TORIO

¿ALTERNATIVA AL URANIO?

PARTE I

Introducción al Torio: Un Elemento con Potencial Estratégico

El torio (Th) es un elemento químico perteneciente a la serie de los actínidos, con número atómico 90 y una vida media extremadamente larga en su isótopo más abundante, el torio-232. Se encuentra de forma natural en la corteza terrestre en concentraciones relativamente altas, especialmente en minerales como la monacita, y es entre tres y cuatro veces más abundante que el uranio. A pesar de su disponibilidad, su uso ha sido históricamente limitado debido a la predominancia del uranio en la tecnología nuclear.

Desde el punto de vista químico, el torio es un metal electropositivo y relativamente blando, que presenta una reactividad moderada con el oxígeno y el agua en condiciones ambientales. Su principal interés radica en su potencial como combustible nuclear, ya que, aunque no es físil en su estado natural, puede transmutarse en uranio-233 (U-233) mediante captación de neutrones. Este proceso hace del torio una posible alternativa al ciclo del uranio-plutonio en reactores nucleares, con ventajas en términos de seguridad y gestión de residuos radiactivos.

Más allá de la energía nuclear, el torio ha encontrado aplicaciones en la metalurgia, la industria electrónica y ciertos procesos científicos. Sin embargo, su uso ha disminuido en algunos sectores debido a preocupaciones radiológicas y la falta de infraestructuras especializadas para su manejo y procesamiento.

En este documento, se explorará en profundidad la naturaleza química y física del torio, sus propiedades nucleares, su presencia en la naturaleza y métodos de extracción, así como sus posibles aplicaciones tecnológicas y científicas. También se abordarán las razones por las cuales su implementación a gran escala en la industria nuclear aún no ha sido viable, analizando sus desafíos técnicos, económicos y regulatorios.

¿Qué es el Torio?

El torio es un elemento químico radiactivo perteneciente a la serie de los actínidos. Su símbolo químico es Th, su número atómico es 90 y se encuentra en el período 7, grupo 3 (familia de los actínidos) de la tabla periódica. Es un metal blando, dúctil y maleable, con un aspecto plateado que se empaña lentamente al contacto con el oxígeno del aire, formando una pátina de óxido.

En la naturaleza, el torio se encuentra principalmente en el isótopo torio-232, que es el más estable y el más abundante. Se encuentra en minerales como la monacita, la torita y la torianita, y se extrae como subproducto en la minería de tierras raras.

 

Historia y Descubrimiento del Torio

El torio fue descubierto en 1828 por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius, quien lo aisló a partir de un mineral desconocido enviado por el sacerdote y geólogo Morten Thrane Esmark. Berzelius nombró el nuevo elemento en honor a Thor, el dios del trueno en la mitología nórdica.

A finales del siglo XIX y principios del XX, el torio se utilizó en diversas aplicaciones industriales, como en los mantos incandescentes de lámparas de gas. En 1898, la radiactividad del torio fue observada por Marie y Pierre Curie, lo que impulsó su estudio dentro del campo de la física nuclear.

Durante la era nuclear del siglo XX, el torio fue investigado como una alternativa al uranio para su uso en reactores nucleares, pero no llegó a desarrollarse a gran escala debido a razones políticas y tecnológicas.

 

Naturaleza Química y Física del Torio

Propiedades Físicas

• Densidad: 11.7 g/cm³
• Punto de fusión: 1,750 °C
• Punto de ebullición: 4,790 °C
• Estado en condiciones estándar: Sólido metálico
• Color y apariencia: Plateado brillante, pero se oxida lentamente en contacto con el aire.
• Dureza: Relativamente blando, similar al plomo.

Propiedades Químicas

• Reactividad: Se oxida al contacto con el aire, formando óxidos de torio.
• Estados de oxidación: Su estado de oxidación más común es +4, formando compuestos como ThO₂ (dióxido de torio).
• Compuestos: Forma haluros (fluoruros, cloruros), óxidos, sulfuros y otros compuestos con elementos no metálicos.
• Solubilidad: Insoluble en agua, pero reacciona con ácidos minerales formando sales solubles.

El torio es considerado un metal electropositivo, lo que significa que tiende a perder electrones fácilmente en reacciones químicas. Su radioactividad es menor que la del uranio o el plutonio, pero sigue siendo un elemento de manejo delicado.

 

Este apartado cubre los aspectos básicos del torio. ¿Quieres que amplíe algún punto o pasamos a otro tema específico?

2. Propiedades del Torio

El torio es un elemento químico radiactivo con características únicas dentro de los actínidos. A continuación, se detallan sus propiedades físicas y químicas, así como su estado natural, apariencia y estabilidad.

