Uranio-238 (238
tú
El uranio-238 o U-238 ) es el isótopo más común del uranio que se encuentra en la naturaleza, con una abundancia relativa del 99%. A diferencia del uranio-235 , no es fisible, lo que significa que no puede sostener una reacción en cadena en un reactor de neutrones térmicos . Sin embargo, es fisionable por neutrones rápidos y es fértil , lo que significa que puede transmutarse en plutonio-239 fisible . El 238 U no puede sostener una reacción en cadena porque la dispersión inelástica reduce la energía de los neutrones por debajo del rango donde es probable la fisión rápida de uno o más núcleos de próxima generación. El ensanchamiento Doppler de las resonancias de absorción de neutrones del 238 U , que aumenta la absorción a medida que aumenta la temperatura del combustible, también es un mecanismo de retroalimentación negativa esencial para el control del reactor.
Alrededor del 99,284% de la masa del uranio natural es uranio-238, que tiene una vida media de 1,41 × 1017 segundos (4,468 × 109 años, o 4.468 mil millones de años). [1] Debido a su abundancia natural y vida media relativa a otros elementos radiactivos , el 238 U produce ~40% del calor radiactivo producido dentro de la Tierra. [2] La cadena de desintegración del 238 Ucontribuye con seis antineutrinos electrónicos pornúcleo de 238 U (uno por desintegración beta ), lo que resulta en una gran señal de geoneutrinos detectable cuando se producen desintegraciones dentro de la Tierra. [3] La desintegración del 238 U en isótopos hijos se utiliza ampliamente en la datación radiométrica , en particular para material con una antigüedad superior a aproximadamente 1 millón de años.
El uranio empobrecido tiene una concentración aún mayor del isótopo 238 U, e incluso el uranio poco enriquecido (LEU), si bien tiene una mayor proporción del isótopo uranio-235 (en comparación con el uranio empobrecido), sigue siendo principalmente 238 U. El uranio reprocesado también es principalmente 238 U, con aproximadamente tanto uranio-235 como el uranio natural, una proporción comparable de uranio-236 y cantidades mucho menores de otros isótopos de uranio como el uranio-234 , el uranio-233 y el uranio-232 . [4]
En un reactor nuclear de fisión , el uranio-238 se puede utilizar para generar plutonio-239 , que a su vez se puede utilizar en un arma nuclear o como suministro de combustible para un reactor nuclear. En un reactor nuclear típico, hasta un tercio de la energía generada proviene de la fisión de 239 Pu, que no se suministra como combustible al reactor, sino que se produce a partir de 238 U. [5] Una cierta cantidad de producción de239
Pu de238
El U es inevitable dondequiera que esté expuesto a la radiación de neutrones . Dependiendo de la temperatura de combustión y de los neutrones , diferentes proporciones de la239
Los Pu se convierten en240
Pu , que determina el "grado" del plutonio producido, que va desde el grado de armas , pasando por el grado de reactor , hasta el plutonio de tan alto contenido240
Pu que no puede utilizarse en los reactores actuales que funcionan con un espectro de neutrones térmicos. En este último caso, normalmente se utiliza combustible MOX "reciclado" que entró en el reactor con cantidades significativas de plutonio [ cita requerida ] .
El 238 U puede producir energía mediante una fisión "rápida" . En este proceso, un neutrón con una energía cinética superior a 1 MeV puede provocar la división del núcleo del 238 U. Según el diseño, este proceso puede contribuir con entre el uno y el diez por ciento de todas las reacciones de fisión en un reactor, pero muy pocos de los 2,5 neutrones promedio [6] producidos en cada fisión tienen la velocidad suficiente para continuar una reacción en cadena.
