Uranium-238

Uranium-238, ²³⁸U

sampel 10 gram
Umum
Simbol	238U
Nama	uranium-238, U-238
Proton (Z)	92
Neutron (N)	146
Data nuklida
Kelimpahan alam	99,2745%
Waktu paruh (t1/2)	4,468×109 tahun
Isotop induk	242Pu (α) 238Pa (β−)
Produk peluruhan	234Th
Massa isotop	238,05078826 u
Spin	0
Mode peluruhan
Mode peluruhan	Energi peluruhan (MeV)
Peluruhan alfa	4,267
Isotop uranium Tabel nuklida lengkap

Uranium-238 (²³⁸U atau U-238) adalah sebuah isotop uranium yang paling banyak ditemukan di alam, dengan kelimpahan relatif 99%. Tidak seperti uranium-235, ia bersifat non-fisil, yang berarti tidak dapat mempertahankan reaksi nuklir berantai dalam reaktor termal-neutron. Namun, ia dapat difisiasi oleh neutron cepat, dan subur, berarti ia dapat ditransmutasikan menjadi plutonium-239. ²³⁸U tidak dapat mendukung reaksi berantai karena hamburan inelastis mengurangi energi neutron di bawah kisaran di mana fisi cepat dari satu atau lebih inti generasi berikutnya dimungkinkan. Perluasan Doppler dari resonansi penyerapan neutron ²³⁸U meningkatkan penyerapan seiring dengan kenaikan suhu bahan bakar, juga merupakan mekanisme umpan balik negatif yang penting untuk kontrol reaktor.

Sekitar 99,284% massa uranium alam merupakan uranium-238, yang memiliki waktu paruh 1,41×10¹⁷ detik (4,468×10⁹ tahun, atau 4,468 miliar tahun).^[1] Karena kelimpahan alami dan waktu paruh relatif terhadap unsur radioaktif lainnya, ²³⁸U menghasilkan ~40% of dari panas radioaktif yang dihasilkan di dalam Bumi.^[2] Deret peluruhan ²³⁸U menyumbang 6 elektron anti-neutrino per inti ²³⁸U (1 per peluruhan beta), menghasilkan sinyal geoneutrino besar yang dapat dideteksi saat peluruhan terjadi di dalam Bumi.^[3] Peluruhan ²³⁸U menjadi isotop anak sering digunakan dalam penanggalan radiometrik, terutama untuk bahan yang lebih tua dari ~ 1 juta tahun.

Uranium terdeplesi memiliki konsentrasi yang lebih tinggi dari isotop ²³⁸U, dan bahkan uranium yang diperkaya rendah (low-enriched uranium, LEU), walaupun memiliki proporsi yang lebih tinggi dari isotop uranium-235 (dibandingkan dengan uranium yang terdeplesi), sebagian besar masih merupakan ²³⁸U. Uranium yang diproses ulang juga terutama terdiri dari ²³⁸U, dengan uranium-235 sebanyak uranium alami, proporsi uranium-236 yang sebanding, dan jumlah isotop uranium lain yang jauh lebih kecil seperti uranium-234, uranium-233, dan uranium-232.^[4]

Dalam reaktor nuklir fisi, uranium-238 dapat digunakan untuk menghasilkan plutonium-239, yang dengan sendirinya dapat digunakan dalam senjata nuklir atau sebagai pasokan bahan bakar reaktor nuklir. Dalam tipikal reaktor nuklir, hingga sepertiga dari daya yang dihasilkan berasal dari fisi ²³⁹Pu, yang tidak disuplai sebagai bahan bakar ke reaktor, melainkan dihasilkan dari ²³⁸U.^[5] Sejumlah produksi ²³⁹Pu dari ²³⁸U tidak dapat dihindari dimanapun ia terkena radiasi neutron, namun, tergantung pada pembakaran dan suhu neutron, bagian yang berbeda dari ²³⁹Pu pada gilirannya dikonversi ke ²⁴⁰Pu, yang menentukan "jenis" plutonium yang diproduksi dari jenis senjata hingga jenis reaktor hingga plutonium yang sangat tinggi pada ²⁴⁰Pu (biasanya menggunakan bahan bakar MOX "daur ulang" yang masuk ke dalam reaktor yang mengandung Plutonium dalam jumlah yang signifikan) sehingga tidak dapat digunakan dalam reaktor saat ini yang beroperasi dengan spektrum neutron termal.

²³⁸U dapat menghasilkan energi melalui fisi "cepat". Dalam proses ini, neutron yang memiliki energi kinetik lebih dari 1 MeV dapat menyebabkan inti ²³⁸U terbelah menjadi dua. Tergantung pada desainnya, proses ini dapat menyumbang sekitar satu hingga sepuluh persen dari semua reaksi fisi dalam reaktor, tetapi terlalu sedikit dari rata-rata 2,5 neutron^[6] yang dihasilkan di setiap fisi memiliki kecepatan yang cukup untuk melanjutkan reaksi berantai.