 

2.1. Propiedades Físicas del Torio

Propiedad	Valor
Símbolo químico	Th
Número atómico	90
Peso atómico	232.038 u
Densidad	11.7 g/cm³
Punto de fusión	1,750 °C
Punto de ebullición	4,790 °C
Estado a temperatura ambiente	Sólido
Color y apariencia	Plateado brillante, se oscurece al contacto con el aire
Dureza	Moderada (similar al plomo)
Conductividad térmica	Alta, similar a la del uranio
Conductividad eléctrica	Moderada

• El torio es relativamente blando y maleable, lo que permite trabajarlo en láminas o hilos delgados.
• Tiene una alta conductividad térmica, por lo que puede disipar calor eficientemente.
• Su punto de fusión elevado lo hace útil en aplicaciones de alta temperatura.
• A temperatura ambiente, es estable, pero con el tiempo se oxida lentamente en contacto con el aire, formando una capa gris oscura de dióxido de torio (ThO₂).

 

2.2. Propiedades Químicas del Torio

Propiedad	Comportamiento
Estado de oxidación más común	+4
Compuesto más estable	Dióxido de torio (ThO₂)
Reactividad con el oxígeno	Se oxida lentamente, formando una capa protectora
Reactividad con el agua	Baja en frío, pero reacciona con agua caliente liberando hidrógeno
Reactividad con los ácidos	Se disuelve en ácidos fuertes como el ácido nítrico y sulfúrico
Reactividad con los halógenos	Forma compuestos como ThF₄ (fluoruro de torio) o ThCl₄ (cloruro de torio)

• Reactividad con el oxígeno: En condiciones normales, el torio no reacciona rápidamente con el oxígeno del aire, pero con el tiempo desarrolla una capa de óxido que lo protege de una mayor corrosión.
• Reactividad con el agua: Es relativamente estable en agua fría, pero reacciona con agua caliente liberando hidrógeno y formando hidróxidos.
• Reactividad con los ácidos: Se disuelve fácilmente en ácido clorhídrico (HCl), ácido sulfúrico (H₂SO₄) y ácido nítrico (HNO₃), formando sales solubles como Th(NO₃)₄.
• Formación de compuestos: Su estado de oxidación más común es +4, por lo que forma una variedad de compuestos, principalmente óxidos (ThO₂), haluros (ThF₄, ThCl₄) y sulfuros.

 

2.3. Estado Natural del Torio

• El torio no se encuentra en forma pura en la naturaleza, sino como parte de minerales como:
• Monacita (Ce,La,Nd,Th)PO₄ → Principal fuente de torio comercial.
• Torita (ThSiO₄) → Mineral raro con alto contenido de torio.
• Torianita (ThO₂+UO₂) → Mineral radiactivo que contiene torio y uranio.
• Es tres a cuatro veces más abundante que el uranio en la corteza terrestre.
• Se encuentra en depósitos de arenas minerales en países como India, Brasil, Australia, EE.UU. y Sudáfrica.

 

2.4. Estabilidad y Radiactividad del Torio

• Radiactividad: Aunque menos radiactivo que el uranio y el plutonio, el torio emite radiación alfa de baja energía.
• Isótopo más estable: El torio-232 (¹⁴.₀₅ mil millones de años de vida media).
• Decaimiento: Se descompone en una serie radiactiva que finalmente produce plomo estable (Pb-208).
• Auto-irradiación: Los compuestos de torio pueden oscurecerse con el tiempo debido a la auto-irradiación interna.

 

Conclusión

El torio es un metal radiactivo con propiedades únicas que lo hacen útil en diversas aplicaciones industriales y nucleares. Su estabilidad química, su resistencia a la corrosión y su abundancia lo han convertido en un candidato para la generación de energía nuclear alternativa. Sin embargo, su radioactividad y la falta de infraestructura adecuada han limitado su uso a gran escala.

3. Aplicaciones Históricas del Torio

Antes de que el torio fuera considerado como un posible combustible nuclear, tuvo diversas aplicaciones en la industria y la ciencia debido a sus propiedades únicas. Su alta temperatura de fusión, su capacidad de emisión lumínica y su estabilidad química lo hicieron valioso en varias áreas. A continuación, se describen sus principales usos históricos.

 

3.1. Mantos Incandescentes para Lámparas de Gas

Uno de los usos más conocidos del torio en la historia fue en los mantos incandescentes de las lámparas de gas, una tecnología ampliamente utilizada en el siglo XIX y principios del XX.

