El uranio-238 ( 238 U o U-238 ) es el isótopo de uranio más común 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 fértil , lo que significa que puede transmutarse en plutonio-239 fisionable . El 238 U no puede soportar 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. La ampliación Doppler de las resonancias de absorción de neutrones del 238 U , aumentando la absorción a medida que aumenta la temperatura del combustible, es también 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 en relación con otros elementos radiactivos , 238 U produce ~40% del calor radiactivo producido dentro de la Tierra. [2] La cadena de desintegración de 238 Uaporta 6 antineutrinos electrónicos por núcleo de 238 U (1 por desintegración beta ), lo que da como resultado una granseñal de geoneutrino 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 , particularmente para material de más de ~ 1 millón de años.
El uranio empobrecido tiene una concentración aún mayor del isótopo 238 U, e incluso el uranio poco enriquecido (LEU), aunque tiene una mayor proporción del isótopo uranio-235 (en comparación con el uranio empobrecido), sigue siendo mayoritariamente 238 U. Uranio reprocesado También es principalmente 238 U, con aproximadamente tanto uranio-235 como uranio natural, una proporción comparable de uranio-236 y cantidades mucho más pequeñas de otros isótopos de uranio como uranio-234 , uranio-233 y uranio-232 . [4]
En un reactor nuclear de fisión , el uranio-238 se puede utilizar para generar plutonio-239 , que a su vez puede utilizarse 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 del 239 Pu, que no se suministra como combustible al reactor, sino que se produce a partir del 238 U. [5] Una cierta cantidad de producción de239
Pu de238
El U es inevitable siempre que esté expuesto a la radiación de neutrones . Dependiendo del quemado y la temperatura de los neutrones , diferentes partes del239
Pu se convierten en240
Pu , que determina el "grado" del plutonio producido, que va desde el grado para armas , pasando por el grado para reactores , hasta plutonio de tan alto contenido240
Pu que no se puede utilizar en los reactores actuales que funcionan con un espectro de neutrones térmicos. Este último generalmente involucra combustible MOX "reciclado" usado que ingresó al reactor que contiene cantidades significativas de plutonio [ cita requerida ] .
238 U puede producir energía mediante fisión "rápida" . En este proceso, un neutrón que tiene una energía cinética superior a 1 MeV puede provocar la división del núcleo de 238 U. Dependiendo del diseño, este proceso puede contribuir entre uno y diez por ciento de todas las reacciones de fisión en un reactor, pero muy pocos de los 2,5 neutrones [6] promedio producidos en cada fisión tienen suficiente velocidad para continuar una reacción en cadena.
El 238 U puede utilizarse como material base para crear plutonio-239, que a su vez puede utilizarse como combustible nuclear. Los reactores reproductores llevan a cabo dicho proceso de transmutación para convertir el isótopo fértil 238 U en 239 Pu fisionable . 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 reproductora 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. Posteriormente, Rusia construyó otra unidad, BN-800 , en la central nuclear de Beloyarsk, que entró en pleno funcionamiento en noviembre de 2016. Además, se ordenó el reactor reproductor Monju de Japón , que ha estado inoperativo la mayor parte del tiempo desde que se construyó originalmente en 1986. para su desmantelamiento en 2016, después de que se descubrieron riesgos de seguridad y diseño, con una fecha de finalización fijada para 2047. Tanto China como India han anunciado planes para construir reactores reproductores nucleares. [ cita necesaria ]
El reactor reproductor, como su nombre indica, genera cantidades aún mayores de 239 Pu o 233 U que el reactor nuclear de fisión. [ cita necesaria ]
El Reactor Avanzado Limpio y Ambientalmente Seguro (CAESAR), un concepto de reactor nuclear que utilizaría vapor como moderador para controlar los neutrones retardados , podrá utilizar potencialmente 238 U como combustible una vez que el reactor se ponga en marcha con uranio poco enriquecido (LEU). combustible. Este diseño aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. [ cita necesaria ]
Uranio natural, con un 0,7%235
Ud.
, se puede utilizar como combustible nuclear en reactores diseñados específicamente para utilizar uranio natural, como los reactores CANDU . Al utilizar uranio no enriquecido, estos diseños de reactores dan a una nación acceso a la energía nuclear con el fin de producir electricidad sin necesidad del desarrollo de capacidades de enriquecimiento de combustible, que a menudo se ven como un preludio a la producción de armas [ cita necesaria ] .
El 238 U también se utiliza como escudo contra la radiación : su radiación alfa se detiene fácilmente gracias a la carcasa no radiactiva del blindaje y el alto peso atómico del uranio y su gran número de electrones son muy eficaces para absorber los rayos gamma y los rayos X. No es tan eficaz como el agua corriente para detener los neutrones rápidos . Tanto el uranio empobrecido metálico como el dióxido de uranio empobrecido se utilizan como protección contra la radiación. El uranio es aproximadamente cinco veces mejor como escudo contra rayos gamma que el plomo , por lo que un escudo con la misma efectividad puede empaquetarse en una capa más delgada. [ cita necesaria ]
DUCRETE , un hormigón elaborado con agregado de dióxido de uranio en lugar de grava, está siendo investigado como material para sistemas de almacenamiento en contenedores secos para almacenar residuos radiactivos . [ cita necesaria ]
Lo opuesto a enriquecer es degradar . El excedente de uranio altamente enriquecido puede mezclarse con uranio empobrecido o uranio natural para convertirlo en uranio poco enriquecido adecuado para su uso en combustible nuclear comercial.
