El uranio ( 92 U) es un elemento radiactivo natural que no tiene 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 los reactores nucleares, se han producido muchos isótopos con vidas medias mucho más cortas, que van desde 214 U a242 U (a excepción de 220 U y 241 U). El peso atómico estándar del uranio natural es238,028 91 (3) .
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Peso atómico estándar A r, estándar (U) | 238.028 91 (3) [1] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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El uranio natural se compone de tres isótopos principales , uranio-238 (99,2739–99,2752% de abundancia natural ), uranio-235 (0,7198–0,7202%) y uranio-234 (0,0050–0,0059%). [2] 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 (cercano a la edad de la Tierra ).
El uranio-238 es un emisor alfa , que se descompone 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 descomposición en estas series hacen que la comparación de las proporciones de elementos de padres a hijos sea útil en la datación radiométrica . El uranio-233 está hecho de torio-232 mediante bombardeo de neutrones .
El uranio-235 es importante tanto para los reactores nucleares como para las armas nucleares porque es el único isótopo existente en la naturaleza en un grado apreciable que es fisionable en respuesta a los neutrones térmicos. 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 fisionable.
Lista de isótopos
Nuclido [3] [n 1] | Nombre histórico | Z | norte | Masa isotópica( Da ) [n 2] [n 3] | Media vida | Modo de caída [n 4] | Hija isótopo [n 5] [n 6] | Spin y paridad [n 7] [n 8] | Abundancia natural (fracción molar) | |
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Energía de excitación [n 8] | Proporción normal | Rango de variación | ||||||||
214 U [4] | 92 | 122 | 0,52 (+ 0,95−0,21) ms | α | 210 mil | 0+ | ||||
215 U | 92 | 123 | 215.026760 (90) | 1,4 (0,9) ms | α | 211 mil | 5 / 2− # | |||
216 U | 92 | 124 | 216.024760 (30) | 6,9 (2,9) ms | α | 212 mil | 0+ | |||
216 millones en U | 1,4 (0,9) ms | 8+ | ||||||||
217 U | 92 | 125 | 217.02437 (9) | 0,85 (0,71) ms | α | 213 mil | 1 / 2− # | |||
218 U | 92 | 126 | 218.02354 (3) | 0,35 (0,09) ms | α | 214 mil | 0+ | |||
219 U | 92 | 127 | 219.02492 (6) | 60 (7) μs | α | 215 mil | 9/2 + # | |||
220 U | 92 | 128 | 220.02472 (22) # | 60 # ns | α | 216 mil | 0+ | |||
β + (raro) | 220 P | |||||||||
221 U | 92 | 129 | 221.02640 (11) # | 0,66 (14) μs | α | 217 mil | (9/2 +) | |||
222 U | 92 | 130 | 222.02609 (11) # | 4,7 (0,7) μs | α | 218 mil | 0+ | |||
β + (10 −6 %) | 222 Pa | |||||||||
223 U | 92 | 131 | 223.02774 (8) | 65 (12) μs | α | 219 mil | 7/2 + # | |||
224 U | 92 | 132 | 224.027605 (27) | 396 (17) μs | α | 220 mil | 0+ | |||
225 U | 92 | 133 | 225.02939 # | 62 (4) ms | α | 221 mil | (5/2 +) # | |||
226 U | 92 | 134 | 226.029339 (14) | 269 (6) ms | α | 222 mil | 0+ | |||
