Uranio-238 - Uranium-238

Uranio-238,  238 U
Uranium03.jpg
Muestra de 10 gramos
General
Símbolo 238 U
Nombres uranio-238, U-238
Protones 92
Neutrones 146
Datos de nucleidos
Abundancia natural 99,2745%
Media vida 4.468 mil millones de años
Isótopos parentales 242 Pu  ( α )
238 Pa  ( β - )
Productos de descomposición 234 mil
Masa de isótopos 238.05078826 u
Girar 0
Modos de decaimiento
Modo de decaimiento Energía de desintegración ( MeV )
decaimiento alfa 4.267
Isótopos de uranio
Tabla completa de nucleidos

El uranio-238 ( 238 U o U-238) es el isótopo de uranio más común que se encuentra en la naturaleza, con una abundancia relativa del 99%. A diferencia del uranio-235 , no es fisible, lo que significa que no puede sostener una reacción en cadena en un reactor de neutrones térmicos . Sin embargo, es fisionable por neutrones rápidos y es fértil , lo que significa que se puede transmutar en plutonio-239 fisionable . 238 U 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, también es un mecanismo de retroalimentación negativa esencial para el control del reactor.

Alrededor del 99,284% de la masa 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). Debido a su abundancia natural y vida media en relación con otros elementos radiactivos , 238 U produce ~ 40% del calor radiactivo producido dentro de la Tierra. La cadena de desintegración de 238 U aporta 6 antineutrinos de electrones por cada núcleo de 238 U (1 por desintegración beta ), lo que da como resultado una gran señal de geoneutrino detectable cuando se producen desintegraciones dentro de la Tierra. La desintegración de 238 U a isótopos hijos se usa ampliamente en la datación radiométrica , particularmente para material de más de ~ 1 millón 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 .

Aplicaciones de la energía nuclear

En un reactor nuclear de fisión , el uranio-238 se puede utilizar para generar plutonio-239 , que a su vez se puede utilizar en un arma nuclear o como suministro de combustible para un reactor nuclear. En un reactor nuclear típico, hasta un tercio de la energía generada proviene de la fisión de 239 Pu, que no se suministra como combustible al reactor, sino que se produce a partir de 238 U.

Reactores reproductores

El 238 U no se puede utilizar directamente como combustible nuclear , aunque puede producir energía a través de la fisión "rápida" . En este proceso, un neutrón que tiene una energía cinética superior a 1  MeV puede hacer que el núcleo de 238 U se divida en dos. Dependiendo del diseño, este proceso puede contribuir entre el uno y el diez por ciento de todas las reacciones de fisión en un reactor, pero muy pocos de los 2.5 neutrones promedio producidos en cada fisión tienen suficiente velocidad para continuar una reacción en cadena.

El 238 U se puede utilizar como material de partida para crear plutonio-239, que a su vez se puede utilizar como combustible nuclear. Los reactores reproductores llevan a cabo un proceso de transmutación para convertir el isótopo fértil 238 U en fisible 239 Pu. Se ha estimado que hay entre 10.000 y cinco mil millones de años de 238 U para su uso en estas plantas de energía . La tecnología de reproducción se ha utilizado en varios reactores nucleares experimentales.

En diciembre de 2005, el único reactor reproductor que producía energía era el reactor BN-600 de 600 megavatios de la central nuclear de Beloyarsk en Rusia. Más tarde, Rusia construyó otra unidad, BN-800 , en la central nuclear de Beloyarsk, que entró en pleno funcionamiento en noviembre de 2016. Además , se ordenó el reactor reproductor Monju de Japón , que ha estado inoperativo la mayor parte del tiempo desde que se construyó originalmente en 1986. para su desmantelamiento en 2016, después de que se descubrieron los riesgos de seguridad y diseño, con una fecha de finalización fijada para 2047. Tanto China como la India han anunciado planes para construir reactores reproductores nucleares.

El reactor reproductor, como su nombre lo indica, crea cantidades aún mayores de 239 Pu o 233 U que el reactor nuclear de fisión.

El Reactor Avanzado Limpio y Ambientalmente Seguro (CAESAR), un concepto de reactor nuclear que usaría vapor como moderador para controlar neutrones retardados , potencialmente podrá usar 238 U como combustible una vez que el reactor se ponga en marcha con uranio poco enriquecido (LEU). combustible. Este diseño aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo.

Blindaje de radiación

238 U también se utiliza como un escudo contra la radiación - su radiación alfa se detiene fácilmente por la no radiactivo carcasa del blindaje y alta del uranio peso atómico y el alto número de electrones son altamente eficaces en la absorción de rayos gamma y rayos x . No es tan eficaz como el agua corriente para detener los neutrones rápidos . Tanto el uranio empobrecido metálico como el dióxido de uranio empobrecido se utilizan para el blindaje contra las radiaciones. El uranio es aproximadamente cinco veces mejor como escudo de rayos gamma que el plomo , por lo que un escudo con la misma eficacia se puede empaquetar en una capa más delgada.

