Uranio-238

Uranio-238 ( ²³⁸⁾El uranio-238 (U o U-238 ) es el isótopo de uranio más común en la naturaleza, con una abundancia relativa superior al 99%. A diferencia del uranio-235 , no es fisionable, lo que significa que no puede mantener una reacción en cadena en un reactor de neutrones térmicos . Sin embargo, es fisionable por neutrones rápidos y es fértil , lo que significa que puede transmutarse en plutonio-239 fisionable. ^{El 238U} no puede mantener 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. El ensanchamiento Doppler de las resonancias de absorción de neutrones del ^238U , que aumenta la absorción a medida que aumenta la temperatura del combustible, también es un mecanismo de retroalimentación negativa esencial para el control del reactor.

El isótopo tiene una vida media de 4.463 millones de años (1,408 × 10 ¹⁷  s ). Debido a su abundancia y tasa de desintegración relativa de vida media con otros elementos radiactivos , ^{el 238} U es responsable de aproximadamente el 40% del calor radiactivo producido dentro de la Tierra. ^{[ 4 ]} La cadena de desintegración del ²³⁸ U contribuye con seis antineutrinos electrónicos por núcleo de ^{238 U (uno por} desintegración beta ), lo que resulta en una gran señal de geoneutrinos detectable cuando ocurren desintegraciones dentro de la Tierra. ^{[ 5 ]} La desintegración del ²³⁸ U en isótopos hijos se utiliza ampliamente en la datación radiométrica , particularmente para material más antiguo que aproximadamente 1 millón de años. 

El uranio empobrecido tiene una concentración aún mayor del isótopo ^{238U , e incluso} el uranio de bajo enriquecimiento (LEU), si bien tiene una mayor proporción del isótopo uranio-235 (en comparación con el uranio empobrecido), 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 . ^{[ 6 ]}

En un reactor nuclear de fisión , el uranio-238 puede utilizarse para generar plutonio-239 , que a su vez puede utilizarse en un arma nuclear o como combustible para un reactor nuclear. En un reactor nuclear típico, hasta un tercio de la energía generada proviene de la fisión del ^239Pu , que no se suministra como combustible al reactor, sino que se produce a partir del ^238U . ^{[ 7 ]} Una cierta cantidad de producción de ²³⁹Pu de ²³⁸El U es inevitable dondequiera que esté expuesto a la radiación de neutrones . Dependiendo del grado de quemado y la temperatura de los neutrones , diferentes proporciones del ²³⁹El Pu se convierte a ²⁴⁰Pu , que determina el "grado" del plutonio producido, que va desde grado armamento , pasando por grado reactor , hasta plutonio tan alto en ²⁴⁰Pu que no puede utilizarse en reactores actuales que operan con un espectro de neutrones térmicos. Este último generalmente implica combustible MOX usado "reciclado" que entró al reactor conteniendo cantidades significativas de plutonio .

La mayoría de las armas nucleares modernas utilizan ^238U como material de "concentración" (véase diseño de armas nucleares ). Este material, que rodea un núcleo fisionable, refleja los neutrones y añade inercia a la compresión de la carga de ^239Pu . De este modo, aumenta la eficiencia del arma y reduce la masa crítica necesaria. En el caso de un arma termonuclear , el ^238U se puede utilizar para recubrir el combustible de fusión. El alto flujo de neutrones de alta energía de la reacción de fusión resultante provoca la fisión de los núcleos de ^238U , lo que aumenta la energía del arma. Estas armas se denominan armas de fisión-fusión-fisión, según el orden en que se produce cada reacción. Un ejemplo de este tipo de arma es Castle Bravo .

La mayor parte de la potencia explosiva total de este diseño proviene de la etapa final de fisión alimentada con ^238U , que produce enormes cantidades de productos de fisión radiactivos . Por ejemplo, se estima que el 77% de la potencia de 10,4 megatones de la prueba termonuclear Ivy Mike en 1952 provino de la fisión rápida del uranio empobrecido . Dado que el uranio empobrecido (o natural) no tiene masa crítica, puede añadirse a las bombas termonucleares en cantidades prácticamente ilimitadas. La prueba soviética de la Tsar Bomba en 1961 produjo "solo" 50 megatones de potencia explosiva, de los cuales más del 90% provino de la fusión porque la etapa final de ^238U había sido reemplazada por plomo. Si se hubiera utilizado ^238U en su lugar, la potencia de la Tsar Bomba podría haber superado los 100 megatones y habría producido una lluvia radiactiva equivalente a un tercio del total mundial producido hasta ese momento.