227 U | 92 | 135 | 227.031156 (18) | 1,1 (0,1) mínimo | α | 223 mil | (3/2 +) | |||
β + (0,001%) | 227 Pa | |||||||||
228 U | 92 | 136 | 228.031374 (16) | 9,1 (0,2) mínimo | α (95%) | 224 mil | 0+ | |||
CE (5%) | 228 Pa | |||||||||
229 U | 92 | 137 | 229.033506 (6) | 57,8 (0,5) mínimo | β + (80%) | 229 Pa | (3/2 +) | |||
α (20%) | 225 mil | |||||||||
230 U | 92 | 138 | 230.033940 (5) | 20,23 (0,02) d | α | 226 mil | 0+ | |||
SF (1,4 × 10 −10 %) | (varios) | |||||||||
β + β + (raro) | 230 mil | |||||||||
231 U | 92 | 139 | 231.036294 (3) | 4,2 (0,1) días | CE | 231 Pa | (5/2) (+ #) | |||
α (0,004%) | 227 mil | |||||||||
232 U | 92 | 140 | 232.0371562 (24) | 68,9 (0,4) años | α | 228 mil | 0+ | |||
CD (8,9 × 10 −10 %) | 208 Pb 24 Ne | |||||||||
CD (5 × 10 −12 %) | 204 Hg 28 mg | |||||||||
SF ( 10-12 %) | (varios) | |||||||||
233 U | 92 | 141 | 233.0396352 (29) | 1,592 (2) × 10 5 y | α | 229 mil | 5/2 + | Traza [n 9] | ||
SF (6 × 10 −9 %) | (varios) | |||||||||
CD (7,2 × 10 −11 %) | 209 Pb 24 Ne | |||||||||
CD (1,3 × 10 −13 %) | 205 Hg 28 mg | |||||||||
234 U [n 10] [n 11] | Uranio II | 92 | 142 | 234.0409521 (20) | 2,455 (6) × 10 5 y | α | 230 mil | 0+ | [0,000054 (5)] [n 12] | 0,000050– 0,000059 |
SF (1,73 × 10 −9 %) | (varios) | |||||||||
CD (1,4 × 10 −11 %) | 206 Hg 28 mg | |||||||||
CD (9 × 10 −12 %) | 184 Hf 26 Ne 24 Ne | |||||||||
234m en U | 1421,32 (10) keV | 33,5 (2,0) ms | 6− | |||||||
235 U [n 13] [n 14] [n 15] | Actina Uranio Actino-Uranio | 92 | 143 | 235.0439299 (20) | 7,038 (1) x 10 8 y | α | 231 mil | 7 / 2− | [0,007204 (6)] | 0,007198– 0,007207 |
SF (7 × 10 −9 %) | (varios) | |||||||||
CD (8 × 10 −10 %) | 186 Hf 25 Ne 24 Ne | |||||||||
235m U | 0,0765 (4) keV | ~ 26 min | ESO | 235 U | 1/2 + | |||||
236 U | Thoruranium [5] | 92 | 144 | 236.045568 | 2.342 (3) × 10 7 y | α | 232 mil | 0+ | Seguimiento [n 16] | |
SF (9,6 × 10 −8 %) | (varios) | |||||||||
236m1 U | 1052,89 (19) keV | 100 (4) ns | (4) - | |||||||
236m2 U | 2750 (10) keV | 120 (2) ns | (0+) | |||||||
237 U | 92 | 145 | 237.0487302 (20) | 6,752 (0,002) d | β - | 237 Np | 1/2 + | Seguimiento [n 17] | ||
238 U [n 11] [n 13] [n 14] | Uranio I | 92 | 146 | 238.0507882 (20) | 4.468 (3) × 10 9 y | α | 234 mil | 0+ | [0,992742 (10)] | 0,992739– 0,992752 |
SF (5,45 × 10 −5 %) | (varios) | |||||||||
β - β - (2,19 × 10 −10 %) | 238 Pu | |||||||||
238m en U | 2557,9 (5) keV | 280 (6) ns | 0+ | |||||||
239 U | 92 | 147 | 239.0542933 (21) | 23,45 (0,02) min | β - | 239 Np | 5/2 + | |||
239m1 U | 20 (20) # keV | > 250 ns | (5/2 +) | |||||||
239m2 U | 133,7990 (10) keV | 780 (40) ns | 1/2 + | |||||||
240 U | 92 | 148 | 240.056592 (6) | 14,1 (0,1) horas | β - | 240 Np | 0+ | Seguimiento [n 18] | ||
α (10 −10 %) | 236 mil | |||||||||
242 U | 92 | 150 | 242.06293 (22) # | 16,8 (0,5) mínimo | β - | 242 Np | 0+ |
- ^ m U - Isómero nuclear excitado.
