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Uranio

elemento químico metálico de color plateado-grisáceo con símbolo químico U y número atómico 92
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Para otros usos de este término, véase Uranio (desambiguación).

El uranio es un elemento químico metálico de color plateado-grisáceo de la serie de los actínidos, su símbolo químico es U y su número atómico es 92. Por ello posee 92 protones y 92 electrones, con una valencia de 6. Su núcleo puede contener entre 140 y 146 neutrones, sus isótopos más abundantes son el 238U que posee 146 neutrones y el 235U con 143 neutrones. El uranio tiene el mayor peso atómico de entre todos los elementos que se encuentran en la naturaleza. El uranio es aproximadamente un 70 % más denso que el plomo, aunque menos denso que el oro y el tungsteno. Es levemente radiactivo. Fue descubierto como óxido en 1789 por M. H. Klaproth, que lo llamó así en honor al planeta Urano, que acababa de ser descubierto en 1781.

Protactinio ← Uranio → Neptunio
 
 
92		 U
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Tabla completa • Tabla ampliada

Una pieza de uranio altamente enriquecido que se recuperó de la chatarra procesada en la planta del Complejo de Seguridad Nacional Y-12.
Información general
Nombre, símbolo, número Uranio, U, 92
Serie química Actínidos
Grupo, período, bloque -, 7, f
Masa atómica 238,0346 u
Configuración electrónica [Rn] 5f3 6d1 7s2
Electrones por nivel 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2 (imagen)
Apariencia Metal blanco plateado
Propiedades atómicas
Radio medio 175 pm
Electronegatividad 1.38 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc) 156 pm (radio de Bohr)
Radio covalente 196±7 pm
Radio de van der Waals 186 pm
Estado(s) de oxidación 6, 5, 4, 3[1]​ (base débil)
1.ª energía de ionización 597,6 kJ/mol
2.ª energía de ionización 1420 kJ/mol
3.ª energía de ionización 1920 kJ/mol
Propiedades físicas
Estado ordinario Sólido
Densidad 19050 kg/m3
Punto de fusión 1406 K (1133 °C)
Punto de ebullición 4203 K (3930 °C)
Entalpía de vaporización 417 kJ/mol
Entalpía de fusión 15,48 kJ/mol
Varios
Estructura cristalina ortorrómbica
Calor específico 120 J/(kg·K)
Conductividad eléctrica 3,8 × 106 S/m
Conductividad térmica 27,6 W/(m·K)
Velocidad del sonido 3155 m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del uranio
iso AN Periodo MD Ed PD
MeV
232USintético68,9 aα & FE5.414228Th
233USintético159200 aα & FE4.909229Th
234U0,0054 %245500 aα & FE4.859230Th
235U0,7204 %7,038 × 108 aα & FE4,679231Th
236USintético2,342 × 107 aα & FE4,572232Th
238U99.2742 %4,51 × 109 aα & FE4,270234Th
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.
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Características

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Una pechblenda, una variedad grande de uraninita siendo uno los principales minerales del uranio

En la naturaleza se presenta en muy bajas concentraciones (unas pocas partes por millón o ppm) en rocas, tierras, agua y los seres vivos. Para su uso el uranio debe ser extraído y concentrado a partir de minerales que lo contienen, como por ejemplo la uraninita (ver minería del uranio). Las rocas son tratadas químicamente para separar el uranio, convirtiéndolo en compuestos químicos de uranio. El residuo se denomina estéril. Esos estériles contienen las mismas sustancias radioactivas que poseía el mineral original y que no fueron separadas, como el radio, el torio y el potasio.

El uranio natural está formado por tres tipos de isótopos: uranio-238 (238U), uranio-235 (235U) y uranio-234 (234U). De cada gramo de uranio natural el 99,284 % de la masa es uranio-238, el 0,711 % uranio-235,[2]​ y el 0,0085 % uranio-234. La relación uranio-238/uranio-235 es constante en la corteza terrestre, salvo ciertas excepciones, como ocurre en los yacimientos de Oklo donde hay evidencias de que hace unos 2000 millones de años se produjeron reactores nucleares naturales.

