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Isótopos de uranio

El uranio ( 92 U) es un elemento radiactivo natural que no tiene ningún isótopo estable . 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 . En reactores reproductores se han producido otros isótopos como el uranio-233 . Además de los isótopos que se encuentran en la naturaleza o en los reactores nucleares, se han producido muchos isótopos con vidas medias mucho más cortas, que van desde 214 U a 242 U (con la excepción de 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 y se desintegra a través de la serie de uranio de 18 miembros en plomo-206 . La serie de desintegración del uranio-235 (históricamente llamado actinouranio) 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 obtiene 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 una medida 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 mantener una reacción en cadena con una masa ( crítica ) suficientemente grande de uranio-235. El uranio-238 también es importante porque es fértil : absorbe neutrones para producir un isótopo radiactivo que posteriormente se desintegra en el isótopo plutonio-239 , que también es fisible.

Lista de isótopos

  1. ^ m U - 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. ^ Símbolo en negrita como hijo: el producto hijo 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. ^ Utilizado en la datación con uranio-torio
  11. ^ ab Utilizado en la datación uranio-uranio
  12. ^ Producto de desintegración intermedia de 238 U
  13. ^ ab Radionúclido primordial
  14. ^ ab Utilizado en la datación con uranio y plomo.
  15. ^ Importante en 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, padre de trazas de 237 Np
  18. ^ Producto de captura de neutrones; padre 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 de uranio más ligero conocido. Fue descubierto en el Espectrómetro de Átomos Pesados ​​y Estructura Nuclear (SHANS) en las Instalaciones de Investigación de Iones Pesados ​​en Lanzhou , China , en 2021, y se produjo disparando argón-36 contra tungsteno-182. Sufre desintegración 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 producto secundario del ciclo del torio . Se ha citado como un obstáculo a la proliferación nuclear utilizando 233 U, porque la intensa radiación gamma del 208 Tl (una hija del 232 U, producida relativamente rápidamente) hace que el 233 U contaminado con él sea más difícil de manejar. El uranio-232 es un raro ejemplo de un isótopo par que es fisible tanto con neutrones térmicos como rápidos. [25] [26]

Uranio-233

El uranio-233 es un isótopo fisible de uranio que se obtiene a partir del torio-232 como parte del ciclo del combustible del torio. Se investigó el uso del 233 U en armas nucleares y como combustible para reactores. Ocasionalmente se probó, pero nunca se utilizó 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 alrededor de 160.000 años.

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

El uranio-233 suele fisionarse por absorción de neutrones, pero a veces retiene el neutrón, convirtiéndose 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 más bajo que el del plutonio-241 de vida corta, pero superado por el neptunio-236, que es muy difícil de producir .

Uranio-234

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

234 U alfa decae a torio-230 , excepto 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 de uranio normal. 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 químico de intercambio iónico , 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 con más fuerza que el 235 U. El mayor porcentaje de 234 U en el uranio natural enriquecido es aceptable en reactores nucleares actuales, pero el uranio reprocesado (reenriquecido) podría contener fracciones aún mayores de 234 U, lo cual no es deseable. [30] Esto se debe a que 234 U no es fisible y tiende a absorber neutrones lentos en un reactor nuclear , convirtiéndose en 235 U. [29] [30]

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

Uranio-235

El uranio-235 constituye aproximadamente el 0,72% del uranio natural. A diferencia del isótopo predominante uranio-238 , es fisible , es decir, puede soportar una reacción en cadena de fisión . Es el único isótopo fisionable 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 transversal nuclear (de fisión) para neutrones térmicos lentos es de aproximadamente 504,81 graneros . Para neutrones rápidos es del orden de 1 granero. A niveles de energía térmica, aproximadamente 5 de 6 absorciones de neutrones resultan en fisión y 1 de 6 resultan 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 es muy buen material fértil, pero generalmente se considera un residuo radiactivo molesto y de larga vida . Se encuentra en el combustible nuclear gastado y en el uranio reprocesado elaborado a partir de combustible nuclear gastado.

Uranio-237

El uranio-237 tiene una vida media de aproximadamente 6,75 días. Se desintegra en neptunio-237 mediante desintegración beta . Fue descubierto por el físico japonés Yoshio Nishina en 1940, quien en un casi descubrimiento infirió la creación del elemento 93, pero no pudo aislar el elemento entonces desconocido 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 sí fértil : puede capturar un neutrón lento y, tras dos desintegraciones beta, convertirse en plutonio-239 fisionable . 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 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, que aumenta la absorción a medida que aumenta la temperatura del combustible, es también 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 mayoritariamente de 238 U. El uranio reprocesado también tiene 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 el uranio-234 , el uranio-233 y el uranio-232 .

Uranio-239

El uranio-239 generalmente se produce exponiendo 238 U a 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]

239 Np luego, con una vida media de aproximadamente 2.356 días, se desintegra beta a plutonio-239 .

Uranio-241

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

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  17. ^ Específicamente 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 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]. ]."
  19. ^ Este es el nucleido más pesado con una vida media de al menos cuatro años antes del " mar de inestabilidad ".
  20. ^ 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.
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