- ^ () - La incertidumbre (1 σ ) se da de forma concisa entre paréntesis después de los últimos dígitos correspondientes.
- ^ # - Masa atómica marcada con #: valor e incertidumbre derivados no de datos puramente experimentales, sino al menos en parte de las tendencias de la masa de superficie (TMS).
- ^ Modos de descomposición:
CD: Decaimiento del racimo CE: Captura de electrones SF: Fisión espontánea - ^ Símbolo en negrita y cursiva como hija: el producto secundario es casi estable.
- ^ Símbolo en negrita como hija: el producto secundario es estable.
- ^ () valor de giro: indica giro con argumentos de asignación débiles.
- ^ a b # - Los valores marcados con # no se derivan puramente de datos experimentales, sino al menos en parte de las tendencias de los nucleidos vecinos (TNN).
- ^ Producto de desintegración intermedio de 237 Np
- ^ Utilizado en la datación de uranio-torio
- ^ a b Utilizado en la datación de uranio-uranio
- ^ Producto de desintegración intermediode 238 U
- ^ Un b Primordial radionúclido
- ^ a b Se utiliza en la datación con uranio-plomo
- ^ Importante en reactores nucleares
- ^ Producto de desintegración intermedio de 244 Pu , también producido por captura de neutrones de 235 U
- ^ Producto de captura de neutrones, padre de trazas de 237 Np
- ^ Producto de desintegración intermedio de 244 Pu
Actínidos frente a productos de fisión
Actínidos y productos de fisión por vida media | ||||||||
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Actínidos [6] por cadena de desintegración | Rango de vida media ( a ) | Productos de fisión de 235 U por rendimiento [7] | ||||||
4 n | 4 n +1 | 4 n +2 | 4 n +3 | |||||
4,5–7% | 0,04-1,25% | <0,001% | ||||||
228 Ra№ | 4 a 6 a | † | 155 Euþ | |||||
244 cmƒ | 241 Puƒ | 250 Cf | 227 Ac№ | 10-29 a | 90 Sr | 85 Kr | 113m Cdþ | |
232 Uƒ | 238 Puƒ | 243 cmƒ | 29–97 a | 137 Cs | 151 Smþ | 121m Sn | ||
248 Bk [8] | 249 Cfƒ | 242 m amƒ | 141–351 a | Ningún producto de fisión | ||||
241 amƒ | 251 Cfƒ [9] | 430–900 a | ||||||
226 Ra№ | 247 Bk | 1,3–1,6 ka | ||||||
240 Pu | 229 mil | 246 cmƒ | 243 amƒ | 4,7 a 7,4 ka | ||||
245 cmƒ | 250 cm | 8,3–8,5 ka | ||||||
239 Puƒ | 24,1 ka | |||||||
230 mil№ | 231 Pa№ | 32–76 ka | ||||||
236 Npƒ | 233 Uƒ | 234 U№ | 150-250 ka | ‡ | 99 Tc₡ | 126 Sn | ||
248 cm | 242 Pu | 327–375 ka | 79 Se₡ | |||||
1,53 Ma | 93 Zr | |||||||
237 Npƒ | 2,1–6,5 Ma | 135 Cs₡ | 107 Pd | |||||
236 U | 247 cmƒ | 15-24 Ma | 129 I₡ | |||||
244 Pu | 80 Ma | ... ni más allá de 15,7 Ma [10] | ||||||
232 mil№ | 238 U№ | 235 Uƒ№ | 0,7-14,1 Ga | |||||
Leyenda de los símbolos en superíndice |
Uranio-214
El uranio-214 es el isótopo de uranio más ligero conocido. Fue descubierto en 2021 en el Espectrómetro de Átomos Pesados y Estructura Nuclear (SHANS) en la Instalación de Investigación de Iones Pesados en Lanzhou , China en 2021, producido disparando argón-36 en tungsteno-182. Sufre desintegración alfa con una vida media de0,5 ms . [11] [12] [13] [14]
Uranio-232
El uranio-232 tiene una vida media de 68,9 años y es un subproducto del ciclo del torio . Se ha citado como un obstáculo para la proliferación nuclear utilizando 233 U como material fisible , porque la intensa radiación gamma emitida por 208 Tl (una hija de 232 U, producida con relativa rapidez) hace que las 233 U contaminadas con él sean más difíciles de manipular. El uranio-232 es un raro ejemplo de un isótopo par-par que es fisible con neutrones térmicos y rápidos. [15] [16]
Uranio-233
El uranio-233 es un isótopo fisionable del uranio que se obtiene a partir del torio-232 como parte del ciclo del combustible del torio. Se investigó el uranio-233 para su uso en armas nucleares y como combustible para reactores; sin embargo, nunca se utilizó en armas nucleares ni se utilizó comercialmente como combustible nuclear. [17] Se ha utilizado con éxito en reactores nucleares experimentales y se ha propuesto para un uso mucho más amplio como combustible nuclear. Tiene una vida media de1.592 × 10 5 años .