El 238 U puede utilizarse como material de partida para la creación de plutonio-239, que a su vez puede emplearse como combustible nuclear. Los reactores reproductores llevan a cabo este proceso de transmutación para convertir el isótopo fértil 238 U en 239 Pu fisible . Se ha estimado que hay entre 10.000 y cinco mil millones de años de 238 U para su uso en estas centrales eléctricas . [7] La tecnología de reactores reproductores se ha utilizado en varios reactores nucleares experimentales. [8]
En diciembre de 2005, el único reactor reproductor que producía energía era el reactor BN-600 de 600 megavatios en la central nuclear de Beloyarsk en Rusia. Rusia construyó más tarde otra unidad, BN-800 , en la central nuclear de Beloyarsk, que entró en pleno funcionamiento en noviembre de 2016. Además, el reactor reproductor Monju de Japón , que ha estado inoperativo durante la mayor parte del tiempo desde que se construyó originalmente en 1986, recibió la orden de desmantelamiento en 2016, después de que se descubrieran riesgos de seguridad y diseño, con una fecha de finalización fijada para 2047. Tanto China como la India han anunciado planes para construir reactores reproductores nucleares. [ cita requerida ]
El reactor reproductor, como su nombre lo indica, crea cantidades aún mayores de 239 Pu o 233 U que el reactor nuclear de fisión. [ cita requerida ]
El reactor avanzado limpio y ambientalmente seguro (CAESAR), un concepto de reactor nuclear que utilizaría vapor como moderador para controlar los neutrones retardados , podría potencialmente utilizar 238 U como combustible una vez que el reactor se ponga en marcha con combustible de uranio poco enriquecido (LEU). Este diseño todavía se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. [ cita requerida ]
Uranio natural, con un 0,711%235
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, se puede utilizar como combustible nuclear en reactores diseñados específicamente para hacer uso del uranio natural, como los reactores CANDU . Al hacer uso del uranio no enriquecido, estos diseños de reactores dan a una nación acceso a la energía nuclear con el propósito de producir electricidad sin necesidad de desarrollar capacidades de enriquecimiento de combustible, que a menudo se consideran un preludio a la producción de armas [ cita requerida ] .
El 238 U también se utiliza como escudo contra la radiación : su radiación alfa se detiene fácilmente por la envoltura no radiactiva del blindaje y el alto peso atómico del uranio y el alto número de electrones son muy eficaces para absorber los rayos gamma y los rayos X. No es tan eficaz como el agua común para detener los neutrones rápidos . Tanto el uranio empobrecido metálico como el dióxido de uranio empobrecido se utilizan para el blindaje contra la radiación. El uranio es aproximadamente cinco veces mejor como escudo contra los rayos gamma que el plomo , por lo que se puede colocar un escudo con la misma eficacia en una capa más delgada. [ cita requerida ]
Se está investigando el DUCRETE , un hormigón elaborado con agregado de dióxido de uranio en lugar de grava, como material para sistemas de almacenamiento en contenedores secos para almacenar residuos radiactivos . [ cita requerida ]
El proceso opuesto al enriquecimiento es la degradación . El excedente de uranio altamente enriquecido se puede degradar con uranio empobrecido o uranio natural para convertirlo en uranio poco enriquecido adecuado para su uso en combustible nuclear comercial.
El 238 U del uranio empobrecido y del uranio natural también se utiliza con el 239 Pu reciclado de los arsenales de armas nucleares para fabricar combustible de óxido mixto (MOX), que ahora se está redirigiendo para convertirse en combustible para reactores nucleares. Esta dilución, también llamada downblending, significa que cualquier nación o grupo que adquiera el combustible terminado tendría que repetir el costoso y complejo proceso de separación química del uranio y el plutonio antes de ensamblar un arma. [ cita requerida ]
La mayoría de las armas nucleares modernas utilizan 238 U como material de "manipulación" (véase diseño de armas nucleares ). Un material de manipulación que rodea un núcleo fisible funciona para reflejar neutrones y agregar inercia a la compresión de la carga de 239 Pu. Como tal, aumenta la eficiencia del arma y reduce la masa crítica requerida. En el caso de un arma termonuclear , el 238 U se puede utilizar para encapsular el combustible de fusión; el alto flujo de neutrones muy energéticos de la reacción de fusión resultante hace que los núcleos de 238 U se dividan y agregue más energía al "rendimiento" del arma. Tales armas se denominan armas de fisión-fusión-fisión según el orden en que tiene lugar cada reacción. Un ejemplo de este tipo de arma es Castle Bravo .
La mayor parte de la potencia explosiva total de este diseño proviene de la etapa final de fisión alimentada por 238 U, que produce enormes cantidades de productos de fisión radiactivos . Por ejemplo, se estima que el 77% de la potencia de 10,4 megatones de la prueba termonuclear Ivy Mike en 1952 provino de la fisión rápida del tamper de uranio empobrecido . Como el uranio empobrecido no tiene masa crítica, se puede añadir a las bombas termonucleares en cantidades casi ilimitadas. La prueba de la bomba Tsar por la Unión Soviética en 1961 produjo "sólo" 50 megatones de potencia explosiva, más del 90% de los cuales provinieron de la fusión porque la etapa final de 238 U había sido reemplazada por plomo. Si se hubiera utilizado 238 U en su lugar, la potencia de la bomba Tsar podría haber sido muy superior a los 100 megatones, y habría producido una lluvia radiactiva equivalente a un tercio del total mundial que se había producido hasta ese momento.
