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Isótopos del neptunio

El neptunio ( 93 Np) suele considerarse un elemento artificial , aunque se encuentran cantidades traza en la naturaleza, por lo que no se puede dar un peso atómico estándar . Como todos los elementos traza o artificiales, no tiene isótopos estables . El primer isótopo que se sintetizó e identificó fue el 239 Np en 1940, producido mediante bombardeo238
tú
con neutrones para producir239
tú
, que luego sufrió una desintegración beta para239
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.

En la naturaleza se encuentran trazas de este compuesto a partir de reacciones de captura de neutrones por átomos de uranio , un hecho que no se descubrió hasta 1951. [2]

Se han caracterizado veinticinco radioisótopos de neptunio , siendo el más estable237
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con una vida media de 2,14 millones de años,236
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con una vida media de 154.000 años, y235
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con una vida media de 396,1 días. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 4,5 días, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 50 minutos. Este elemento también tiene cinco estados meta , siendo el más estable236 m
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(t 1/2 22,5 horas).

Los isótopos del neptunio varían desde219
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a244
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, aunque el isótopo intermedio221
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Aún no se ha observado. El modo de desintegración primario antes del isótopo más estable,237
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, es la captura de electrones (con una buena cantidad de emisión alfa ), y el modo primario después es la emisión beta . Los productos de desintegración primarios antes237
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son isótopos de uranio y protactinio , y los productos primarios posteriores son isótopos de plutonio . El neptunio es el elemento más pesado para el cual se conoce la ubicación de la línea de goteo de protones ; el isótopo ligado más ligero es 220 Np. [3]

Lista de isótopos

  1. ^ m Np – Isómero nuclear excitado .
  2. ^ ( ) – La incertidumbre (1 σ ) se da en forma concisa entre paréntesis después de los últimos dígitos correspondientes.
  3. ^ # – Masa atómica marcada con #: valor e incertidumbre derivados no de datos puramente experimentales, sino al menos en parte de tendencias de la Superficie de Masa (TMS).
  4. ^ Modos de descomposición:
  5. ^ Símbolo en negrita y cursiva como hija: el producto hija es casi estable.
  6. ^ ( ) valor de giro: indica giro con argumentos de asignación débiles.
  7. ^ ab # – Los valores marcados con # no se derivan puramente de datos experimentales, sino al menos en parte de las tendencias de los nucleidos vecinos (TNN).
  8. ^ Núcleo más pesado conocido, a partir de 2019 , que está más allá de la línea de goteo de protones .
  9. ^ Nuclido fisible
  10. ^ Nuclido más común
  11. ^ ab Producido por captura de neutrones en mineral de uranio
  12. ^ Producto de desintegración intermedia de 244 Pu

Actínidos vs productos de fisión

Isótopos notables

Neptunio-235

El neptunio-235 tiene 142 neutrones y una vida media de 396,1 días. Este isótopo se desintegra por:

Este isótopo del neptunio tiene un peso de 235,044 063 3 u.

Neptunio-236

El neptunio-236 tiene 143 neutrones y una vida media de 154.000 años. Puede desintegrarse mediante los siguientes métodos:

Este isótopo particular del neptunio tiene una masa de 236,04657 u. Es un material fisible ; su masa crítica estimada es de 6,79 kg (15,0 lb), [15] aunque no se dispone de datos experimentales precisos. [16]

236
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se produce en pequeñas cantidades a través de las reacciones de captura (n,2n) y (γ,n) de237
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, [17] Sin embargo, es casi imposible separarlo en cantidades significativas de su matriz.237
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. [18] Es por esta razón que a pesar de su baja masa crítica y alta sección transversal de neutrones, no se ha investigado ampliamente como combustible nuclear en armas o reactores. [16] Sin embargo,236
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Se ha considerado su uso en espectrometría de masas y como trazador radiactivo , porque se desintegra predominantemente por emisión beta con una vida media larga. [19] Se han investigado varias rutas de producción alternativas para este isótopo, a saber, aquellas que reducen la separación isotópica de237
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o el isómero 236 m
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. Las reacciones más favorables para acumular236
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Se ha demostrado que la irradiación de uranio-238 con protones y deuterones es eficaz . [19]

Neptunio-237

Esquema de desintegración del neptunio-237 (simplificado)

237
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se desintegra a través de la serie del neptunio , que termina con talio-205 , que es estable, a diferencia de la mayoría de los otros actínidos , que se desintegran en isótopos estables de plomo .

