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Isótopos del uranio

El uranio ( 92 U) es un elemento radiactivo (radioelemento) de origen natural sin isótopos estables . Tiene dos isótopos primordiales , el uranio-238 y el uranio-235 , que tienen vidas medias largas y se encuentran en cantidades apreciables en la corteza terrestre . También se encuentra el producto de desintegración uranio-234 . Otros isótopos como el uranio-233 se han producido en reactores reproductores . Además de los isótopos que se encuentran en la naturaleza o en reactores nucleares, se han producido muchos isótopos con vidas medias mucho más cortas, que van desde el 214 U hasta el 242 U (excepto el 220 U). El peso atómico estándar del uranio natural es238.028 91 (3) .

El uranio natural consta de tres isótopos principales , 238 U (99,2739–99,2752% de abundancia natural ), 235 U (0,7198–0,7202%) y 234 U (0,0050–0,0059%). [5] Los tres isótopos son radiactivos (es decir, son radioisótopos ), y el más abundante y estable es el uranio-238, con una vida media de4,4683 × 10 9  años (aproximadamente la edad de la Tierra ).

El uranio-238 es un emisor alfa , que se desintegra a través de la serie de uranio de 18 miembros en plomo-206 . La serie de desintegración del uranio-235 (históricamente llamado actino-uranio) tiene 15 miembros y termina en plomo-207. Las tasas constantes de desintegración en estas series hacen que la comparación de las proporciones de elementos padre-hijo sea útil en la datación radiométrica . El uranio-233 se forma a partir del torio-232 mediante bombardeo de neutrones .

El uranio-235 es importante tanto para los reactores nucleares (producción de energía) como para las armas nucleares porque es el único isótopo existente en la naturaleza en un grado apreciable que es fisible en respuesta a los neutrones térmicos , es decir, la captura de neutrones térmicos tiene una alta probabilidad de inducir la fisión. Se puede sostener una reacción en cadena con una masa suficientemente grande ( crítica ) de uranio-235. El uranio-238 también es importante porque es fértil : absorbe neutrones para producir un isótopo radiactivo que se desintegra en plutonio-239 , que también es fisible.

Lista de isótopos

  1. ^ m U – 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 cursiva y negrita como hija: el producto hija es casi estable.
  6. ^ Símbolo en negrita como hija: el producto hija es estable.
  7. ^ ( ) valor de giro: indica giro con argumentos de asignación débiles.
  8. ^ 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).
  9. ^ Producto de desintegración intermedia de 237 Np
  10. ^ Se utiliza en la datación de uranio-torio
  11. ^ ab Se utiliza en la datación uranio-uranio
  12. ^ Producto de desintegración intermedia del 238 U
  13. ^ ab Radionúclido primordial
  14. ^ ab Se utiliza en la datación de uranio-plomo
  15. ^ Importante en los reactores nucleares
  16. ^ Producto de desintegración intermedia de 244 Pu , también producido por captura de neutrones de 235 U
  17. ^ Producto de captura de neutrones, progenitor de trazas de 237 Np
  18. ^ Producto de captura de neutrones; precursor de trazas de 239 Pu
  19. ^ Producto de desintegración intermedia de 244 Pu

Actínidos vs productos de fisión

Uranio-214

El uranio-214 es el isótopo más ligero conocido del uranio. Fue descubierto en el Espectrómetro para Átomos Pesados ​​y Estructura Nuclear (SHANS) en la Instalación de Investigación de Iones Pesados ​​en Lanzhou , China en 2021, producido al quemar argón-36 en tungsteno-182. Se desintegra en alfa con una vida media de0,5 ms . [21] [22] [23] [24]

