Isótopos del uranio

El uranio ( _{⁹²U ) es un elemento} radiactivo natural (radioelemento) 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 ²¹⁴U} hasta el ^²⁴²U (excepto el ^²²⁰U ). El peso atómico estándar del uranio natural es238.028 91 (3) .

El uranio natural consta de tres isótopos principales : ^238U (99,2739–99,2752% de abundancia natural ), ^235U (0,7198–0,7202%) y ^234U (0,0050–0,0059%). ^{[ 4 ]} Los tres isótopos son radiactivos (es decir, son radioisótopos ), y el más abundante y estable es el uranio-238, con una vida media de4,463 × 10⁹ ^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 hasta convertirse 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 los elementos padre e hijo sea útil para 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, ya que es el único isótopo presente en la naturaleza en cantidades apreciables que es fisionable en respuesta a neutrones térmicos ; es decir, la captura de neutrones térmicos tiene una alta probabilidad de inducir la fisión. Una reacción en cadena puede mantenerse 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 , el cual también es fisionable.

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 mediante el uso de ^233U , ya que la intensa radiación gamma del ^208Tl (un isótopo hijo del 232U ^, producido con relativa rapidez) dificulta el manejo ^{del 233U} contaminado con este isótopo. El uranio-232 es un ejemplo poco común de un isótopo par-par que es fisionable tanto con neutrones térmicos como rápidos. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

El uranio-233 es un isótopo fisionable que se obtiene a partir del torio-232 como parte del ciclo del combustible de torio. Se investigó el uso del ^233U en armas nucleares y como combustible para reactores. Se probó ocasionalmente, pero nunca se empleó en armas nucleares ni se ha utilizado comercialmente como combustible nuclear. ^{[ 26 ]} 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 aproximadamente 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 tan solo 22 minutos. El torio-233 se desintegra betamente en protactinio-233 . El protactinio-233 tiene una vida media de 27 días y se desintegra betamente en uranio-233; algunos diseños propuestos de reactores de sales fundidas intentan aislar físicamente el protactinio para evitar que capture más neutrones antes de que se produzca la desintegración beta.

El uranio-233 generalmente se fisiona por absorción de neutrones, pero a veces retiene el neutrón, convirtiéndose en uranio-234 . La relación de captura a 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 corta vida, pero es superada por el neptunio-236 , que es muy difícil de producir .

^{El 234U} se encuentra en el uranio natural como producto de desintegración indirecta del uranio-238, pero constituye solo 55 partes por millón del uranio porque su vida media de 245 500 años es aproximadamente 1/18 000 de la del ^238U . La ruta de producción del ^234U es la siguiente: el ^238U se desintegra alfa en torio-234 . Luego, con una vida media corta , el ^234Th se desintegra beta en protactinio-234 . Finalmente, el ^234Pa se desintegra beta en ^234U . ^{[ 27 ] [ 28 ]}

^{El 234U} alfa se desintegra en torio-230 , excepto un pequeño porcentaje de núcleos que experimentan fisión espontánea .

La extracción de pequeñas cantidades de ^234U del uranio natural podría realizarse mediante separación isotópica , de forma similar al enriquecimiento de uranio convencional. Sin embargo, no existe una demanda real en química , física o ingeniería para aislar ^{el 234U} . Se pueden extraer muestras muy pequeñas y puras de ^{234U mediante el proceso} de intercambio iónico químico , a partir de muestras de plutonio-238 que han envejecido lo suficiente como para permitir cierta desintegración alfa a ^234U .

El uranio enriquecido contiene más ^234U que el uranio natural como subproducto del proceso de enriquecimiento de uranio destinado a obtener uranio-235 , que concentra isótopos más ligeros incluso con mayor intensidad que el ^235U . El mayor porcentaje de ^234U en el uranio natural enriquecido es aceptable en los reactores nucleares actuales, pero el uranio reprocesado (re-enriquecido) podría contener fracciones aún mayores de ^234U , lo cual es indeseable. ^{[ 29 ]} Esto se debe a que ^{el 234U} no es fisionable , aunque es fértil . Tiende a absorber neutrones lentos en un reactor nuclear , convirtiéndose en ^235U fisionable . ^{[ 28 ] [ 29 ]}

^{El 234U} tiene una sección transversal de captura de neutrones de aproximadamente 100 barns para neutrones térmicos y de aproximadamente 700 barns para su integral de resonancia , que es el promedio sobre neutrones con diversas energías intermedias. En un reactor nuclear, los isótopos no fisionables capturan un neutrón que produce isótopos fisionables. ^{El 234U} se convierte en ^235U con mayor facilidad y, por lo tanto, a mayor velocidad que el uranio-238 en plutonio-239 (a través del neptunio-239 ), porque el ^{238U tiene una} sección transversal de captura de neutrones mucho menor, de tan solo 2,7 barns.

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

El uranio-235 tiene una vida media de 704  millones de años. Fue descubierto en 1935 por Arthur Jeffrey Dempster . Su sección transversal de fisión para neutrones térmicos lentos es de aproximadamente584,3 ± 1 barns . ^{[ 30 ]} Para neutrones rápidos es del orden de 1  barn. A niveles de energía térmica, aproximadamente 5 de cada 6 absorciones de neutrones resultan en fisión y 1 de cada 6 resultan en captura de neutrones formando uranio-236 . ^{[ 31 ]} La relación fisión-captura mejora para neutrones más rápidos.

El uranio-236 tiene una vida media de unos 23 millones de años; no es fisionable con neutrones térmicos ni un material fértil de gran calidad, sino que generalmente se considera un residuo radiactivo problemático y de larga duración . Se encuentra en el combustible nuclear gastado y en el uranio reprocesado a partir de dicho combustible.

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 descubrimiento casi acertado, infirió la creación del elemento 93, pero no pudo aislar el elemento, entonces desconocido, ni medir sus propiedades de desintegración. ^{[ 32 ]}

El uranio-238 ( ^238U o U-238) es el isótopo más común del uranio en la naturaleza. No es fisionable , pero es fértil : ^{[ 33 ]} puede capturar un neutrón lento y, después de dos desintegraciones beta, convertirse en plutonio-239 fisionable . El uranio-238 es fisionable por neutrones rápidos, pero no puede sustentar una reacción en cadena porque la dispersión inelástica reduce la energía del neutrón 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 del ^238U , que aumenta la absorción a medida que aumenta la temperatura del combustible, es un mecanismo de retroalimentación negativa esencial para el control del reactor.

Alrededor del 99,274% del uranio natural es uranio-238, que tiene una vida media de 4,463 × 10⁹ ^años . El uranio empobrecido tiene una concentración aún mayor de ^238U , e incluso el uranio de bajo enriquecimiento (LEU) sigue siendo mayoritariamente ^238U . El uranio reprocesado también es principalmente ^238U , 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 .

El uranio-239 se produce generalmente exponiendo ^{el 238U} a la radiación de neutrones en un reactor nuclear. El ^239U 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. ^{[ 34 ]} 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. ^{[ 35 ]}

^{El 239Np} , con una vida media de aproximadamente 2,356 días, se desintegra betamente para dar lugar al plutonio-239 .