En 2002,237
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Se ha demostrado que es capaz de sostener una reacción en cadena con neutrones rápidos , como en un arma nuclear , con una masa crítica de alrededor de 60 kg. [20] Sin embargo, tiene una baja probabilidad de fisión al ser bombardeado con neutrones térmicos , lo que lo hace inadecuado como combustible para plantas de energía nuclear de agua ligera (a diferencia de los sistemas impulsados ​​por reactores rápidos o aceleradores , por ejemplo).

Inventario de combustible nuclear gastado

237
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es el único isótopo de neptunio producido en cantidad significativa en el ciclo del combustible nuclear , tanto por captura sucesiva de neutrones por el uranio-235 (que se fisiona la mayoría de las veces, pero no siempre) y el uranio-236 , o reacciones (n,2n) donde un neutrón rápido ocasionalmente suelta un neutrón del uranio-238 o de isótopos de plutonio . A largo plazo,237
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También se forma en el combustible nuclear gastado como producto de desintegración del americio-241 .

237
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Se considera uno de los radionucleidos más móviles en el sitio del depósito de residuos nucleares de Yucca Mountain ( Nevada ), donde prevalecen condiciones oxidantes en la zona no saturada de la toba volcánica por encima del nivel freático .

Materia prima para238
Puproducción

Cuando se expone al bombardeo de neutrones237
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Puede capturar un neutrón, sufrir desintegración beta y convertirse en238
Pu
, siendo este producto útil como fuente de energía térmica en un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG o RITEG) para la producción de electricidad y calor. El primer tipo de generador termoeléctrico SNAP ( Systems for Nuclear Auxiliary Power ) fue desarrollado y utilizado por la NASA en la década de 1960 y durante las misiones Apolo para alimentar los instrumentos dejados en la superficie de la Luna por los astronautas. Los generadores termoeléctricos también se embarcaron a bordo de sondas espaciales profundas como las misiones Pioneer 10 y 11 , el programa Voyager , la misión Cassini-Huygens y New Horizons . También entregan energía eléctrica y térmica al Laboratorio Científico de Marte (rover Curiosity) y a la misión Mars 2020 ( rover Perseverance ), ambos explorando la superficie fría de Marte . Los rovers Curiosity y Perseverance están equipados con la última versión de RTG multimisión , un sistema más eficiente y estandarizado denominado MMRTG .

Estas aplicaciones son económicamente prácticas cuando las fuentes de energía fotovoltaica son débiles o inconsistentes debido a que las sondas están demasiado lejos del sol o los exploradores enfrentan eventos climáticos que pueden obstruir la luz solar durante períodos prolongados (como las tormentas de polvo marcianas ). Las sondas espaciales y los exploradores también hacen uso de la salida de calor del generador para mantener calientes sus instrumentos y componentes internos. [21]

Escasez de237
Notario públicoexistencias

La larga vida media (T ½ ~ 88 años) de238
Pu
y la ausencia de radiación γ que podría interferir con el funcionamiento de los componentes electrónicos de a bordo o irradiar a las personas, lo convierte en el radionúclido preferido para los termogeneradores eléctricos.

237
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es por lo tanto un radionúclido clave para la producción de238
Pu
, lo cual es esencial para las sondas de espacio profundo que requieren una fuente de energía confiable y duradera sin mantenimiento.