²³⁸U dapat digunakan sebagai bahan sumber untuk membuat plutonium-239, yang pada gilirannya dapat digunakan sebagai bahan bakar nuklir. Reaktor pembiak melakukan proses transmutasi untuk mengubah isotop subur ²³⁸U menjadi ²³⁹Pu yang fisil. Diperkirakan ²³⁸U dapat digunakan dalam pembangkit listrik selama 10.000 hingga lima miliar tahun.^[7] Teknologi pembiak telah digunakan di beberapa eksperimen reaktor nuklir.^[8]

Pada Desember 2005, satu-satunya reaktor pembiak yang menghasilkan daya adalah reaktor BN-600 600 megawatt di Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Beloyarsk di Rusia. Rusia kemudian membangun unit lain, BN-800, di Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Beloyarsk yang mulai beroperasi penuh pada November 2016. Juga, reaktor pembiak Monju Jepang, yang sebagian besar tidak beroperasi sejak pertama kali dibangun pada 1986, diperintahkan untuk di-decommissioning pada tahun 2016, setelah bahaya keselamatan dan desain terungkap, dengan tanggal penyelesaian ditetapkan pada tahun 2047. Baik China maupun India telah mengumumkan rencana mereka untuk membangun reaktor pembiak nuklir.^{[butuh rujukan]}

Reaktor pembiak, seperti namanya, menciptakan jumlah yang lebih besar dari ²³⁹Pu atau ²³³U daripada reaktor nuklir fisi.^{[butuh rujukan]}

Reaktor Canggih yang Bersih dan Aman Lingkungan (CAESAR), sebuah konsep reaktor nuklir yang akan menggunakan uap sebagai moderator untuk mengendalikan neutron tertunda, berpotensi dapat menggunakan ²³⁸U sebagai bahan bakar setelah reaktor dimulai dengan bahan bakar uranium yang diperkaya rendah (LEU). Desain ini masih dalam tahap awal pengembangan.^{[butuh rujukan]}

Uranium alam, dengan 0,7% ²³⁵U dapat digunakan sebagai bahan bakar nuklir dalam reaktor yang dirancang khusus untuk menggunakan uranium alam, seperti reaktor CANDU. Dengan memanfaatkan uranium yang tidak diperkaya, desain reaktor semacam itu memberikan negara akses ke tenaga nuklir untuk tujuan produksi listrik tanpa memerlukan pengembangan kemampuan pengayaan bahan bakar, yang sering dilihat awam sebagai awal dari produksi senjata.

²³⁸U juga digunakan sebagai perisai radiasi – radiasi alfanya mudah dihentikan oleh selubung perisai non-radioaktif dan berat atom uranium yang tinggi serta jumlah elektron yang tinggi sangat efektif dalam menyerap sinar gama dan sinar-X. Ini tidak seefektif air biasa untuk menghentikan neutron cepat. Uranium terdeplesi metalik uranium dioksida terdeplesi digunakan untuk perisai radiasi. Uranium sekitar lima kali lebih baik sebagai perisai sinar gama daripada timbal, jadi perisai dengan efektivitas yang sama dapat dikemas ke dalam lapisan yang lebih tipis.^{[butuh rujukan]}

DUCRETE, beton yang dibuat dengan agregat uranium dioksida sebagai pengganti kerikil, sedang diselidiki sebagai bahan untuk sistem penyimpanan tong kering untuk menyimpan limbah radioaktif.^{[butuh rujukan]}

Kebalikan dari memperkaya (enriching) adalah downblending. Surplus uranium yang diperkaya tinggi dapat diturunkan dengan uranium terdeplesi atau uranium alami untuk mengubahnya menjadi uranium yang diperkaya rendah yang cocok digunakan dalam bahan bakar nuklir komersial.

²³⁸U dari uranium terdeplesi dan uranium alam juga digunakan dengan ²³⁹Pu daur ulang dari stok senjata nuklir untuk membuat bahan bakar oksida campuran (MOX), yang kini dialihkan menjadi bahan bakar reaktor nuklir. Pengenceran ini, juga disebut downblending, berarti bahwa setiap negara atau kelompok yang memperoleh bahan bakar jadi harus mengulangi proses pemisahan uranium dan plutonium secara kimia yang sangat mahal dan rumit sebelum merakit senjata.^{[butuh rujukan]}

Sebagian besar senjata nuklir modern menggunakan ²³⁸U sebagai bahan "tamper" (lihat desain senjata nuklir). Sebuah tamper yang mengelilingi inti fisil bekerja untuk memantulkan neutron dan menambahkan inersia pada kompresi muatan ²³⁹Pu. Dengan demikian, ini meningkatkan efisiensi senjata dan mengurangi massa kritis yang dibutuhkan. Dalam kasus senjata termonuklir, ²³⁸U dapat digunakan untuk membungkus bahan bakar fusi, fluks tinggi neutron yang sangat energik dari reaksi fusi menyebabkan inti ²³⁸U terbelah dan menambahkan lebih banyak energi ke "hasil" senjata. Senjata semacam ini disebut sebagai senjata fisi-fusi-fisi setelah urutan di mana setiap reaksi terjadi. Contoh senjata semacam ini adalah Castle Bravo.

Porsi yang lebih besar dari hasil ledakan total dalam desain ini berasal dari tahap fisi akhir yang dipicu oleh ²³⁸U, menghasilkan sejumlah besar produk fisi radioaktif. