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Peso atómico estándar A r °(U) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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El uranio ( 92 U) es un elemento radiactivo (radioelemento) de origen natural 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 214 U hasta el 242 U (excepto el 220 U). El peso atómico estándar del uranio natural es238.028 91 (3) .
El uranio natural consta de tres isótopos principales , 238 U (99,2739–99,2752% de abundancia natural ), 235 U (0,7198–0,7202%) y 234 U (0,0050–0,0059%). [5] 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 (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 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 desintegración en estas series hacen que la comparación de las proporciones de elementos padre-hijo sea útil en la datación radiométrica . El uranio-233 se forma 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 porque es el único isótopo existente en la naturaleza en un grado apreciable que es fisible en respuesta a los neutrones térmicos , es decir, la captura de neutrones térmicos tiene una alta probabilidad de inducir la fisión. Se puede sostener una reacción en cadena 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 , que también es fisible.
Nuclido [n.° 1] | Nombre histórico | O | norte | Masa isotópica ( Da ) [6] [n 2] [n 3] | Vida media [1] | Modo de decaimiento [1] [n 4] | Isótopo hija [n 5] [n 6] | Giro y paridad [1] [n 7] [n 8] | Abundancia natural (fracción molar) | ||||||||||
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Energía de excitación [n 8] | Proporción normal [1] | Rango de variación | |||||||||||||||||
214 U [7] | 92 | 122 | 0,52+0,95 -0,21 EM | alfa | 210º | 0+ | |||||||||||||
215 U | 92 | 123 | 215.026720(11) | 1,4(0,9) ms | alfa | 211 ° | 5/2−# | ||||||||||||
β + ? | 215 Pa | ||||||||||||||||||
216 U [8] | 92 | 124 | 216.024760(30) | 2.25+0,63 -0,40 EM | alfa | 212 ° | 0+ | ||||||||||||
216 m U | 2206 keV | 0,89+0,24 −0,16 EM | alfa | 212 ° | 8+ | ||||||||||||||
217 U [9] | 92 | 125 | 217.024660(86)# | 19.3+13,3 -5,6 EM | alfa | 213 ° | (1/2−) | ||||||||||||
β + ? | 217 Pa | ||||||||||||||||||
218 U [8] | 92 | 126 | 218.023505(15) | 650+80 −70 microsegundos | alfa | 214 ° | 0+ | ||||||||||||
218 m U | 2117 keV | 390+60 −50 microsegundos | alfa | 214 ° | 8+ | ||||||||||||||
¿ÉL? | 218 U | ||||||||||||||||||
219 U | 92 | 127 | 219.025009(14) | 60(7) microsegundos | alfa | 215 ° | (9/2+) | ||||||||||||
β + ? | 219 Pa | ||||||||||||||||||
221 U | 92 | 129 | 221.026323(77) | 0,66(14) μs | alfa | 217 ° | (9/2+) | ||||||||||||
β + ? | 221 Pa | ||||||||||||||||||
222 U | 92 | 130 | 222.026058(56) | 4,7(0,7) μs | alfa | 218 ° | 0+ | ||||||||||||
β + ? | 222 Pa | ||||||||||||||||||
223 U | 92 | 131 | 223.027961(63) | 65(12) microsegundos | alfa | 219 ° | 7/2+# | ||||||||||||
β + ? | 223 Pa | ||||||||||||||||||
224 U | 92 | 132 | 224.027636(16) | 396(17) μs | alfa | 220º | 0+ | ||||||||||||
β + ? | 224 Pa | ||||||||||||||||||
225 U | 92 | 133 | 225.029385(11) | 62(4) ms | alfa | 221 ° | 5/2+# | ||||||||||||
226 U | 92 | 134 | 226.029339(12) | 269(6) ms | alfa | 222 ° | 0+ | ||||||||||||
227 U | 92 | 135 | 227.0311811(91) | 1,1(0,1) minutos | alfa | 223 ° | (3/2+) | ||||||||||||
β + ? | 227 Pa | ||||||||||||||||||
228 U | 92 | 136 | 228.031369(14) | 9,1 (0,2) minutos | α (97,5%) | 224 ° | 0+ | ||||||||||||