El uranio decae muy lentamente emitiendo una partícula alfa. El periodo de semidesintegración del uranio-238 es aproximadamente 4470 millones de años y el del uranio-235 es 704 millones de años,[3]​ lo que los convierte en útiles para estimar la edad de la Tierra (datación uranio-torio y datación uranio-plomo). Muchos usos contemporáneos del uranio hacen uso de estas propiedades nucleares únicas. El uranio-235 se distingue por ser el único elemento que se encuentra en la naturaleza que es un isótopo fisionable. El uranio-238 es fisionable por neutrones rápidos, y también es un material fértil (que puede transmutarse en un reactor nuclear en plutonio-239 que es fisionable). Es posible producir el isótopo fisionable artificial, uranio-233, a partir de torio natural, lo que desempeña un rol importante en la tecnología nuclear. Mientras que el uranio-238 posee una pequeña probabilidad de fisión espontánea o al ser bombardeado por neutrones rápidos, el uranio-235 posee una mayor probabilidad de fisionarse al ser bombardeado por neutrones térmicos, por lo que es la principal reacción responsable de la generación de calor en un reactor nuclear, y es la principal fuente de material fisible para las armas nucleares. Ambos usos son posibles por la capacidad del uranio de sostener una reacción nuclear en cadena.

El uranio, fundamentalmente el U-238, desempeña un papel fundamental en conservar el campo magnético terrestre.[4]​

El uranio empobrecido (uranio-238) es utilizado en penetradores de energía cinética y protecciones para vehículos blindados.[5]​

El 235U se utiliza como combustible en centrales nucleares y en algunos diseños de armamento nuclear. Para producir combustible, el uranio natural es separado en dos porciones. La porción combustible tiene más 235U de lo normal, denominándose uranio enriquecido, mientras que la porción sobrante, con menos U235 de lo normal, se llama uranio empobrecido. El uranio natural, el enriquecido y el empobrecido son químicamente idénticos. El uranio empobrecido es el menos radiactivo y el enriquecido el más radiactivo.

En el año 2009, la sonda japonesa SELENE descubrió por primera vez indicios de uranio en la Luna.

Origen

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Junto con todos los elementos con pesos atómicos superiores al del hierro, el uranio se origina de forma natural durante las explosiones de las supernovas. El proceso físico determinante en el colapso de una supernova es la gravedad. Los valores tan elevados de gravedad que se dan en las supernovas son los que generan las capturas neutrónicas que dan lugar a átomos más pesados, entre ellos el uranio y el protactinio.

Reservas de uranio

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La producción mundial de uranio fue en 2009 de 50 572 toneladas, de las que el 27,3 % se extrajo en minas de Kazajistán, el 20,1 % en Canadá, el 15,7 % en Australia, el 9,1 % en Namibia, el 7 % en Rusia, y el 6,4 % en Níger.[6]​

La OCDE y el OIEA publican periódicamente un informe llamado Uranium: Resources, Production and Demand, conocido como "Red Book",[7]​ donde se hace una estimación de las reservas mundiales de uranio por países. Los grandes productores son Canadá, Australia, Kazajistán, Rusia, Níger, República Democrática del Congo, Namibia y Brasil. También hay prospecciones y yacimientos de uranio en distintos países como Colombia (en la serranía del Perijá, en la frontera compartida con Venezuela.[8]​), Perú (en la provincia de Carabaya en la región Puno), Argentina (con minas confirmadas en todo el país.[9]​) y España, entre otras zonas.

Según este informe, los recursos mundiales de uranio son suficientes para satisfacer las necesidades actuales hasta un máximo de ochenta y cinco años. Se estima que la cantidad total de existencias de uranio convencional, que puede ser explotado por menos de 130 USD por kg, es de unos 4,7 millones de toneladas, que permitirían abastecer la demanda de uranio para generación nuclear de electricidad durante 85 años. Sin embargo, los recursos mundiales de uranio en total se consideran mucho más altos. Basándose en la evidencia geológica y el conocimiento de los fosfatos de uranio, el estudio considera más de 35 millones de toneladas disponibles para su explotación.

Producción mundial

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Producción mundial en 2020, en toneladas por año
1. Kazajistán  Kazajistán 19477
2.   Australia 6203
3. Namibia  Namibia 5413
4. Canadá  Canadá 3885
5. Uzbekistán  Uzbekistán 3500
6. Níger  Níger 2991
7. Rusia  Rusia 2846
8. China  China 1885
9. Ucrania  Ucrania 744
10.   Estados Unidos 6

Fuente: World Nuclear.

Aplicación

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El principal uso del uranio en la actualidad es como combustible para los reactores nucleares que producen el 3 % de la energía generada por el ser humano en el mundo.[cita requerida] Para ello, el uranio es enriquecido aumentando la proporción del isótopo U235 desde el 0,71 % que presenta en la naturaleza hasta valores en el rango 3-5 %. Cabe destacar que para alcanzar una explosión nuclear hace falta una proporción del 90% de U235 esto hace que los reactores nucleares no puedan explotar de forma nuclear aunque sí pueden producirse explosiones físicas o químicas.

El uranio empobrecido (con una proporción de U-235 inferior a la natural), producido como producto de desecho tras la utilización del uranio en centrales nucleares, es usado en la producción de municiones perforadoras y blindajes de alta resistencia; debido principalmente a su elevada densidad (unos 19 g/cm³), su fragmentación en trozos afilados y sobre todo a que es pirofórico (entra en combustión de forma espontánea al entrar en contacto con el aire a 600 °C aproximadamente). Su uso además conlleva la dispersión de contaminación radiactiva, como ocurrió durante la Primera Guerra del Golfo.[10]​

 
Uranio en bruto

Otros usos incluyen:

  • Por su alta densidad, se utiliza el uranio en la construcción de estabilizadores para aviones, satélites artificiales y veleros (balastos/quillas).
  • Se ha utilizado uranio como agregado para la creación de cristales de tonos fluorescentes verdes o amarillos.
  • El largo periodo de semi-desintegración del isotopo 238U se utiliza para estimar la edad de la Tierra.
  • El 238U se convierte en plutonio en los reactores reproductores. El plutonio puede ser usado en reactores o en armas nucleares.
  • Algunos accesorios luminosos utilizan uranio, del mismo modo que lo hacen algunos químicos fotográficos (nitrato de uranio).
  • Su alto peso atómico hace que el 238U pueda ser utilizado como un eficaz blindaje contra las radiaciones de alta penetración.
  • El uranio en estado metálico es usado para los blancos de rayos X, para hacer rayos X de alta energía.
  • El uranio empobrecido se usa como blindaje en los carros de combate modernos, también los misiles llevan uranio empobrecido en su espolón.
  • Fertilizantes de fosfato a menudo contienen altos contenidos de uranio natural, debido a que el mineral del cual son hechos es típicamente alto en uranio.[11]​

La exposición humana

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Una persona puede estar expuesta al uranio (o a sus descendientes radiactivos como el radón) por la inhalación de polvo en el aire o por la ingestión de agua[12]​ y alimentos contaminados. La cantidad de uranio en el aire es muy pequeña, sin embargo, las personas que trabajan en las fábricas de procesado de fosfatos o fertilizantes, o además viven cerca de instalaciones donde se hicieron pruebas de armas nucleares, viven o trabajan cerca de un campo de batalla moderno donde se ha utilizado uranio empobrecido,[13]​ o que viven o trabajan cerca de la exposición de una central térmica de carbón, las instalaciones de las minas de mineral de uranio, o instalaciones de enriquecimiento de uranio para combustible, pueden haber aumentado su exposición al uranio.[14]​ Casas o estructuras que están sobre los depósitos de uranio (naturales o depósitos artificiales de escoria) pueden tener un aumento de la incidencia de la exposición al gas radón.

La mayoría del uranio ingerido se excreta naturalmente. Solo el 0,5 % es absorbido cuando se ingieren formas insolubles de uranio, como el óxido, mientras que la absorción de los más solubles como los iones uranilo puede ser de hasta un 5 %.[15]​ Sin embargo, los compuestos solubles de uranio tienden a pasar rápidamente a través de todo el cuerpo mientras que los compuestos de uranio insolubles, en especial cuando se inhala polvo en los pulmones, representan un riesgo de exposición más grave. Después de entrar en el torrente sanguíneo, el uranio absorbido tiende a la bioacumulación y la estancia durante muchos años en los tejidos óseos debido a la afinidad de uranio para los fosfatos.[15]​ El uranio no se absorbe a través de la piel, y las partículas alfa liberadas por el uranio no pueden penetrar la piel.

Genotóxicos mutágenos procedentes de la exposición al uranio pueden ser tratado con terapia de quelación[16]​ o por otros medios poco después de la exposición.[17]​ El uranio asimilado se convierte en iones uranilo, que se acumulan en los huesos, el hígado, los riñones y los tejidos reproductivos. El uranio puede ser descontaminado de las superficies de acero[18]​ y acuíferos.[19]​

Efectos

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El funcionamiento normal del riñón, el cerebro, el hígado, el corazón, y otros sistemas puede verse afectado por la exposición al uranio, porque, además de ser débilmente radiactivo, el uranio es un metal altamente tóxico incluso en pequeñas cantidades.[15]​[20]​[21]​ El uranio también es tóxico para la reproducción.[22]​[23]​ Los efectos radiológicos son generalmente locales ya que la radiación alfa, la principal forma de descomposición del U-238, tiene un alcance muy corto y no penetra en la piel. Los compuestos de uranio, en general, son mal absorbidos por el revestimiento de los pulmones y pueden seguir siendo un peligro radiológico por tiempo indefinido. [cita requerida]. Los iones uranilo UO2+, como los del trióxido de uranio o de nitrato de uranilo y de uranio, han demostrado causar defectos de nacimiento y daño al sistema inmunitario en animales de laboratorio,[24]​ mientras que el CDC ha publicado un estudio que dice que no ha sido probado ningún cáncer en seres humanos consecuencia de la exposición a los desastres naturales.[25]​ La exposición al uranio y sus productos de desintegración, especialmente el radón, es ampliamente conocida así como las amenazas para la salud.[26]​ La exposición al estroncio-90, yodo-131, y otros productos de fisión no está relacionada con la exposición al uranio, pero puede resultar de los procedimientos médicos o la exposición al combustible nuclear gastado o consecuencias del uso de armas nucleares.[27]​

Aunque la exposición a la inhalación accidental de una alta concentración de hexafluoruro de uranio ha causado la muerte de personas, esas muertes se asociaron con la generación de ácido fluorhídrico y fluoruro de uranilo altamente tóxicos y no al propio uranio.[28]​ El uranio metálico finamente dividido presenta un peligro de incendio porque las partículas pequeñas pueden inflamarse espontáneamente en el aire a temperatura ambiente.[29]​

Recopilación del estudio de 2004 sobre la toxicidad del uranio[20]​
Sistema corporal Estudios en humanos Estudios en animales In vitro
Renal Niveles elevados de excreción de proteínas, catalasa urinaria y la diuresis. Daño a los túbulos contorneados proximales, células necróticas emitidas desde el epitelio tubular, cambios glomerulares. No hay estudios.
Cerebro / CNS Disminución del rendimiento en las pruebas neurocognitivas. Toxicidad aguda colinérgica; dosis-dependiente de la acumulación en la corteza, el cerebro medio y vermis; cambios electrofisiológicos en el hipocampo. No hay estudios.
ADN Distintos tipos de cáncer[30]​[31]​[32]​[33]​[34]​[35]​ La mutagenicidad en orina y la inducción de tumores aumentaron.

Células binucleadas | con micronúcleos, inhibición de la cinética del ciclo celular y la proliferación, la inducción de cromátidas hermanas, fenotipo oncogénico.