El uranio-238 es un emisor alfa, que produce torio-234 , un emisor beta, etc. Esto da lugar a una cadena de desintegración , comúnmente llamada serie del radio o serie del uranio . Comenzando con el uranio-238 natural, esta serie incluye isótopos de astato , bismuto , plomo , polonio , protactinio , radio , radón , talio , torio y uranio , todos presentes en fuentes naturales de uranio. La desintegración se produce como (solo se muestran las ramas principales de desintegración): ^{[ 11 ]}

${\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{238}_{92}U->[\alpha ][4.463\times 10^{9}\ {\ce {y}}]{^{234}_{90}Th}->[\beta ^{-}][24.11\ {\ce {d}}]{^{234\!m}_{91}Pa}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[0.16\%][1.16\ {\ce {min}}]{^{234}_{91}Pa}->[\beta ^{-}][6.70\ {\ce {h}}]}}\\{\ce {->[99.84\%\ \beta ^{-}][1.16\ {\ce {min}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{234}_{92}U->[\alpha ][2.455\times 10^{5}\ {\ce {y}}]{^{230}_{90}Th}->[\alpha ][7.54\times 10^{4}\ {\ce {y}}]{^{226}_{88}Ra}->[\alpha ][1600\ {\ce {y}}]{^{222}_{86}Rn}}}\\{\ce {^{222}_{86}Rn->[\alpha ][3.8235\ {\ce {d}}]{^{218}_{84}Po}->[\alpha ][3.097\ {\ce {min}}]{^{214}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][27.06\ {\ce {min}}]{^{214}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][19.9\ {\ce {min}}]{^{214}_{84}Po}->[\alpha ][164.3\ \mu {\ce {s}}]{^{210}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][22.2\ {\ce {y}}]{^{210}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][5.012\ {\ce {d}}]{^{210}_{84}Po}->[\alpha ][138.376\ {\ce {d}}]{^{206}_{82}Pb}}}\end{array}}}$

O en forma tabular, incluyendo las ramas menores:

La vida media del ^238U (o de cualquier nucleido) es la vida media dividida por ln(2)  ≈  0,693 (o multiplicada por 1/ln(2)  ≈  1,443), que es aproximadamente 2 × 10¹⁷ segundos, por lo que 1 mol de ²³⁸ U emite 3 × 10⁶ partículas alfa por segundo, produciendo el mismo número de átomos de torio-234 . En un sistema cerrado se alcanzaría un equilibrio en el que todos los miembros, excepto el producto final estable, tendrían proporciones fijas entre sí, pero en cantidades que disminuyen lentamente. La cantidad de ²⁰⁶ Pb aumentará en consecuencia, mientras que la de ²³⁸ U disminuirá; todos los pasos en la cadena de desintegración tienen esta misma tasa de 3 × 10.⁶ partículas desintegradas por segundo por mol ^{de 238} U.

Si bien ^{el 238U} es mínimamente radiactivo, sus productos de desintegración, el torio-234 y el protactinio-234, emiten 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 hasta mucho tiempo después. Cuando los dos primeros isótopos de la cadena de desintegración alcanzan sus concentraciones de equilibrio relativamente bajas, una muestra de ^238U inicialmente puro emitirá tres veces la radiación debida al propio ^238U , y la mayor parte de esta radiación son partículas beta.

Como ya se mencionó anteriormente, al partir de ^238U puro , dentro de una escala de tiempo humana el equilibrio se aplica solo para los tres primeros pasos en la cadena de desintegración. Por lo tanto, para un mol de ^238U , 3 × 10Se producen ⁶  veces por segundo una partícula alfa, dos partículas beta y un rayo gamma, con una energía total de 6,7 MeV, a una tasa de 3 μW. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

El átomo ^{de 238U} es en sí mismo un emisor gamma a 49,55 keV con una probabilidad del 0,084%, pero esa es una línea gamma muy débil, por lo que la actividad se mide a través de sus nucleidos hijos en su serie de desintegración. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

^{La abundancia de 238U} y su desintegración en isótopos hijos comprende múltiples técnicas de datación de uranio y es uno de los isótopos radiactivos más comunes utilizados en la datación radiométrica . El método de datación más común es la datación uranio-plomo , que se utiliza para datar rocas de más de 1 millón de años y ha proporcionado edades para las rocas más antiguas de la Tierra, de 4400 millones de años. ^{[ 16 ]}

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 antigüedad. ^{[ 17 ]}

El producto de desintegración del ^{238U , el 206Pb} , es una parte integral de la datación plomo-plomo , que es más famosa por la determinación de la edad de la Tierra . ^{[ 18 ]}

Las naves espaciales del programa Voyager llevan pequeñas cantidades de ²³⁸ U inicialmente puro en las cubiertas de sus discos de oro para facilitar la datación de la misma manera. ^{[ 19 ]}

El uranio emite radiación alfa , por lo que la exposición externa tiene un efecto limitado. Sin embargo, una exposición interna significativa a partículas diminutas de uranio o a sus productos de desintegración, como el torio-230, el radio-226 y el radón-222 , puede causar graves problemas de salud, como cáncer de hueso o de hígado.

El uranio también es químicamente tóxico, lo que significa que la ingestión de uranio puede causar daño renal debido a sus propiedades químicas mucho antes de que sus propiedades radiactivas causen cáncer de hueso o hígado. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

• uranio empobrecido
• Datación uranio-plomo

• Banco de datos de sustancias peligrosas de la NLM: Uranio radiactivo