El 238 U de uranio empobrecido y el uranio natural también se utiliza con el 239 Pu reciclado de arsenales de armas nucleares para fabricar combustible de óxidos mixtos (MOX), que ahora se está redirigiendo para convertirse en combustible para reactores nucleares. Esta dilución, también llamada downblend, significa que cualquier nación o grupo que adquiriera el combustible terminado tendría que repetir el muy costoso y complejo proceso de separación química del uranio y el plutonio antes de ensamblar un arma. [ cita necesaria ]
La mayoría de las armas nucleares modernas utilizan 238 U como material de "manipulación" (ver diseño de armas nucleares ). Un pisón que rodea un núcleo fisionable funciona para reflejar los neutrones y añadir 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 , se pueden usar 238 U para encerrar 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 agrega más energía al "rendimiento" del arma. Estas armas se denominan armas de fisión-fusión-fisión según el orden en que tiene lugar cada reacción. Un ejemplo de tal arma es Castle Bravo .
La mayor parte del rendimiento explosivo total de este diseño proviene de la etapa de fisión final alimentada por 238 U, que produce enormes cantidades de productos de fisión radiactivos . Por ejemplo, se estima que el 77% del rendimiento de 10,4 megatones de la prueba termonuclear de Ivy Mike en 1952 provino de la rápida fisión del 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 Zar realizada por la Unión Soviética en 1961 produjo "sólo" 50 megatones de potencia explosiva, más del 90% de los cuales procedían de la fusión porque la etapa final de 238 U había sido reemplazada por plomo. Si en su lugar se hubieran utilizado 238 U, el rendimiento de la Bomba Zar podría haber sido muy superior a los 100 megatones y habría producido una lluvia nuclear 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"). Comenzando con el uranio-238 natural, esta serie incluye los siguientes elementos: astato , bismuto , plomo , polonio , protactinio , radio , radón , talio y torio . Todos los productos de desintegración están presentes, al menos transitoriamente, en cualquier muestra que contenga uranio, ya sea metal, compuesto o mineral. La decadencia se produce como:
La vida media de 238 U es 1,41 × 1017 segundos divididos por ln(2) ≈ 0,693 (o multiplicados por 1/ln(2) ≈ 1,443), es decir, ca. 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 el plomo-206 y el 238 U en proporciones fijas, en cantidades decrecientes lentamente. La cantidad de 206 Pb aumentará en consecuencia mientras que la de 238 U disminuirá; todos los pasos de la cadena de desintegración tienen la misma tasa de 3 × 106 partículas descompuestas 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 es 1,5 × 10−11 moles (la relación de las dos vidas medias). De manera similar, en un equilibrio en un sistema cerrado, la cantidad de cada producto de desintegración, excepto el plomo, producto final, es proporcional a su vida media.
Si bien 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 aproximadamente 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 mucho tiempo. 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, cuando se comienza con 238 U puro, dentro de una escala de tiempo humana el equilibrio se aplica únicamente a los primeros tres pasos de la cadena de desintegración. Así, por un mol de 238 U, 3 × 10Seis veces por segundo se producen una partícula alfa y dos beta y un rayo gamma, en conjunto 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 se trata de 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 desintegración en isótopos hijos comprende múltiples técnicas de datación con uranio y es uno de los isótopos radiactivos más comunes utilizados en la datación radiométrica . El método de datación más común es la datación con uranio-plomo , que se utiliza para fechar rocas de más de 1 millón de años y ha proporcionado edades para las rocas más antiguas de la Tierra con 4.400 millones de años. [14]
La relación entre 238 U y 234 U da una indicación de la edad de los sedimentos y el agua de mar que tienen entre 100.000 y 1.200.000 años de edad. [15]
El producto hijo de 238 U, 206 Pb, es una parte integral de la datación plomo-plomo , que es más famosa por la determinación de la edad de la Tierra . [dieciséis]
Las naves espaciales del programa Voyager llevan pequeñas cantidades de 238 U inicialmente puro en las tapas 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. La exposición interna significativa a pequeñas partículas de uranio o sus productos de desintegración, como el torio-230, el radio-226 y el radón-222, puede causar efectos graves para la salud, como cáncer de huesos o de hígado.
El uranio también es una sustancia química tóxica, lo que significa que la ingestión de uranio puede causar daño renal debido a sus propiedades químicas mucho antes de lo que sus propiedades radiactivas causarían cáncer de hueso o de hígado. [18] [19]
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