• En 1885, el químico austríaco Carl Auer von Welsbach descubrió que una malla impregnada con torio y cerio producía una luz blanca brillante cuando se calentaba en una llama.
• Los mantos incandescentes eran utilizados en farolas, faros y sistemas de iluminación doméstica antes de la llegada de la electricidad.
• La mezcla más común era 99% dióxido de torio (ThO₂) y 1% dióxido de cerio (CeO₂), que proporcionaba una luz intensa y eficiente.
• Aunque efectivos, estos mantos liberaban pequeñas cantidades de polvo radiactivo con el tiempo, lo que llevó a su progresiva eliminación en favor de tecnologías más seguras.

 

3.2. Aleaciones Metálicas

El torio se utilizó en diversas aleaciones metálicas debido a su capacidad para mejorar la resistencia a altas temperaturas y la dureza de los materiales.

• Aleaciones con magnesio y aluminio:
• Mejoraban la resistencia mecánica y térmica de estos metales.
• Se usaron en aplicaciones aeroespaciales y en componentes de motores sometidos a temperaturas extremas.
• Aleaciones con tungsteno:
• Se emplearon en electrodos de soldadura TIG (Tungsten Inert Gas), donde el torio mejoraba la estabilidad del arco eléctrico y la durabilidad del electrodo.
• A pesar de sus ventajas, el uso de torio en electrodos ha disminuido debido a preocupaciones radiológicas, siendo reemplazado por electrodos de lantano y cerio.

 

3.3. Uso en Fuentes de Rayos X y Equipos Electrónicos

• Tubos de rayos catódicos (CRT):
• En la primera mitad del siglo XX, el torio se utilizó en la fabricación de filamentos de tungsteno para tubos electrónicos y tubos de rayos X, mejorando la emisión de electrones.
• Válvulas electrónicas y transmisores de radio:
• Algunos dispositivos de la era temprana de la electrónica empleaban pequeñas cantidades de torio en sus componentes.

 

3.4. Aplicaciones en Vidrio Óptico y Lentes de Precisión

El torio también se usó en la fabricación de vidrio óptico de alta calidad, ya que el dióxido de torio (ThO₂) mejora la refracción y reduce la dispersión de la luz.

• Se utilizó en lentes de cámaras fotográficas, telescopios y binoculares de alto rendimiento.
• La radiación de los lentes con torio puede oscurecerlos con el tiempo debido a la auto-irradiación.
• Su uso ha sido reemplazado en gran parte por materiales no radiactivos como el lantano.

 

3.5. Uso en Medicina (Antiguos Contrastes Radiológicos)

• En la primera mitad del siglo XX, el torio se utilizó en un medio de contraste para radiografías, llamado Torotrast.
• Se empleaba en pruebas médicas porque su alta densidad absorbía bien los rayos X, permitiendo visualizar órganos y vasos sanguíneos.
• Sin embargo, se descubrió que Torotrast se acumulaba en el hígado y otros órganos, lo que causaba cáncer y enfermedades graves.
• Su uso fue prohibido a mediados del siglo XX.

 

Conclusión

Antes de ser considerado como un combustible nuclear, el torio tuvo múltiples aplicaciones industriales y científicas. Desde la iluminación con mantos incandescentes hasta su uso en aleaciones, electrónica, vidrios ópticos y medicina, sus propiedades únicas lo hicieron valioso en diferentes campos. Sin embargo, preocupaciones sobre su radiactividad llevaron a su reemplazo por materiales más seguros en la mayoría de sus aplicaciones.

 

¿Quieres que amplíe alguna sección o pasamos al siguiente apartado del documento?

4. Potencial Energético del Torio

El torio es una de las principales alternativas al uranio como combustible nuclear, con la ventaja de ser más abundante y generar menos residuos radiactivos de larga duración. A diferencia del uranio-235 (U-235) y el plutonio-239 (Pu-239), el torio-232 (Th-232) no es físil por sí mismo, pero puede ser convertido en uranio-233 (U-233), un material físil que puede sostener una reacción en cadena en un reactor nuclear.

 

4.1. Uso del Torio en Reactores Nucleares

El torio puede ser utilizado en un ciclo de combustible nuclear mediante un proceso de fertilización nuclear, que sigue estos pasos:

1. Captación de neutrones: Cuando un núcleo de Th-232 absorbe un neutrón, se convierte en Th-233.
2. Decaimiento radiactivo: El Th-233 sufre una desintegración beta en un par de días, transformándose en protactinio-233 (Pa-233).
3. Segunda desintegración beta: En aproximadamente un mes, el Pa-233 se desintegra en U-233, que es un isótopo físil capaz de sostener una reacción en cadena en un reactor nuclear.
4. Producción de energía: El U-233 puede fisionarse de manera similar al U-235 o Pu-239, liberando energía y más neutrones, que pueden ser utilizados para convertir más torio en U-233, continuando el ciclo.

