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Articulo de referencia

Uranio-235

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Uranio-235 ( 235)El uranio -235 ( U-235 ) es un isótopo del uranio que constituye aproximadamente el 0,72 % del uranio natural . A diferencia del isótopo predominante, el uranio-238 , es fisionable , es decir, puede mantener una reacción nuclear en cadena . Es el único isótopo fisionable que existe en la naturaleza como nucleido primordial y fue descubierto en 1935 por Arthur Jeffrey Dempster .

La energía liberada por la fisión del uranio-235 alimenta la mayoría de los reactores nucleares y las armas nucleares . El enriquecimiento de uranio es el proceso de tomar uranio natural y aumentar la proporción de uranio-235. Algunos tipos de reactores pueden usar uranio natural directamente, mientras que las armas nucleares y otros tipos de reactores requieren uranio enriquecido en U-235.

El uranio-235 tiene una vida media de 704  millones de años. Su sección transversal de fisión para neutrones térmicos lentos es aproximadamente584,3 ± 1 barns . [ 4 ] Para neutrones rápidos es del orden de 1  barn. [ 5 ] La mayoría de las absorciones de neutrones inducen fisión, aunque una minoría (alrededor del 15 %) resulta en la formación de uranio-236 . [ 6 ] [ 7 ]

Propiedades de fisión

Fisión nuclear observada con un núcleo de uranio-235

La fisión de un átomo de uranio-235 libera202,5  ​​MeV (3,24 × 10⁻¹¹ J  ) dentro del reactor. Esto corresponde a 19,54  TJ/ mol , o 83,14  TJ/kg. [ 8 ] Otros 8,8  MeV escapan del reactor como antineutrinos. Cuando los núcleos de ²³⁵U⁹² son bombardeados con neutrones , una de las muchas reacciones de fisión que puede experimentar es la siguiente (mostrada en la imagen adyacente):

1 0 norte+ 235 92 U→ 236 92 U→ 144 56 Ba+ 89 36 Kr+ 3 1 0 norte

Los reactores de agua pesada y algunos reactores moderados por grafito pueden usar uranio natural, pero los reactores de agua ligera deben usar uranio poco enriquecido debido a la mayor absorción de neutrones del agua ligera. El enriquecimiento de uranio elimina parte del uranio-238 y aumenta la proporción de uranio-235. El uranio altamente enriquecido (UHE), que contiene una proporción aún mayor de uranio-235, se utiliza a veces en los reactores de submarinos nucleares , reactores de investigación y armas nucleares .

Si al menos un neutrón de la fisión del uranio-235 impacta contra otro núcleo y provoca su fisión, la reacción en cadena continuará. Si la reacción se mantiene, se denomina crítica , y la masa de 235U necesaria para alcanzar esta condición crítica se conoce como masa crítica. Una reacción en cadena crítica puede lograrse con bajas concentraciones de 235U si se modera la velocidad de los neutrones de la fisión , ya que la probabilidad de fisión es mayor con neutrones lentos . Una reacción en cadena de fisión produce fragmentos de masa intermedia altamente radiactivos que generan energía adicional mediante su desintegración radiactiva . Algunos de estos fragmentos producen neutrones, denominados neutrones retardados , que contribuyen a la reacción en cadena de fisión. La potencia de salida de los reactores nucleares se ajusta mediante la ubicación de las barras de control, que contienen elementos que absorben fuertemente los neutrones, como el boro , el cadmio o el hafnio , en el núcleo del reactor. En las bombas nucleares , la reacción es incontrolada y la gran cantidad de energía liberada crea una explosión nuclear .