Existencias de 238
Pu
Las reservas de uranio acumulado en Estados Unidos desde el Proyecto Manhattan , gracias al complejo nuclear de Hanford (que funcionó en el estado de Washington de 1943 a 1977) y al desarrollo de armas atómicas , están ahora casi agotadas. La extracción y purificación de nuevas cantidades suficientes de uranio237
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Por lo tanto, es necesario que se reanude la producción de combustibles nucleares irradiados.238
Pu
producción con el fin de reponer las existencias necesarias para la exploración espacial mediante sondas robóticas.

Neptunio-239

El neptunio-239 tiene 146 neutrones y una vida media de 2,356 días. Se produce a través de la desintegración β − del uranio-239 de vida corta , y sufre otra desintegración β − para formar plutonio-239 . Esta es la ruta principal para producir plutonio, ya que el 239 U se puede producir mediante captura de neutrones en el uranio-238 . [22]

El uranio-237 y el neptunio-239 se consideran los radioisótopos más peligrosos en el primer período de una hora a una semana después de la lluvia radiactiva de una detonación nuclear, y el 239 Np domina "el espectro durante varios días". [23] [24]

Referencias

  1. ^ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "La evaluación NUBASE2020 de las propiedades nucleares" (PDF) . Chinese Physics C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  2. ^ Peppard, DF; Mason, GW; Gray, PR; Mech, JF (1952). "Presencia de la serie (4n + 1) en la naturaleza" (PDF) . Revista de la Sociedad Química Americana . 74 (23): 6081–6084. doi :10.1021/ja01143a074.
  3. ^ ab Zhang, ZY; Gan, ZG; Yang, HB; et al. (2019). "Nuevo isótopo 220 Np: investigación de la robustez del cierre de la capa N = 126 en el neptunio". Physical Review Letters . 122 (19): 192503. Bibcode :2019PhRvL.122s2503Z. doi :10.1103/PhysRevLett.122.192503. PMID  31144958. S2CID  169038981.
  4. ^ Wang, M.; Audi, G.; Kondev, FG; Huang, WJ; Naimi, S.; Xu, X. (2017). "La evaluación de masa atómica AME2016 (II). Tablas, gráficos y referencias" (PDF) . Chinese Physics C . 41 (3): 030003-1–030003-442. doi :10.1088/1674-1137/41/3/030003.
  5. ^ Yang, H; Ma, L; Zhang, Z; Yang, C; Gan, Z; Zhang, M; et al. (2018). "Propiedades de desintegración alfa del núcleo semimágico 219Np". Physics Letters B . 777 : 212–216. Bibcode :2018PhLB..777..212Y. doi : 10.1016/j.physletb.2017.12.017 .
  6. ^ Ma, L.; Zhang, ZY; Gan, ZG; et al. (2020). "Isótopo emisor de α de vida corta 222 Np y la estabilidad de la capa mágica N = 126". Physical Review Letters . 125 (3): 032502. Bibcode :2020PhRvL.125c2502M. doi :10.1103/PhysRevLett.125.032502. PMID  32745401. S2CID  220965400.
  7. ^ Sun, MD; et al. (2017). "Nuevo isótopo de vida corta 223Np y la ausencia del cierre de la subcapa Z = 92 cerca de N = 126". Physics Letters B . 771 : 303–308. Bibcode :2017PhLB..771..303S. doi : 10.1016/j.physletb.2017.03.074 .
  8. ^ Huang, TH; et al. (2018). "Identificación del nuevo isótopo 224Np" (pdf) . Physical Review C . 98 (4): 044302. Bibcode :2018PhRvC..98d4302H. doi :10.1103/PhysRevC.98.044302. S2CID  125251822.
  9. ^ Asai, M.; Suekawa, Y.; Higashi, M.; et al. Descubrimiento del isómero 234 Np y sus propiedades de desintegración (PDF) (Informe) (en japonés).
  10. ^ Más radio (elemento 88). Aunque en realidad es un subactínido, precede inmediatamente al actinio (89) y sigue un intervalo de inestabilidad de tres elementos después del polonio (84), donde ningún nucleido tiene una vida media de al menos cuatro años (el nucleido de vida más larga en el intervalo es el radón-222 con una vida media de menos de cuatro días ). El isótopo de vida más larga del radio, con 1.600 años, merece por tanto la inclusión del elemento aquí.
  11. ^ En concreto, a partir de la fisión de neutrones térmicos del uranio-235, por ejemplo, en un reactor nuclear típico .
  12. ^ Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). "La vida media alfa del berkelio-247; un nuevo isómero de larga vida del berkelio-248". Física nuclear . 71 (2): 299. Bibcode :1965NucPh..71..299M. doi :10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    "Los análisis isotópicos revelaron una especie de masa 248 en abundancia constante en tres muestras analizadas durante un período de aproximadamente 10 meses. Esto se atribuyó a un isómero de Bk 248 con una vida media mayor de 9 [años]. No se detectó crecimiento de Cf 248 , y un límite inferior para la vida media β − se puede establecer en aproximadamente 10 4 [años]. No se ha detectado actividad alfa atribuible al nuevo isómero; la vida media alfa es probablemente mayor de 300 [años]".
  13. ^ Se trata del nucleido más pesado, con una vida media de al menos cuatro años antes del " mar de inestabilidad ".
  14. ^ Excluyendo aquellos nucleidos " clásicamente estables " con vidas medias significativamente superiores a 232 Th; por ejemplo, mientras que el 113m Cd tiene una vida media de sólo catorce años, la del 113 Cd es de ocho cuatrillones de años.
  15. ^ Informe final, Evaluación de datos de seguridad de criticidad nuclear y límites de actínidos en el transporte (PDF) (Reporte). República de Francia, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents. Archivado desde el original (PDF) el 19 de mayo de 2011.
  16. ^ ab Reed, BC (2017). "Un examen de la potencial armabilidad de nucleidos distintos del 235 U y el 239 Pu como bombas de fisión". American Journal of Physics . 85 : 38–44. doi :10.1119/1.4966630.
  17. ^ Análisis de la reutilización del uranio recuperado del reprocesamiento de combustible gastado de LWR comerciales, Departamento de Energía de los Estados Unidos, Laboratorio Nacional de Oak Ridge.
  18. ^ ** Jukka Lehto; Xiaolin Hou (2011). "15.15: Neptunio". Química y análisis de radionucleidos (1.ª ed.). John Wiley & Sons . 231. ISBN 978-3527633029.
  19. ^ ab Jerome, SM; Ivanov, P.; Larijani, C.; Parker, DJ; Regan, PH (2014). "La producción de neptunio-236g". Revista de radioactividad ambiental . 138 : 315–322. doi :10.1016/j.jenvrad.2014.02.029. PMID  24731718.
  20. ^ P. Weiss (26 de octubre de 2002). «Neutrales de neptunio? Un metal poco estudiado alcanza su punto crítico». Science News . 162 (17): 259. doi :10.2307/4014034. JSTOR  4014034. Archivado desde el original el 26 de mayo de 2024 . Consultado el 7 de noviembre de 2013 .
  21. ^ Witze, Alexandra (27 de noviembre de 2014). "Energía nuclear: búsqueda desesperada de plutonio". Nature . 515 (7528): 484–486. Bibcode :2014Natur.515..484W. doi : 10.1038/515484a . PMID  25428482.
  22. ^ "Tabla periódica de elementos: LANL - Neptunio". Laboratorio Nacional de Los Álamos . Consultado el 13 de octubre de 2013 .
  23. ^ [Dosimetría de placas de película en pruebas nucleares atmosféricas, por el Comité de Dosimetría de Placas de Película en Pruebas Nucleares Atmosféricas, Comisión de Ingeniería y Sistemas Técnicos, División de Ingeniería y Ciencias Físicas, Consejo Nacional de Investigación, págs. 24-35]
  24. ^ Análisis de los efectos del fraccionamiento de radionucleidos en la precipitación radiactiva en la estimación de las dosis a los veteranos atómicos DTRA-TR-07-5. 2007