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Isótopos de neptunio

El neptunio ( 93 Np) suele considerarse un elemento artificial , aunque en la naturaleza se encuentran trazas, por lo que no se puede dar un peso atómico estándar . Como todo oligoelemento o elemento artificial, no tiene isótopos estables . El primer isótopo sintetizado e identificado fue el 239 Np en 1940, producido mediante bombardeos.238
Ud.
con neutrones para producir239
Ud.
, que luego sufrió desintegración beta para239
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.

Se encuentran trazas en la naturaleza 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 metaestados , siendo el más estable236m
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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 gran cantidad de emisión alfa ), y el modo primario posterior es la emisión beta . Los productos de descomposición 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 del que se conoce la ubicación de la línea de goteo de protones ; el isótopo unido más ligero es 220 Np. [3]

Lista de isótopos

  1. ^ m Np - Isómero nuclear excitado .
  2. ^ ( ) – La incertidumbre (1 σ ) se da de forma concisa entre paréntesis después de los últimos dígitos correspondientes.
  3. ^ # – Masa atómica marcada #: valor e incertidumbre derivados no de datos puramente experimentales, sino al menos en parte de tendencias de Mass Surface (TMS).
  4. ^ Modos de descomposición:
  5. ^ Símbolo en negrita y cursiva como hijo: el producto hijo 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 fisionable
  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 de 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 descomponerse mediante los siguientes métodos:

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

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 matriz237
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. [18] Es por esta razón que a pesar de su baja masa crítica y su alta sección transversal de neutrones, no se ha investigado extensamente 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, concretamente aquellas que reducen la separación isotópica de237
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o el isómero 236m
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. Las reacciones más favorables para acumular.236
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Se demostró que era irradiación de uranio-238 con protones y deuterones . [19]

Neptunio-237

Esquema de desintegración del neptunio-237 (simplificado)

237
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Se desintegra a través de la serie 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 demostró que era capaz de mantener 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 centrales nucleares 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 la captura sucesiva de neutrones por el uranio-235 (que se fisiona la mayor parte del tiempo, pero no todo el tiempo) como por el uranio-236 , o reacciones (n,2n) en las que se produce una rápida En ocasiones, un neutrón libera a un neutrón del uranio-238 o de los isótopos de plutonio . En el largo plazo,237
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También se forma en el combustible nuclear gastado como producto de la desintegración del americio-241 .

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

materia prima para238
PUproducción

Cuando se expone al bombardeo de neutrones.237
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puede capturar un neutrón, sufrir desintegración beta y convertirse en238
PU
, siendo útil este producto 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 los años 1960 y durante las misiones Apolo para alimentar los instrumentos que los astronautas dejaron en la superficie de la Luna. También se embarcaron generadores termoeléctricos a bordo de sondas del espacio profundo , como las misiones Pioneer 10 y 11 , el programa Voyager , la misión Cassini-Huygens y New Horizons . También suministran energía eléctrica y térmica al Laboratorio Científico de Marte (rover Curiosity) y a la misión Mars 2020 ( rover Perseverance ), ambos explorando la fría superficie 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 vehículos exploradores enfrentan eventos climáticos que pueden obstruir la luz solar durante largos períodos (como las tormentas de polvo marcianas ). Las sondas espaciales y los vehículos espaciales también utilizan la producción de calor del generador para mantener calientes sus instrumentos y sus componentes internos. [21]

Escasez de237
Notario públicoreservas

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 a bordo o irradiar a las personas, lo convierte en el radionucleido elegido para los termogeneradores eléctricos.

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

Reservas de 238
PU
Construidos 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 hoy casi agotados. La extracción y purificación de nuevas cantidades suficientes de237
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de combustibles nucleares irradiados es, por tanto, necesaria para la reanudación de238
PU
producción para 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 mediante la desintegración β del uranio -239 de vida corta y sufre otra desintegración β hasta plutonio -239 . Esta es la ruta principal para producir plutonio, ya que se puede producir 239 U mediante la captura de neutrones en uranio-238 . [22]