El uranio-233 es producido por la irradiación de neutrones de 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 mediante desintegración beta . El protactinio-233 tiene una vida media de 27 días y la beta se desintegra en uranio-233; Algunos diseños propuestos de reactores de sales fundidas intentan aislar físicamente el protactinio de la captura de neutrones adicional antes de que pueda ocurrir la desintegración beta.
El uranio-233 generalmente se fisiona en la absorción de neutrones, pero a veces retiene el neutrón y se convierte en uranio-234 . La relación entre captura y fisión es menor que la de los otros dos principales combustibles fisibles uranio-235 y plutonio-239 ; también es más bajo que el del plutonio-241 de vida corta , pero superado por el neptunio-236, muy difícil de producir .
Uranio-234
El uranio-234 es un isótopo del uranio. En el uranio natural y en el mineral de uranio, 234 U se produce como un producto de desintegración indirecta del uranio-238, pero constituye solo el 0,0055% (55 partes por millón ) del uranio en bruto porque su vida media de solo 245,500 años es de solo aproximadamente 1 / 18.000, siempre y cuando el de 238 U . La ruta de producción de 234 U a través de la desintegración nuclear es la siguiente: los núcleos de 238 U emiten una partícula alfa para convertirse en torio-234 . A continuación, con una vida media corta , un núcleo de 234 Th emite una partícula beta para convertirse en protactinio-234 . Finalmente, los núcleos de 234 Pa emiten cada uno otra partícula beta para convertirse en núcleos de 234 U. [18] [19]
Los núcleos de 234 U generalmente duran cientos de miles de años, pero luego se desintegran por emisión alfa a torio-230 , excepto por 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 a la que se utiliza para el enriquecimiento regular 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 se han envejecido un poco para permitir algo de descomposición a 234 U a través de la emisión alfa .
El uranio enriquecido contiene más 234 U que el uranio natural como subproducto del proceso de enriquecimiento del uranio destinado a obtener uranio 235 , que concentra isótopos más ligeros incluso con más fuerza que 235 U. El porcentaje aumentado de 234 U en el uranio natural enriquecido es aceptable en Los reactores nucleares actuales, pero el uranio reprocesado (re-enriquecido) podría contener fracciones aún mayores de 234 U, lo cual no es deseable. [20] Esto se debe a que 234 U no es fisionable y tiende a absorber neutrones lentos en un reactor nuclear, convirtiéndose en 235 U. [19] [20]
234 U tiene una sección transversal de captura de neutrones de alrededor de 100 graneros para los neutrones térmicos , y alrededor de 700 graneros 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. 234 U se convierte en 235 U más fácilmente y, por lo tanto, a una velocidad 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 es un isótopo de uranio que constituye aproximadamente el 0,72% del uranio natural. A diferencia del isótopo predominante 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 una 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 los 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 . [21] La relación de fisión a captura mejora para neutrones más rápidos.
Uranio-236
El uranio-236 es un isótopo de uranio que no es fisionable con neutrones térmicos, ni material fértil muy bueno, pero generalmente se considera un desperdicio radiactivo molesto y de larga duración . Se encuentra en el combustible nuclear gastado y en el uranio reprocesado elaborado a partir de combustible nuclear gastado.
