 2-4% por um processo chamado enriquecimento. O processo de enriquecimento mais usado nos Estados Unidos é chamado de difusão gasosa, mas outros processos de enriquecimento envolvendo métodos térmicos, centrífugos e laser podem ser usados, e outros países estão ativamente envolvidos na produção de urânio enriquecido. O minério de urânio é processado para óxido de urânio (U3O8) e então fluorado para UF6; em seguida, um fluxo de gás UF6 contendo os três compostos isotópicos é passado por uma longa série de estágios de difusão através dos quais as 234U e 235U passam mais rapidamente do que as 238U. Assim, a extremidade frontal do fluxo tem uma concentração elevada de 235U e é chamada hexafluoreto de urânio enriquecido, enquanto a extremidade traseira do fluxo tem uma concentração reduzida de 235U e é chamada hexafluoreto de urânio empobrecido. A porcentagem de enriquecimento é uma medida da porcentagem de massa de 235U no produto final, e o grau de enriquecimento é determinado pelo uso. O UF6 enriquecido é normalmente convertido em metal de urânio ou óxido para combustível de reator de energia ou em metal para aplicações em armas. O UF6 empobrecido é convertido em urânio metálico para uma variedade de aplicações civis e militares ou armazenado para uso futuro. O urânio pouco enriquecido (2-4% enriquecido) é usado em reatores nucleares civis (DOE 2000), enquanto o urânio altamente enriquecido (>90% enriquecido) é usado em reatores especiais de pesquisa (a maioria dos quais foi removida da operação), núcleos de reatores submarinos nucleares e armas nucleares. O urânio metálico empobrecido é usado como proteção contra radiação, projéteis de mísseis, elementos-alvo em reatores de produção de plutônio, um componente de giroscópio e contrapesos ou estabilizadores em aeronaves.

O urânio sofre transformação contínua através do processo de decaimento pelo qual ele libera energia para finalmente se tornar um elemento estável ou não radioativo. Para os isótopos de urânio, este é um processo complexo que envolve a produção em série de uma cadeia de produtos em decaimento, chamada progênie, até que um elemento estável final seja formado. Os produtos de decaimento dos isótopos de urânio, que também são radioativos, são mostrados na Tabela 4-4. 238U é o isótopo pai da série do urânio (234U é um produto de decaimento de 238U), enquanto 235U é o isótopo pai da série de decaimento do actínio. Todos os isótopos de urânio naturais e alguns dos seus descendentes decaem por emissão de partículas alfa; os outros membros de ambas as séries decaem por emissão de partículas beta e raios gama (NNDC 2011). Tanto o urânio como a série de decaimento do actínio têm três características em comum. Cada série começa com um pai de longa duração, 235U ou 238U, cada série contém um isótopo do rádon de gás nobre, e cada série termina com um isótopo estável de chumbo, 207Pb ou 206Pb.

O tempo necessário para que metade dos átomos de um radionuclídeo se transforme é chamado de meia-vida radioativa. A taxa de decaimento, e portanto a meia-vida, para cada radionuclídeo é única. A semi-vida de 238U é muito longa, 4,5×109 anos; as semi-vidas de 235U e 234U são ordens de magnitude inferior, 7,0×108 e 2,5×105 anos, respectivamente. Como a atividade de uma dada massa de urânio depende da massa e meia-vida de cada isótopo presente, quanto maior for a abundância relativa, mais rápida será a decadência de 234U e 235U, maior será a atividade. Assim, o urânio empobrecido é menos radioativo que o urânio natural e o urânio enriquecido é mais radioativo.

O urânio é incomum entre os elementos porque é tanto um material químico quanto radioativo. Os perigos associados ao urânio dependem da forma química e física do urânio, da via de entrada e do nível de enriquecimento. A forma química do urânio determina a sua solubilidade e, portanto, a transportabilidade nos fluidos corporais, bem como a retenção no corpo e em vários órgãos. A toxicidade química do urânio é a principal preocupação de saúde, porque os compostos de urânio solúveis causam danos de metais pesados no tecido renal. Os riscos radiológicos do urânio podem ser uma preocupação primária quando inalado, enriquecido (DOE 2001) e os compostos de urânio insolúveis são retidos a longo prazo nos pulmões e nos linfáticos associados.