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

Referencias

  1. ^ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "La evaluación de propiedades nucleares NUBASE2020" (PDF) . Física China C. 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  2. ^ Peppard, DF; Mason, GW; Gray, PR; Mech, JF (1952). «Ocurrencia de la serie (4n+1) en la naturaleza» (PDF) . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 74 (23): 6081–6084. doi :10.1021/ja01143a074.
  3. ^ ab Zhang, ZY; Gan, ZG; Yang, HB; et al. (2019). "Nuevo isótopo 220 Np: sondeo de la robustez del cierre de la capa N = 126 en neptunio". Cartas de revisión física . 122 (19): 192503. Código bibliográfico : 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 la masa atómica (II) AME2016). Tablas, gráficos y referencias" (PDF) . Física China C. 41 (3): 030003-1–030003-442. doi :10.1088/1674-1137/41/3/030003.
  5. ^ Yang, H; Mamá, L; Zhang, Z; Yang, C; Gan, Z; Zhang, M; et al. (2018). "Propiedades de desintegración alfa del núcleo semimágico 219Np". Letras de Física B. 777 : 212–216. Código Bib : 2018PhLB..777..212Y. doi : 10.1016/j.physletb.2017.12.017 .
  6. ^ Mamá, L.; Zhang, ZY; Gan, ZG; et al. (2020). "Isótopo emisor α de corta duración 222 Np y la estabilidad de la capa mágica N = 126". Cartas de revisión física . 125 (3): 032502. Código bibliográfico : 2020PhRvL.125c2502M. doi : 10.1103/PhysRevLett.125.032502. PMID  32745401. S2CID  220965400.
  7. ^ Sol, MD; et al. (2017). "Nuevo isótopo de vida corta 223Np y ausencia del cierre de la subcapa Z = 92 cerca de N = 126". Letras de Física B. 771 : 303–308. Código Bib : 2017PhLB..771..303S. doi : 10.1016/j.physletb.2017.03.074 .
  8. ^ Huang, TH; et al. (2018). «Identificación del nuevo isótopo 224Np» (pdf) . Revisión Física C. 98 (4): 044302. Código bibliográfico : 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). Si bien 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 vidas medias de al menos cuatro años (el nucleido de vida más larga en el intervalo es radón-222 con una vida media inferior a cuatro días ). El isótopo más longevo del radio, con 1.600 años, merece, por tanto, su inclusión aquí.
  11. ^ Específicamente 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 duración del berkelio-248". Física nuclear . 71 (2): 299. Código bibliográfico : 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 superior a 9 [años]. No hay crecimiento de Cf 248 , y el límite inferior para la vida media β puede fijarse en aproximadamente 10 4 [años]. No se ha detectado actividad alfa atribuible al nuevo isómero. La vida media alfa probablemente sea superior a 300 [años]. ]."
  13. ^ Este es el nucleido más pesado con una vida media de al menos cuatro años antes del " mar de inestabilidad ".
  14. ^ Excluidos los 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 113Cd 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, antes de Cristo (2017). "Un examen de la posible posibilidad de armamento de bombas de fisión de nucleidos distintos del 235 U y el 239 Pu". Revista Estadounidense de Física . 85 : 38–44. doi : 10.1119/1.4966630.
  17. ^ Análisis de la reutilización del uranio recuperado del reprocesamiento de combustible gastado LWR comercial, Departamento de Energía de Estados Unidos, Laboratorio Nacional Oak Ridge.
  18. ^ ** Jukka Lehto; Xiaolin Hou (2011). "15.15: Neptunio". Química y análisis de radionucleidos (1ª ed.). John Wiley e hijos . 231.ISBN​ 978-3527633029.
  19. ^ ab Jerome, SM; Ivanov, P.; Larijani, C.; Parker, DJ; Reagan, PH (2014). "La producción de Neptunio-236g". Revista de radiactividad ambiental . 138 : 315–322. doi :10.1016/j.jenvrad.2014.02.029. PMID  24731718.
  20. ^ P. Weiss (26 de octubre de 2002). "¿Neptunium Nukes? El metal poco estudiado se vuelve crítico". Noticias de ciencia . 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: buscando desesperadamente plutonio". Naturaleza . 515 (7528): 484–486. Código Bib :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 insignia de película en pruebas nucleares atmosféricas, por el Comité de Dosimetría de insignia de película en pruebas nucleares atmosféricas, Comisión de Ingeniería y Sistemas Técnicos, División de Ingeniería y Ciencias Físicas, Consejo Nacional de Investigaciones. páginas 24-35]
  24. ^ Análisis límite de los efectos del fraccionamiento de radionucleidos en la lluvia radiactiva en la estimación de dosis para veteranos atómicos DTRA-TR-07-5. 2007