Uranio-232

El uranio-232 tiene una vida media de 68,9 años y es un subproducto del ciclo del torio . Se lo ha citado como un obstáculo para la proliferación nuclear con 233 U, porque la intensa radiación gamma del 208 Tl (un descendiente del 232 U, producido con relativa rapidez) hace que el 233 U contaminado con él sea más difícil de manipular. El uranio-232 es un raro ejemplo de un isótopo par-par que es fisionable tanto con neutrones térmicos como rápidos. [25] [26]

Uranio-233

El uranio-233 es un isótopo fisionable que se obtiene a partir del torio-232 como parte del ciclo del combustible de torio. El 233U se ha investigado para su uso en armas nucleares y como combustible para reactores. Se ha probado ocasionalmente, pero nunca se ha utilizado en armas nucleares y no se ha utilizado comercialmente como combustible nuclear. [27] Se ha utilizado con éxito en reactores nucleares experimentales y se ha propuesto un uso mucho más amplio como combustible nuclear. Tiene una vida media de unos 160.000 años.

El uranio-233 se produce por irradiación de neutrones del torio-232. Cuando el torio-232 absorbe un neutrón , se convierte en torio-233 , que tiene una vida media de solo 22 minutos. El torio-233 se desintegra en protactinio-233 . El protactinio-233 tiene una vida media de 27 días y se desintegra en uranio-233; algunos diseños de reactores de sales fundidas propuestos intentan aislar físicamente el protactinio de una mayor captura de neutrones antes de que pueda ocurrir la desintegración en beta.

El uranio-233 suele fisionarse por absorción de neutrones, pero a veces retiene el neutrón y se convierte en uranio-234 . La relación captura-fisión es menor que la de los otros dos combustibles fisionables principales, el uranio-235 y el plutonio-239 ; también es menor que la del plutonio-241, de vida corta , pero es superada por el neptunio-236, muy difícil de producir .

Uranio-234

El 234 U se encuentra en el uranio natural como un producto de desintegración indirecta del uranio-238, pero constituye sólo 55 partes por millón del uranio porque su vida media de 245.500 años es sólo alrededor de 1/18.000 de la del 238 U. La vía de producción del 234 U es la siguiente: el 238 U alfa se desintegra en torio-234 . A continuación, con una vida media corta , el 234 Th beta se desintegra en protactinio-234 . Por último, el 234 Pa beta se desintegra en 234 U. [28] [29]

El 234 U alfa se desintegra en torio-230 , excepto en el pequeño porcentaje de núcleos que sufren fisión espontánea .

La extracción de cantidades bastante pequeñas de 234 U del uranio natural sería factible mediante la separación de isótopos , similar al enriquecimiento normal de uranio. Sin embargo, no existe una demanda real en química , física o ingeniería para aislar 234 U. Se pueden extraer muestras puras muy pequeñas de 234 U mediante el proceso de intercambio iónico químico , a partir de muestras de plutonio-238 que han envejecido un poco para permitir cierta desintegración a 234 U mediante emisión alfa .

El uranio enriquecido contiene más 234 U que el uranio natural como subproducto del proceso de enriquecimiento de uranio destinado a obtener uranio-235 , que concentra isótopos más ligeros incluso más fuertemente que el 235 U. El mayor porcentaje de 234 U en el uranio natural enriquecido es aceptable en los reactores nucleares actuales, pero el uranio reprocesado (reenriquecido) podría contener fracciones aún mayores de 234 U, lo que es indeseable. [30] Esto se debe a que el 234 U no es fisible y tiende a absorber neutrones lentos en un reactor nuclear , convirtiéndose en 235 U. [29] [30]

El 234 U tiene una sección eficaz de captura de neutrones de aproximadamente 100 barns para neutrones térmicos y aproximadamente 700 barns para su integral de resonancia (el promedio sobre neutrones que tienen varias energías intermedias). En un reactor nuclear, los isótopos no fisionables capturan un neutrón que genera isótopos fisionables. El 234 U se convierte en 235 U con mayor facilidad y, por lo tanto, a una tasa mayor que el uranio-238 en plutonio-239 (a través del neptunio-239 ), porque el 238 U tiene una sección eficaz de captura de neutrones mucho más pequeña de solo 2,7 barns.