La cadena de desintegración del 238 U se denomina comúnmente " serie del radio " (a veces "serie del uranio"). Esta serie, que comienza con el uranio-238 de origen natural, incluye los siguientes elementos: astato , bismuto , plomo , polonio , protactinio , radio , radón , talio y torio . Todos los productos de desintegración están presentes, al menos de forma transitoria, en cualquier muestra que contenga uranio, ya sea metal, compuesto o mineral. La desintegración se produce de la siguiente manera:
La vida media del 238 U es 1,41 × 1017 segundos dividido por ln(2) ≈ 0,693 (o multiplicado por 1/ln(2) ≈ 1,443), es decir, aproximadamente 2 × 1017 segundos, por lo que 1 mol de 238 U emite 3 × 106 partículas alfa por segundo, produciendo la misma cantidad de átomos de torio-234 . En un sistema cerrado se alcanzaría un equilibrio, con todas las cantidades excepto plomo-206 y 238 U en proporciones fijas, en cantidades que disminuyen lentamente. La cantidad de 206 Pb aumentará en consecuencia mientras que la de 238 U disminuirá; todos los pasos en la cadena de desintegración tienen esta misma tasa de 3 × 106 partículas desintegradas por segundo por mol 238 U.
El torio-234 tiene una vida media de 3 × 106 segundos, por lo que hay equilibrio si un mol de 238 U contiene 9 × 1012 átomos de torio-234, que son 1,5 × 10−11 moles (la relación entre las dos vidas medias). De manera similar, en un equilibrio en un sistema cerrado, la cantidad de cada producto de desintegración, excepto el producto final, plomo, es proporcional a su vida media.
Aunque el 238 U es mínimamente radiactivo, sus productos de desintegración, el torio-234 y el protactinio-234, son emisores de partículas beta con vidas medias de unos 20 días y un minuto respectivamente. El protactinio-234 se desintegra en uranio-234, que tiene una vida media de cientos de milenios, y este isótopo no alcanza una concentración de equilibrio durante un tiempo muy largo. Cuando los dos primeros isótopos de la cadena de desintegración alcanzan sus concentraciones de equilibrio relativamente pequeñas, una muestra de 238 U inicialmente puro emitirá tres veces la radiación debida al propio 238 U, y la mayor parte de esta radiación son partículas beta.
Como ya se mencionó anteriormente, al comenzar con 238 U puro, dentro de una escala de tiempo humana, el equilibrio se aplica solo para los primeros tres pasos en la cadena de desintegración. Por lo tanto, para un mol de 238 U, 3 × 10Seis veces por segundo se producen una partícula alfa, dos partículas beta y un rayo gamma, que en conjunto producen 6,7 MeV, a una velocidad de 3 μW. [10] [11]
El átomo de 238 U es en sí mismo un emisor gamma a 49,55 keV con una probabilidad del 0,084%, pero esa es una línea gamma muy débil, por lo que la actividad se mide a través de sus nucleidos hijos en su serie de desintegración. [12] [13]
La abundancia de 238 U y su descomposición en isótopos hijos comprende múltiples técnicas de datación de uranio y es uno de los isótopos radiactivos más comunes utilizados en la datación radiométrica . El método de datación más común es la datación uranio-plomo , que se utiliza para datar rocas de más de 1 millón de años y ha proporcionado edades para las rocas más antiguas de la Tierra con 4.4 mil millones de años. [14]
La relación entre 238 U y 234 U da una indicación de la edad de los sedimentos y del agua de mar, que están entre 100.000 años y 1.200.000 años de edad. [15]
El producto hijo del 238 U, el 206 Pb, es una parte integral de la datación plomo-plomo , que es más famosa por la determinación de la edad de la Tierra . [16]
Las naves espaciales del programa Voyager llevan pequeñas cantidades de 238 U inicialmente puro en las cubiertas de sus discos de oro para facilitar la datación de la misma manera. [17]
El uranio emite partículas alfa mediante el proceso de desintegración alfa . La exposición externa tiene un efecto limitado. Una exposición interna significativa a partículas diminutas de uranio o sus productos de desintegración, como el torio-230, el radio-226 y el radón-222 , puede causar graves efectos para la salud, como cáncer de huesos o de hígado.
El uranio también es una sustancia química tóxica, lo que significa que su ingestión puede causar daño renal debido a sus propiedades químicas mucho antes de lo que sus propiedades radiactivas causarían cáncer de huesos o de hígado. [18] [19]
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