Ósea o muscular No hay estudios. Inhibición de la formación de hueso periodontal y de la cicatrización de la herida alveolar. No hay estudios.
Reproductiva Los mineros del uranio tienen más hijas primogénitas. Vacuolización moderada a grave, atrofia tubular focal, de células de Leydig. No hay estudios.
Pulmones / respiratorio No hay efectos de salud adversos. Grave congestión nasal y hemorragia, lesiones pulmonares y fibrosis, edema e inflamación, cáncer de pulmón. No hay estudios
Gastrointestinales Vómito, diarrea, albuminuria. N / A N / A
Hígado No hay efectos observados en la dosis de exposición. Hígados grasos, necrosis focal. No hay estudios.
Piel No hay datos disponibles de evaluación a la exposición. Células inflamadas vacuolado epidérmica, daños a los folículos pilosos y glándulas sebáceas. No hay estudios.
Los tejidos que rodean incrustados fragmentos de uranio empobrecido. Concentraciones elevadas de uranio en la orina. Concentraciones elevadas de uranio en la orina, perturbaciones en la bioquímica y las pruebas neuropsicológicas. No hay estudios.
Sistema inmune Fatiga crónica, erupciones cutáneas, infecciones de oídos y ojos, el pelo y pérdida de peso, tos. Puede deberse a la exposición química combinada en lugar de solo DU. No hay estudios. No hay estudios.
Ojos No hay estudios. Conjuntivitis, irritación de la inflamación, edema, ulceración de los sacos conjuntivales. No hay estudios.
Sangre No hay estudios. Disminución en el recuento de glóbulos rojos y la concentración de hemoglobina. No hay estudios.
Cardiovascular Miocarditis derivada de la ingestión de uranio, que concluyó 6 meses después de la ingestión. No hay efectos. No hay estudios.

Las centrales nucleares no contaminan la atmósfera, sin embargo, generan una cierta cantidad de residuos radiactivos. Estos residuos son perjudiciales para la salud y el medio ambiente, por lo tanto, deben ser almacenados en áreas especiales durante cierto tiempo, algunos unos pocos años y otros miles de años. Los esfuerzos actualmente se centran en reciclar estos residuos con notables éxitos como el reactor BN-800 y los combustibles MOX, en un futuro se espera abandonar el Uranio y sustituirlo por combustibles nucleares que generen menos residuos o cantidades despreciables.