Uranio-235

El uranio-235 constituye aproximadamente el 0,72% del uranio natural. A diferencia del isótopo predominante, el uranio-238 , es fisible , es decir, puede sostener una reacción en cadena de fisión . Es el único isótopo fisible que es un nucleido primordial o que se encuentra en cantidad significativa en la naturaleza.

El uranio-235 tiene una vida media de 703,8 millones de años . Fue descubierto en 1935 por Arthur Jeffrey Dempster . Su sección eficaz nuclear (de fisión) para neutrones térmicos lentos es de aproximadamente 504,81 barns . Para neutrones rápidos es del orden de 1 barn. A niveles de energía térmica, aproximadamente 5 de 6 absorciones de neutrones resultan en fisión y 1 de 6 resulta en captura de neutrones formando uranio-236 . [31] La relación fisión-captura mejora para neutrones más rápidos.

Uranio-236

El uranio-236 tiene una vida media de unos 23 millones de años y no es fisible con neutrones térmicos ni un material fértil, pero se considera generalmente un residuo radiactivo molesto y de larga vida . Se encuentra en el combustible nuclear gastado y en el uranio reprocesado que se obtiene a partir de él.

Uranio-237

El uranio-237 tiene una vida media de unos 6,75 días. Se desintegra en neptunio-237 mediante desintegración beta . Fue descubierto por el físico japonés Yoshio Nishina en 1940, quien en un descubrimiento casi fallido infirió la creación del elemento 93, pero no pudo aislar el entonces desconocido elemento ni medir sus propiedades de desintegración. [32]

Uranio-238

El uranio-238 ( 238 U o U-238) es el isótopo de uranio más común que se encuentra en la naturaleza. No es fisible , pero es fértil : puede capturar un neutrón lento y después de dos desintegraciones beta convertirse en plutonio-239 fisible . El uranio-238 es fisionable por neutrones rápidos, pero no puede soportar una reacción en cadena porque la dispersión inelástica reduce la energía de los neutrones por debajo del rango en el que 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.

Aproximadamente el 99,284% del uranio natural es uranio-238, que tiene una vida media de 1,41×10 17 segundos (4,468×10 9 años). El uranio empobrecido tiene una concentración aún mayor de 238 U, e incluso el uranio poco enriquecido (LEU) sigue siendo principalmente 238 U. El uranio reprocesado también es principalmente 238 U, con aproximadamente la misma cantidad de uranio-235 que 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 .

Uranio-239

El uranio-239 se produce generalmente exponiendo 238 U a la radiación de neutrones en un reactor nuclear. El 239 U tiene una vida media de aproximadamente 23,45 minutos y se desintegra beta en neptunio-239 , con una energía de desintegración total de aproximadamente 1,29 MeV. [33] La desintegración gamma más común a 74,660 keV explica la diferencia en los dos canales principales de energía de emisión beta, a 1,28 y 1,21 MeV. [34]

El 239 Np luego, con una vida media de aproximadamente 2,356 días, se desintegra en beta a plutonio-239 .

Uranio-241

En 2023, en un artículo publicado en Physical Review Letters , un grupo de investigadores con sede en Corea informó que habían encontrado uranio-241 en un experimento que involucraba reacciones de transferencia multinucleónica 238 U+ 198 Pt. [35] [36] Su vida media es de unos 40 minutos. [35]

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  16. ^ 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, por lo tanto merece la inclusión del elemento aquí.
  17. ^ En concreto, a partir de la fisión de neutrones térmicos del uranio-235, por ejemplo, en un reactor nuclear típico .
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    "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]".
  19. ^ Se trata del nucleido más pesado, con una vida media de al menos cuatro años antes del " mar de inestabilidad ".
  20. ^ 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.
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