Este proceso se conoce como el ciclo del torio-uranio, y es diferente del ciclo tradicional del uranio-plutonio utilizado en la mayoría de los reactores comerciales actuales.

4.2. Tipos de Reactores que Pueden Usar TorioEl torio se puede utilizar en diversos tipos de reactores nucleares, aunque aún no se ha implementado a gran escala. Entre los diseños más prometedores se encuentran:

 

4.2.1. Reactores de Sales Fundidas (MSR - Molten Salt Reactors)

• Son una de las opciones más avanzadas para el ciclo del torio.
• Utilizan sales fundidas como combustible y refrigerante, eliminando riesgos de fusión del núcleo.
• Son inherentemente seguros, ya que funcionan a baja presión y permiten una mejor gestión de residuos.

4.2.2. Reactores de Alta Temperatura (HTGR - High Temperature Gas-cooled Reactors)

• Utilizan helio como refrigerante en lugar de agua.
• Pueden alcanzar temperaturas mucho más altas, lo que mejora su eficiencia y permite aplicaciones industriales como la producción de hidrógeno.

4.2.3. Reactores de Agua Pesada (PHWR - Pressurized Heavy Water Reactors)

• Algunos reactores de agua pesada pueden ser adaptados para utilizar torio en su combustible.

4.2.4. Reactores Rápidos y Reactores de Generación IV

• Los reactores rápidos pueden aprovechar mejor el torio y reducir los residuos radiactivos de larga duración.
• Reactores de Generación IV, aún en fase de desarrollo, incluyen diseños optimizados para el torio.

 

4.3. Comparación del Torio y el Uranio en Términos de Eficiencia Energética

El torio tiene varias ventajas sobre el uranio como combustible nuclear:

Característica	Torio (Th-232/U-233)	Uranio (U-235/U-238-Pu-239)
Abundancia en la corteza terrestre	3-4 veces más abundante	Menos abundante
Fisibilidad	No es físil directamente, necesita conversión a U-233	U-235 es físil directamente, U-238 necesita conversión a Pu-239
Eficiencia en la fisión	U-233 genera más neutrones por fisión que U-235	Menos neutrones por fisión
Residuos radiactivos	Produce menos actínidos de vida larga	Genera más residuos transuránicos y radiactivos
Riesgo de proliferación nuclear	Bajo (U-233 es difícil de manejar para armas nucleares)	Mayor riesgo (Pu-239 puede ser usado en armas)
Necesidad de enriquecimiento	No necesita enriquecimiento	El U-235 necesita enriquecimiento al 3-5%
Seguridad	Puede operar en reactores más seguros como los de sales fundidas	Reactores convencionales pueden tener más riesgos de accidente

---

4.4. Ventajas y Desafíos del Uso del Torio

4.4.1. Ventajas

 Mayor abundancia: El torio es aproximadamente tres a cuatro veces más abundante que el uranio.
 Menos residuos radiactivos: Genera menos desechos radiactivos de larga vida en comparación con el uranio y el plutonio.
 Mayor eficiencia en la fisión: El U-233 producido a partir del torio tiene una alta probabilidad de fisión y libera más neutrones, permitiendo un mejor aprovechamiento del combustible.
 Más seguro: La mayoría de los diseños basados en torio tienen características de seguridad inherentes, como la capacidad de autodetener la reacción en cadena si hay fallos en el reactor.
 Menor riesgo de proliferación nuclear: El U-233 puede ser contaminado con U-232, que emite una intensa radiación gamma, dificultando su uso en armas nucleares.

 

 

4.4.2. Desafíos No es físil directamente:

 A diferencia del U-235, el torio necesita una fuente externa de neutrones (como uranio enriquecido o plutonio) para iniciar la reacción en cadena.
 Infraestructura nuclear basada en uranio: La mayoría de los reactores nucleares actuales están diseñados para usar uranio, por lo que cambiar al torio requeriría una reestructuración tecnológica costosa.
 Falta de desarrollo comercial: Aunque existen estudios y proyectos experimentales, aún no hay una infraestructura a gran escala para el uso del torio en reactores comerciales.
 Problemas con el U-233: Aunque el U-233 es físil, su producción implica la generación de U-232, que emite radiación gamma de alta energía, dificultando su manejo.

 

Conclusión

El torio es una alternativa prometedora al uranio para la generación de energía nuclear, con ventajas en términos de abundancia, seguridad y reducción de residuos radiactivos. Sin embargo, su implementación a gran escala enfrenta desafíos técnicos y económicos, ya que la industria nuclear actual está diseñada para el uso de uranio y plutonio.

A pesar de estos retos, la investigación sobre reactores de sales fundidas y generación IV sigue avanzando, y en el futuro el torio podría jugar un papel clave en la producción de energía limpia y segura.