DUCRETE , un hormigón hecho con agregado de dióxido de uranio en lugar de grava, está siendo investigado como material para sistemas de almacenamiento en barrica seca para almacenar desechos radiactivos .

Downblending

Lo contrario de enriquecer es mezclar . El uranio altamente enriquecido excedente se puede mezclar con uranio empobrecido o uranio natural para convertirlo en uranio poco enriquecido adecuado para su uso en combustible nuclear comercial.

238 U de uranio empobrecido y uranio natural también se utiliza con 239 Pu reciclado de arsenales de armas nucleares para fabricar combustible de óxidos mixtos (MOX), que ahora se está redirigiendo para convertirse en combustible para reactores nucleares. Esta dilución, también llamada downmezcla, significa que cualquier nación o grupo que adquiriera el combustible terminado tendría que repetir el proceso de separación química muy costoso y complejo del uranio y el plutonio antes de ensamblar un arma.

Armas nucleares

La mayoría de las armas nucleares modernas utilizan 238 U como material de "manipulación" (ver diseño de armas nucleares ). Un sabotaje que rodea un núcleo fisionable trabaja para reflejar los neutrones y agregar inercia a la compresión de la carga de 239 Pu. Como tal, aumenta la eficiencia del arma y reduce la masa crítica requerida. En el caso de un arma termonuclear , se pueden usar 238 U para encerrar el combustible de fusión, el alto flujo de neutrones muy energéticos de la reacción de fusión resultante hace que los núcleos de 238 U se dividan y agregue más energía al "rendimiento" del arma. Estas armas se denominan armas de fisión-fusión-fisión después del orden en que tiene lugar cada reacción. Un ejemplo de tal arma es Castle Bravo .

La mayor parte del rendimiento explosivo total en este diseño proviene de la etapa final de fisión alimentada por 238 U, que produce enormes cantidades de productos de fisión radiactivos . Por ejemplo, se estima que el 77% del rendimiento de 10,4 megatones de la prueba termonuclear Ivy Mike en 1952 provino de la fisión rápida del manipulador de uranio empobrecido . Debido a que el uranio empobrecido no tiene masa crítica, se puede agregar a las bombas termonucleares en cantidades casi ilimitadas. La prueba de la Unión Soviética de la Bomba Tsar en 1961 produjo "sólo" 50 megatones de poder explosivo, más del 90% de los cuales provino de la fisión causada por neutrones suministrados por fusión, porque la etapa final de 238 U había sido reemplazada por plomo. Si se hubiera utilizado 238 U en su lugar, el rendimiento de la bomba Tsar podría haber estado muy por encima de los 100 megatones, y habría producido una lluvia radiactiva equivalente a un tercio del total mundial que se había producido hasta ese momento.

Serie de radio (o serie de uranio)

La cadena de desintegración de 238 U se denomina comúnmente " serie de radio " (a veces "serie de uranio"). Comenzando con el uranio-238 de origen natural, esta serie incluye los siguientes elementos: astato , bismuto , plomo , polonio , protactinio , radio , radón , talio y torio . Todos los productos de descomposición están presentes, al menos de forma transitoria, en cualquier muestra que contenga uranio, ya sea de metal, compuesto o mineral. La descomposición procede como:

Nuclido padre Nombre histórico (corto) Nombre histórico (largo) Masa atomica Modo de decaimiento Oportunidad de rama Media vida Energía liberada, MeV Nuclido hija Subtotal, MeV
238 U U yo Uranio I 238.051 α 100% 4.468 · 10 9 a 4.26975 234 mil 4.2698
234 mil UX 1 Uranio X 1 234.044 β - 100% 24.10 d 0.273088 234m Pa 4.5428
234m Pa UX 2 , Bv Uranio X 2 , Brevio 234.043 ESO 0,16% 1,159 min 0.07392 234 Pa 4.6168
234m Pa UX 2 , Bv Uranio X 2 , Brevio 234.043 β - 99,84% 1,159 min 2.268205 234 U 6.8110
234 Pa UZ Uranio Z 234.043 β - 100% 6,70 horas 2.194285 234 U 6.8110
234 U U II Uranio II 234.041 α 100% 2.455 · 10 5 a 4.8598 230 mil 11.6708
230 mil Io Ionio 230.033 α 100% 7.54 · 10 4 a 4.76975 226 Ra 16.4406
226 Ra Real academia de bellas artes Radio 226.025 α 100% 1600 a 4.87062 222 Rn 21.3112
222 Rn Rn Radón, emanación de radio 222.018 α 100% 3.8235 días 5.59031 218 Po 26.9015
218 Po RaA Radio A 218.009 β - 0,020% 3.098 min 0.259913 218 en 27.1614
218 Po RaA Radio A 218.009 α 99,980% 3.098 min 6.11468 214 Pb 33.0162
218 en 218.009 β - 0,1% 1,5 s 2.881314 218 Rn 30.0428
218 en 218.009 α 99,9% 1,5 s 6.874 214 Bi 34.0354
218 Rn 218.006 α 100% 35 ms 7.26254 214 Po 37.3053
214 Pb RaB Radio B 214.000 β - 100% 26,8 min 1.019237 214 Bi 34.0354
214 Bi RaC Radio C 213.999 β - 99,979% 19,9 min 3.269857 214 Po 37.3053
214 Bi RaC Radio C 213.999 α 0,021% 19,9 min 5.62119 210 Tl 39.6566
214 Po RaC I Radio C I 213.995 α 100% 164,3 μs 7.83346 210 Pb 45.1388
210 Tl RaC II Radio C II 209.990 β - 100% 1,30 min 5.48213 210 Pb 45.1388
210 Pb RaD Radio D 209.984 β - 100% 22.20 a 0.063487 210 Bi 45.2022
210 Pb RaD Radio D 209.984 α 1,9 · 10 −6  % 22.20 a 3.7923 206 Hg 48,9311
210 Bi RaE Radio E 209.984 β - 100% 5.012 días 1.161234 210 Po 46.3635
210 Bi RaE Radio E 209.984 α 13,2 · 10 −5  % 5.012 días 5.03647 206 Tl 50.2387
210 Po RaF Radio F 209.983 α 100% 138,376 d 5.40745 206 Pb 51.7709
206 Hg 205.978 β - 100% 8,32 min 1.307649 206 Tl 50.2387
206 Tl RaE II Radio E II 205.976 β - 100% 4.202 min 1.532221 206 Pb 51.7709
206 Pb Trapo Radio G 205,974 estable - - - - 51.7709

La vida media de 238 U es 1,41 × 10 17 segundos dividida por 0,693 (o multiplicada por 1,443), es decir, ca. 2 × 10 17 segundos, por lo que 1 mol de 238 U emite 3 × 10 6 partículas alfa por segundo, produciendo el mismo número de átomos de torio-234 . En un sistema cerrado se alcanzaría un equilibrio, con todas las cantidades excepto el plomo-206 y 238 U en proporciones fijas, en cantidades que disminuyen lentamente. La cantidad de 206 Pb aumentará en consecuencia mientras que la de 238 U disminuye; todos los pasos de la cadena de desintegración tienen la misma tasa de 3 × 10 6 partículas desintegradas por segundo por mol de 238 U.

El torio-234 tiene una vida media de 3 × 10 6 segundos, por lo que hay equilibrio si un mol de 238 U contiene 9 × 10 12 átomos de torio-234, que es 1,5 × 10 - 11 mol (la relación de las dos mitades -vidas). De manera similar, en un equilibrio en un sistema cerrado, la cantidad de cada producto de desintegración, excepto el plomo, es proporcional a su vida media.

Mientras que 238 U es mínimamente radiactivo, sus productos de desintegración, torio-234 y protactinio-234, son emisores de partículas beta con vidas medias de aproximadamente 20 días y un minuto respectivamente. El protactinio-234 se descompone en uranio-234, que tiene una vida media de cientos de milenios, y este isótopo no alcanza una concentración de equilibrio durante mucho tiempo. Cuando los dos primeros isótopos de la cadena de desintegración alcanzan sus concentraciones de equilibrio relativamente pequeñas, una muestra de 238 U inicialmente puros emitirá tres veces la radiación debida al propio 238 U, y la mayor parte de esta radiación son partículas beta.

Como ya se mencionó anteriormente, al comenzar con 238 U puro , dentro de una escala de tiempo humana, el equilibrio se aplica solo a los primeros tres pasos en la cadena de desintegración. Así, por un mol de 238 U, se producen 3 × 10 6 veces por segundo una alfa y dos partículas beta y un rayo gamma, juntas 6,7 MeV, a una velocidad de 3 µW. Extrapolado en 2 × 10 17 segundos, esto es 600 gigajulios, la energía total liberada en los primeros tres pasos de la cadena de desintegración.

Datación radiactiva

La abundancia de 238 U y su desintegración en isótopos hijos comprende múltiples técnicas de "datación por uranio" y es uno de los isótopos radiactivos más comunes utilizados en la datación radiométrica . El método de datación más común es la datación con 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 con 4.400 millones de años.

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.

El producto hijo de 238 U, 206 Pb, es una parte integral de la datación plomo-plomo , que es más famosa por la determinación de la edad de la Tierra .

La nave espacial del programa Voyager lleva pequeñas cantidades de 238 U inicialmente puros en las cubiertas de sus discos de oro para facilitar la datación de la misma manera.

Ver también

Referencias

enlaces externos


Mechero:
uranio-237
El uranio-238 es un
isótopo del uranio
Más pesado:
uranio-239
Producto de desintegración de:
plutonio-242 ( α )
protactinio-238 ( β- )
Cadena
de desintegración del uranio-238
Decae a:
torio-234 (α)