armas nucleares

La bomba atómica tipo cañón Little Boy , lanzada sobre Hiroshima el 6 de agosto de 1945, estaba hecha de uranio altamente enriquecido con un gran tampón . La masa crítica esférica nominal para un arma nuclear de 235U sin tampón es de 56 kilogramos (123 lb) , [ 9 ] que formaría una esfera de 17,32 centímetros (6,82 in) de diámetro. El material debe ser 85% o más de 235U y se conoce como uranio de grado armamentístico , aunque para un arma rudimentaria e ineficiente un enriquecimiento del 20% es suficiente (llamado apto para armas ). Se puede usar un enriquecimiento aún menor, pero esto hace que la masa crítica requerida aumente rápidamente. El uso de un tamper grande, geometrías de implosión , tubos de disparo, disparadores de polonio , mejora de tritio y reflectores de neutrones pueden permitir un arma más compacta y económica que utilice una cuarta parte o menos de la masa crítica nominal, aunque esto probablemente solo sería posible en un país que ya tuviera una amplia experiencia en la ingeniería de armas nucleares. La mayoría de los diseños modernos de armas nucleares utilizan plutonio-239 como componente fisionable de la etapa primaria; [ 10 ] [ 11 ] sin embargo, el HEU (uranio altamente enriquecido, en este caso uranio que es 20% o más 235 U) se utiliza frecuentemente en la etapa secundaria como ignición para el combustible de fusión.  

Decadencia

El uranio-235 es un emisor alfa, [ 12 ] produciendo torio-231 . El uranio-235 es el principal progenitor de la serie del actinio , una de las principales cadenas de desintegración de los actínidos , ya que es el nucleido primordial más longevo y único (aparte del producto final, el plomo-207 ). Comenzando con el uranio-235 natural, esta serie incluye isótopos de astato , bismuto , francio , plomo , polonio , protactinio , radio , radón , talio y torio , todos presentes en fuentes naturales de uranio. La desintegración se produce como (solo se muestran las ramas principales de desintegración):

U92235→7.04×108 yαEl90231→25.52 hβ−Pensilvania91231→3.27×104 yαC.A89227{→21.772 y98,62%β−El90227→18.693 dα→21.772 y1.38%αPadre87223→22.00 minβ−}Real academia de bellas artes88223→11.435 dαRn86219Rn86219→3,96 sαCorreos84215→1.781 EMαPb82211→36.16 minβ−Bi83211{→2.14 min99.724%αTl81207→4,77 minβ−→2.14 min0,276%β−Correos84211→0,516 sα}Pb82207{\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{235}_{92}U->[\alpha ][7.04\times 10^{8}\ {\ce {y}}]{^{231}_{90}Th}->[\beta ^{-}][25.52\ {\ce {h}}]{^{231}_{91}Pa}->[\alpha ][3.27\times 10^{4}\ {\ce {y}}]{^{227}_{89}Ac}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[98.62\%\beta ^{-}][21.772\ {\ce {y}}]{^{227}_{90}Th}->[\alpha ][18.693\ {\ce {d}}]}}\\{\ce {->[1.38\%\alpha ][21.772\ {\ce {y}}]{^{223}_{87}Fr}->[\beta ^{-}][22.00\ {\ce {min}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{223}_{88}Ra->[\alpha ][11.435\ {\ce {d}}]{^{219}_{86}Rn}}}\\{\ce {^{219}_{86}Rn->[\alpha ][3.96\ {\ce {s}}]{^{215}_{84}Po}->[\alpha ][1.781\ {\ce {ms}}]{^{211}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][36.16\ {\ce {min}}]{^{211}_{83}Bi}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[99.724\%\alpha ][2.14\ {\ce {min}}]{^{207}_{81}Tl}->[\beta ^{-}][4.77\ {\ce {min}}]}}\\{\ce {->[0.276\%\beta ^{-}][2.14\ {\ce {min}}]{^{211}_{84}Po}->[\alpha ][0.516\ {\ce {s}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{207}_{82}Pb}}\end{array}}}

O en forma tabular, incluyendo las ramas menores:

datación astrofísica

El conocimiento de las proporciones de producción actuales y teóricas de uranio-235 a uranio-238 permite la datación radiométrica , es decir, el tiempo transcurrido desde que se formaron los núcleos de uranio modernos en la nucleosíntesis estelar .