Referencias

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  1. ↑ Morss, L.R.; Edelstein, N.M. and Fuger, J., ed. (2006). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (3rd edición). Netherlands: Springer. ISBN 9048131464. 
  2. ↑ «Health Concerns about Military Use of Depleted Uranium» (PDF). Archivado desde el original el 19 de abril de 2011. 
  3. ↑ «WWW Table of Radioactive Isotopes». Archivado desde el original el 27 de abril de 2007. 
  4. ↑ http://diarium.usal.es/guillermo/files/2014/02/MundoCientificoMarzo2001UranioMitosyRealidades.pdf : El uranio, mitos y realidades. Mundo Científico. Marzo 2001.
  5. ↑ Emsley, Nature's Building Blocks (2001), page 479.
  6. ↑ Proyecto de mina de Uranio en España «World Uranium Mining». World Nuclear Association. Archivado desde el original el 26 de diciembre de 2018. Consultado el 11 de junio de 2010. 
  7. ↑ Rebook Ghana 2010
  8. ↑ «Exploración de Uranio en Venezuela». Archivado desde el original el 22 de noviembre de 2009. Consultado el 15 de enero de 2012. 
  9. ↑ «Minas de uranio en la Argentina confirmadas por la YPF». 
  10. ↑ El uranio empobrecido
  11. ↑ «Enusa Industrias Avanzadas». Archivado desde el original el 13 de diciembre de 2009. 
  12. ↑ Quesada-González, Daniel; Jairo, Grace A.; Blake, Robert C.; Blake, Diane A.; Merkoçi, Arben (1 de noviembre de 2018). «Uranium (VI) detection in groundwater using a gold nanoparticle/paper-based lateral flow device». Scientific Reports (en inglés) 8 (1). ISSN 2045-2322. doi:10.1038/s41598-018-34610-5. Consultado el 3 de diciembre de 2018. 
  13. ↑ El uranio empobrecido y el síndrome de los Balcanes.
  14. ↑ «Radiation Information for Uranium». U.S. Environmental Protection Agency. Consultado el 31 de julio de 2009. 
  15. ↑ a b c Emsley, 2001, p. 477.
  16. ↑ Sawicki, M; Lecerclé, D; Grillon, G; Le Gall, B; Sérandour, AL; Poncy, JL; Bailly, T; Burgada, R et al. (2008). «Bisphosphonate sequestering agents. Synthesis and preliminary evaluation for in vitro and in vivo uranium(VI) chelation.». European journal of medicinal chemistry 43 (12): 2768-77. PMID 18313802. doi:10.1016/j.ejmech.2008.01.018. 
  17. ↑ Spagnul, A; Bouvier-Capely, C; Phan, G; Rebière, F; Fattal, E (2009). «Calixarene-entrapped nanoemulsion for uranium extraction from contaminated solutions.». Journal of pharmaceutical sciences: n/a. PMID 19780139. doi:10.1002/jps.21932. 
  18. ↑ Francis, AJ; Dodge, CJ; McDonald, JA; Halada, GP (2005). «Decontamination of uranium-contaminated steel surfaces by hydroxycarboxylic acid with uranium recovery.». Environmental science & technology 39 (13): 5015-21. PMID 16053105. 
  19. ↑ Wu, WM; Carley, J; Gentry, T; Ginder-Vogel, MA; Fienen, M; Mehlhorn, T; Yan, H; Caroll, S et al. (2006). «Pilot-scale in situ bioremedation of uranium in a highly contaminated aquifer. 2. Reduction of u(VI) and geochemical control of u(VI) bioavailability.». Environmental science & technology 40 (12): 3986-95. PMID 16830572. 
  20. ↑ a b E. S. Craft, A. W. Abu-Qare, M. M. Flaherty, M. C. Garofolo, H. L. Rincavage, M. B. Abou-Donia (2004). «Depleted and natural uranium: chemistry and toxicological effects». Journal of Toxicology and Environmental Health Part B: Critical Reviews 7 (4): 297-317. doi:10.1080/10937400490452714. 
  21. ↑ «Toxicological Profile for Uranium» (PDF). Atlanta, GA: Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). 1999. CAS# 7440-61-1 mes=September. 
  22. ↑ Hindin, et al. (2005) "Teratogenicity of depleted uranium aerosols: A review from an epidemiological perspective," Environ Health, vol. 4, pp. 17
  23. ↑ Arfsten, D.P.; K.R. Still; G.D. Ritchie (2001). «A review of the effects of uranium and depleted uranium exposure on reproduction and fetal development». Toxicology and Industrial Health 17 (5–10): 180-91. PMID 12539863. doi:10.1191/0748233701th111oa. 
  24. ↑ Domingo, J. (2001) "Reproductive and developmental toxicity of natural and depleted uranium: a review," Reproductive Toxicology, vol. 15, pp. 603–609, doi: 10.1016/S0890-6238(01)00181-2 PMID 2711400
  25. ↑ «Public Health Statement for Uranium». CDC. Archivado desde el original el 2 de febrero de 2007. Consultado el 15 de febrero de 2007. 
  26. ↑ Emsley, 2001, p. 480
  27. ↑ Chart of the Nuclides, US Atomic Energy Commission 1968.
  28. ↑ Richard C. Dart (2004). Medical Toxicology. Lippincott Williams & Wilkins. p. 1468. ISBN 0781728452. 
  29. ↑ C. R. Hammond (2000). The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition. CRC press. ISBN 0849304814. 
  30. ↑ The History of Uranium Mining and the Navajo People
  31. ↑ Lung Cancer in a Nonsmoking Underground Uranium Miner
  32. ↑ Uranium mining and lung cancer in Navajo men
  33. ↑ Navajo Uranium Workers and the Effects of Occupational Illnesses: A Case Study
  34. ↑ Uranium Mining and Lung Cancer Among Navajo Men in New Mexico and Arizona, 1969 to 1993
  35. ↑ Lung cancer among Navajo uranium miners..

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