CE (2,5%) | 228 Pa | ||||||||||||||||||
229 U | 92 | 137 | 229.0335060(64) | 57,8(0,5) minutos | β + (80%) | 229 Pa | (3/2+) | ||||||||||||
α (20%) | 225º | ||||||||||||||||||
230 U | 92 | 138 | 230.0339401(48) | 20,23(0,02) días | alfa | 226º | 0+ | ||||||||||||
¿ Ciencias de la naturaleza ? | (varios) | ||||||||||||||||||
CD (4,8 × 10 −12 %) | 208Pb22Ne | ||||||||||||||||||
231 U | 92 | 139 | 231.0362922(29) | 4,2(0,1) días | CE | 231 Pa | 5/2+# | ||||||||||||
α (.004%) | 227 ° | ||||||||||||||||||
232 U | 92 | 140 | 232.0371548(19) | 68,9(0,4) años | alfa | 228 ° | 0+ | ||||||||||||
CD (8,9×10 −10 %) | 208Pb24Ne | ||||||||||||||||||
SF (10 −12 %) | (varios) | ||||||||||||||||||
¿CD? | 204 Hg 28 Mg | ||||||||||||||||||
233 U | 92 | 141 | 233.0396343(24) | 1.592(2)×10 5 años | alfa | 229 ° | 5/2+ | Rastro [n° 9] | |||||||||||
CD (≤7,2×10 −11 %) | 209Pb24Ne | ||||||||||||||||||
¿Ciencias de la naturaleza? | (varios) | ||||||||||||||||||
CD ? | 205 Hg 28 Mg | ||||||||||||||||||
234 U [número 10] [número 11] | Uranio II | 92 | 142 | 234.0409503(12) | 2.455(6)×10 5 años | alfa | 230º | 0+ | [0,000054(5)] [n 12] | 0,000050– 0,000059 | |||||||||
SF (1,64×10 −9 %) | (varios) | ||||||||||||||||||
CD (1,4×10 −11 %) | 206 Hg 28 Mg | ||||||||||||||||||
CD (≤9×10 −12 %) | 208Pb26Ne | ||||||||||||||||||
CD (≤9×10 −12 %) | 210Pb24Ne | ||||||||||||||||||
234 m U | 1421.257(17) keV | 33,5(2,0) ms | ÉL | 234 U | 6− | ||||||||||||||
235 U [número 13] [número 14] [número 15] | Actina Uranio Actino-Uranio | 92 | 143 | 235.0439281(12) | 7.038(1)×10 8 años | alfa | 231 ° | 7/2− | [0,007204(6)] | 0,007198– 0,007207 | |||||||||
SF (7×10 −9 %) | (varios) | ||||||||||||||||||
CD (8×10 −10 %) | 215Pb20Ne | ||||||||||||||||||
CD (8×10 −10 %) | 210Pb25Ne | ||||||||||||||||||
CD (8×10 −10 %) | 207 Hg 28 Mg | ||||||||||||||||||
235m1 U | 0,076737(18) keV | 25,7(1) minutos | ÉL | 235 U | 1/2+ | ||||||||||||||
235m2 U | 2500(300) keV | 3,6(18) ms | SF | (varios) | |||||||||||||||
236 U | Touranio [10] | 92 | 144 | 236.0455661(12) | 2,342(3)×10 7 años | alfa | 232 ° | 0+ | Rastro [n.° 16] | ||||||||||
SF (9,6 × 10 −8 %) | (varios) | ||||||||||||||||||
CD (≤2,0×10 −11 %) [11] | 208 Hg 28 Mg | ||||||||||||||||||
CD (≤2,0×10 −11 %) [11] | 206Hg 30Mg | ||||||||||||||||||
236m1 U | 1052,5(6) keV | 100(4) ns | ÉL | 236 U | 4− | ||||||||||||||
236m2 U | 2750(3) keV | 120(2) ns | TI (87%) | 236 U | (0+) | ||||||||||||||
SF (13%) | (varios) | ||||||||||||||||||
237 U | 92 | 145 | 237.0487283(13) | 6.752(2)d | β − | 237 Pb | 1/2+ | Rastro [n.° 17] | |||||||||||
237 m U | 274,0(10) keV | 155(6) ns | ÉL | 237 U | 7/2− | ||||||||||||||
238 U [número 11] [número 13] [número 14] | Uranio I | 92 | 146 | 238.050787618(15) [12] | 4.468(3)×10 9 años | alfa | 234 ° | 0+ | [0,992742(10)] | 0,992739– 0,992752 | |||||||||
SF (5,44×10 −5 %) | (varios) | ||||||||||||||||||
β − β − (2,2 × 10 −10 %) | 238 Pu | ||||||||||||||||||
238 m U | 2557,9(5) keV | 280(6) ns | TI (97,4%) | 238 U | 0+ | ||||||||||||||
SF (2,6%) | (varios) | ||||||||||||||||||
239 U | 92 | 147 | 239.0542920(16) | 23,45(0,02) minutos | β − | 239 Pb | 5/2+ | Rastro [n.° 18] | |||||||||||
239m1 U | 133,7991(10) keV | 780(40)ns | ÉL | 239 U | 1/2+ | ||||||||||||||
239m2 U | 2500(900)# keV | >250 ns | ¿Ciencias de la naturaleza? | (varios) | 0+ | ||||||||||||||