Uranio-237
El uranio-237 es un isótopo del uranio . Tiene una vida media de aproximadamente 6,75 (1) días. Se desintegra en neptunio-237 por desintegración beta .
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 un material fértil : puede capturar un neutrón lento y después de dos desintegraciones beta se convierte 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 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 de 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% del uranio natural es uranio-238, que tiene una vida media de 1,41 × 10 17 segundos (4,468 × 10 9 años o 4,468 millones de años). El uranio empobrecido tiene una concentración aún mayor del isótopo 238 U, e incluso uranio poco enriquecido (LEU), mientras que 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 tanto uranio-235 como 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 es un isótopo del uranio. Por lo general, se produce al exponer 238 U a radiación de neutrones en un reactor nuclear. 239 U tiene una vida media de aproximadamente 23,45 minutos y se desintegra en neptunio-239 a través de la desintegración beta , con una energía de desintegración total de aproximadamente 1.29 MeV. [22] 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. [23]
239 Np se desintegra aún más a plutonio-239 también a través de la desintegración beta ( 239 Np tiene una vida media de aproximadamente 2.356 días), en un segundo paso importante que finalmente produce 239 Pu fisionable (usado en armas y para energía nuclear), de 238 U en reactores.
Referencias
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- ^ La vida media, el modo de desintegración, el espín nuclear y la composición isotópica se obtienen en:
Kondev, FG; Wang, M .; Huang, WJ; Naimi, S .; Audi, G. (2021). "La evaluación NUBASE2020 de las propiedades nucleares" (PDF) . Física C china . 45 (3): 030001. doi : 10.1088 / 1674-1137 / abddae . - ^ Zhang, ZY; Yang, HB; Huang, MH; Gan, ZG; Yuan, CX; Qi, C .; Andreyev, AN; Liu, ML; Ma, L .; Zhang, MM; Tian, YL; Wang, YS; Wang, JG; Yang, CL; Li, GS; Qiang, YH; Yang, WQ; Chen, RF; Zhang, HB; Lu, ZW; Xu, XX; Duan, LM; Yang, HR; Huang, WX; Liu, Z .; Zhou, XH; Zhang, YH; Xu, HS; Wang, N .; Zhou, HB; Wen, XJ; Huang, S .; Hua, W .; Zhu, L .; Wang, X .; Mao, YC; Él, XT; Wang, SY; Xu, WZ; Li, HW; Ren, ZZ; Zhou, SG (2021). "Nuevo isótopo emisor de α U 214 y mejora anormal de la agrupación de partículas α en los isótopos de uranio más ligeros". Cartas de revisión física . 126 (15): 152502. arXiv : 2101.06023 . Código Bibliográfico : 2021PhRvL.126o2502Z . doi : 10.1103 / PhysRevLett.126.152502 . PMID 33929212 .
- ^ Trenn, Thaddeus J. (1978). "Thoruranium (U-236) como el padre natural extinto del torio: la falsificación prematura de una teoría esencialmente correcta". Annals of Science . 35 (6): 581–97. doi : 10.1080 / 00033797800200441 .
- ^ Más radio (elemento 88). Si bien en realidad es un subactínido, precede inmediatamente al actinio (89) y sigue una brecha 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 la brecha es radón-222 con una vida media de menos de cuatro días ). Por lo tanto, el isótopo de vida más larga del radio, a 1.600 años, merece la inclusión del elemento aquí.
- ^ Específicamente de la fisión de neutrones térmicos del U-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]. Sin crecimiento de Cf 248 fue detectado, y un límite inferior para la β - vida media se puede ajustar en alrededor de 10 4 [años] No alfa atribuible actividad para el nuevo isómero se ha detectado; la alfa vida media es probablemente mayor que 300 [año. ]. " - ^ Este es el nucleido más pesado con una vida media de al menos cuatro años antes del " Mar de la inestabilidad ".
- ^ Excluyendo aquellosnucleidos" clásicamente estables " con vidas medias significativamente superiores a 232 Th; por ejemplo, mientras que 113m Cd tiene una vida media de sólo catorce años, la de 113 Cd es de casi ocho billones de años.
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