El artículo histórico de B2FH de 1957 en astrofísica explicó el proceso r mediante el cual se forman ambos núcleos. Los autores predijeron sus abundancias relativas y las de sus nucleidos progenitores de rápida desintegración alfa . Así, predijeron 1,64 como la relación 235U / 238U aportada al medio interestelar por eventos del proceso r ( supernovas y kilonovas descubiertas posteriormente ). Esto tarda miles de millones de años en disminuir hasta su valor actual de 0,0072 (véase uranio natural ). Investigaron escenarios para la contribución histórica a la nebulosa solar , antes de que la contribución se interrumpiera con la formación del Sol hace 4.500 millones de años. Los escenarios son: una sola supernova, una serie uniforme continua finita de supernovas que representa la vida útil de la Vía Láctea y una serie infinita que representa el universo en estado estacionario . A partir del segundo escenario, estimaron una edad de la Vía Láctea de alrededor de 10.000 millones de años, en comparación con un valor moderno de 13.610 millones de años. En ese momento, los objetos más antiguos conocidos eran cúmulos globulares , de los cuales se estimaba que los más antiguos tenían unos 6.500 millones de años. [ 13 ]

Referencias

  1. ↑ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "La evaluación NUBASE2020 de las propiedades nucleares" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
  2. ↑ Wang, Meng; Huang, WJ; Kondev, FG; Audi, G.; Naimi, S. (2021). "Evaluación de la masa atómica AME 2020 (II). Tablas, gráficos y referencias*". Chinese Physics C . 45 (3) 030003. doi : 10.1088/1674-1137/abddaf .
  3. ↑ Centro Nacional de Datos Nucleares . "Base de datos NuDat 3.0" . Laboratorio Nacional de Brookhaven .
  4. ↑ "#Reacción estándar: 235U(n,f)" . www-nds.iaea.org . OIEA . Consultado el 4 de mayo de 2020 .
  5. ↑ ""Algunos aspectos físicos del uranio", UIC.com.au " . Archivado del original el 17 de julio de 2007 . Consultado el 18 de enero de 2009 .
  6. ↑ "Relación captura-fisión" . nuclear-power.com . Consultado el 26 de junio de 2024 .
  7. ↑ Cabell, MJ; Slee, LJ (1962). "La relación entre la captura de neutrones y la fisión del uranio-235". Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry . 24 (12): 1493– 1500. doi : 10.1016/0022-1902(62)80002-5 .
  8. 1 2 Fisión y fusión nuclear e interacciones de neutrones , Archivo del Laboratorio Nacional de Física.
  9. ↑ "FAS Nuclear Weapons Design FAQ" . Archivado del original el 7 de mayo de 1999. Consultado el 2 de septiembre de 2010 .
  10. ↑ Diseño de armas nucleares . Federación de Científicos Americanos. Archivado del original el 26 de diciembre de 2008. Consultado el 4 de junio de 2016 .
  11. ↑ Miner, William N.; Schonfeld, Fred W. (1968). "Plutonio" . En Clifford A. Hampel (ed.). La enciclopedia de los elementos químicos . Nueva York (NY): Reinhold Book Corporation. pág . 541. LCCN 68029938 .  
  12. ↑ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "La evaluación NUBASE2020 de las propiedades nucleares" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
  13. ↑ Burbidge, E. Margaret; Burbidge, GR; Fowler, William A.; Hoyle, F. (1957-10-01). "Síntesis de los elementos en las estrellas" . Reviews of Modern Physics . 29 (4): 547– 650. Bibcode : 1957RvMP...29..547B . doi : 10.1103/RevModPhys.29.547 . ISSN 0034-6861 . 
  • Tabla de nucleidos .
  • Manual de Fundamentos del DOE: Física Nuclear y Teoría de Reactores Vol. 1 ( Archivado el 31/07/2017 en Wayback Machine ), Vol. 2 ( Archivado el 20/12/2016 en Wayback Machine ).
  • Conceptos básicos sobre radionúclidos: Uranio — Agencia de Protección Ambiental de EE. UU.
  • Banco de datos de sustancias peligrosas de la NLM: Uranio radiactivo
  • "El milagro del U-235" , Popular Mechanics , enero de 1941: uno de los primeros artículos sobre el U-235 para el público en general.