¿ÉL? | 239 U | ||||||||||||||||||
240 U | 92 | 148 | 240.0565924(27) | 14,1(0,1) horas | β − | 240 NP | 0+ | Rastro [n° 19] | |||||||||||
¿alfa? | 236 ° | ||||||||||||||||||
241 U [13] | 92 | 149 | 241.06031(5) | ~40 minutos [14] [15] | β − | 241 Pn | 7/2+# | ||||||||||||
242 U | 92 | 150 | 242.06296(10) [13] | 16,8(0,5) minutos | β − | 242 pb | 0+ | ||||||||||||
Encabezado y pie de página de esta tabla: |
CD: | Desintegración del racimo |
CE: | Captura de electrones |
SF: | Fisión espontánea |
Actínidos [16] por cadena de desintegración | Intervalo de vida media ( a ) | Productos de fisión de 235 U por rendimiento [17] | ||||||
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4 n | 4n + 1 | 4n + 2 | 4n + 3 | 4,5–7% | 0,04–1,25 % | <0,001% | ||
228 Ra№ | 4–6 a | 155 UEþ | ||||||
248 Libro[18] | > 9 a | |||||||
244 cmƒ | 241 Puƒ | 250 Cf | 227 Ac№ | 10–29 a | 90 Sr | 85 coronas | 113 mcd | |
232 Uƒ | 238 Puƒ | 243 cmƒ | 29–97 a | 137 C | 151 Pequeñoþ | 121 millones de segundos | ||
249 Véaseƒ | 242m Soyƒ | 141–351 a | Ningún producto de fisión tiene una vida media | |||||
241 Soyƒ | 251 Véaseƒ[19] | 430–900 a | ||||||
226 Ra№ | 247 Libro | 1,3–1,6 ka | ||||||
240 Pu | 229 ° | 246 cmƒ | 243 Soyƒ | 4,7–7,4 mil | ||||
245 cmƒ | 250 centímetros | 8,3–8,5 ka | ||||||
239 Puƒ | 24,1 k | |||||||
230 °№ | 231 Pa№ | 32–76 k | ||||||
236 Npƒ | 233 Uƒ | 234 U№ | 150–250 mil | 99 Tc₡ | 126 seg | |||
248 centímetros | 242 Pu | 327–375 mil | 79 Se₡ | |||||
1,33 millones de años | 135 Cs₡ | |||||||
237 Npƒ | 1,61–6,5 millones de años | 93 Zr | 107 páginas | |||||
236 U | 247 cmƒ | 15–24 millones | 129 ₡ | |||||
244 Pu | 80 Ma | ... ni más allá de 15,7 Ma [20] | ||||||
232 °N° | 238 U№ | 235 Uƒ№ | 0,7–14,1 Ga | |||||
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El uranio-214 es el isótopo más ligero conocido del uranio. Fue descubierto en el Espectrómetro para Átomos Pesados y Estructura Nuclear (SHANS) en la Instalación de Investigación de Iones Pesados en Lanzhou , China en 2021, producido al quemar argón-36 en tungsteno-182. Se desintegra en alfa con una vida media de0,5 ms . [21] [22] [23] [24]
El uranio-232 tiene una vida media de 68,9 años y es un subproducto del ciclo del torio . Se lo ha citado como un obstáculo para la proliferación nuclear con 233 U, porque la intensa radiación gamma del 208 Tl (un descendiente del 232 U, producido con relativa rapidez) hace que el 233 U contaminado con él sea más difícil de manipular. El uranio-232 es un raro ejemplo de un isótopo par-par que es fisionable tanto con neutrones térmicos como rápidos. [25] [26]
El uranio-233 es un isótopo fisionable que se obtiene a partir del torio-232 como parte del ciclo del combustible de torio. El 233U se ha investigado para su uso en armas nucleares y como combustible para reactores. Se ha probado ocasionalmente, pero nunca se ha utilizado en armas nucleares y no se ha utilizado comercialmente como combustible nuclear. [27] 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 unos 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 solo 22 minutos. El torio-233 se desintegra en protactinio-233 . El protactinio-233 tiene una vida media de 27 días y se desintegra en uranio-233; algunos diseños de reactores de sales fundidas propuestos intentan aislar físicamente el protactinio de una mayor captura de neutrones antes de que pueda ocurrir la desintegración en beta.
El uranio-233 suele fisionarse por absorción de neutrones, pero a veces retiene el neutrón y se convierte en uranio-234 . La relación captura-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 vida corta , pero es superada por el neptunio-236, muy difícil de producir .
El 234 U se encuentra en el uranio natural como un producto de desintegración indirecta del uranio-238, pero constituye sólo 55 partes por millón del uranio porque su vida media de 245.500 años es sólo alrededor de 1/18.000 de la del 238 U. La vía de producción del 234 U es la siguiente: el 238 U alfa se desintegra en torio-234 . A continuación, con una vida media corta , el 234 Th beta se desintegra en protactinio-234 . Por último, el 234 Pa beta se desintegra en 234 U. [28] [29]
El 234 U alfa se desintegra en torio-230 , a excepción del pequeño porcentaje de núcleos que experimentan fisión espontánea .
La extracción de cantidades relativamente pequeñas de 234 U del uranio natural sería factible mediante la separación de isótopos , de forma similar al enriquecimiento normal del uranio. Sin embargo, no existe una demanda real en química , física o ingeniería para aislar 234 U. Se pueden extraer muestras muy pequeñas de 234 U puro mediante el proceso de intercambio iónico químico , a partir de muestras de plutonio-238 que han envejecido un poco para permitir cierta desintegración a 234 U mediante emisión alfa .
El uranio enriquecido contiene más 234 U que el uranio natural como subproducto del proceso de enriquecimiento de uranio destinado a obtener uranio-235 , que concentra isótopos más ligeros incluso más fuertemente que el 235 U. El mayor porcentaje de 234 U en el uranio natural enriquecido es aceptable en los reactores nucleares actuales, pero el uranio reprocesado (reenriquecido) podría contener fracciones aún mayores de 234 U, lo que es indeseable. [30] Esto se debe a que el 234 U no es fisible y tiende a absorber neutrones lentos en un reactor nuclear , convirtiéndose en 235 U. [29] [30]
El 234 U tiene una sección eficaz de captura de neutrones de aproximadamente 100 barns para neutrones térmicos y aproximadamente 700 barns 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. El 234 U se convierte en 235 U más fácilmente y, por lo tanto, a una tasa mayor que el uranio-238 en plutonio-239 (a través del neptunio-239 ), porque el 238 U tiene una sección eficaz de captura de neutrones mucho más pequeña de solo 2,7 barns.
El uranio-235 constituye aproximadamente el 0,72% del uranio natural. A diferencia del isótopo predominante, el 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 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 eficaz nuclear (de fisión) para neutrones térmicos lentos es de aproximadamente 504,81 barns . Para neutrones rápidos es del orden de 1 barn. A niveles de energía térmica, aproximadamente 5 de 6 absorciones de neutrones resultan en fisión y 1 de 6 resulta 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 y no es fisible con neutrones térmicos ni un material fértil, pero se considera generalmente un residuo radiactivo molesto y de larga vida . Se encuentra en el combustible nuclear gastado y en el uranio reprocesado que se obtiene a partir de él.
El uranio-237 tiene una vida media de unos 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 fallido infirió la creación del elemento 93, pero no pudo aislar el entonces desconocido elemento ni medir sus propiedades de desintegración. [32]
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 fértil : puede capturar un neutrón lento y después de dos desintegraciones beta convertirse 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 los neutrones por debajo del rango en el que es probable la fisión rápida de uno o más núcleos de próxima generación. El ensanchamiento Doppler de las resonancias de absorción de neutrones del 238 U, 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.
Aproximadamente el 99,284% del uranio natural es uranio-238, que tiene una vida media de 1,41×10 17 segundos (4,468×10 9 años). El uranio empobrecido tiene una concentración aún mayor de 238 U, e incluso el uranio poco enriquecido (LEU) sigue siendo principalmente 238 U. El uranio reprocesado también es principalmente 238 U, 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 238 U a la radiación de neutrones en un reactor nuclear. El 239 U 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. [33] 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. [34]
El 239 Np luego, con una vida media de aproximadamente 2,356 días, se desintegra en beta a plutonio-239 .
En 2023, en un artículo publicado en Physical Review Letters , un grupo de investigadores con sede en Corea informó que habían encontrado uranio-241 en un experimento que involucraba reacciones de transferencia multinucleónica 238 U+ 198 Pt. [35] [36] Su vida media es de unos 40 minutos. [35]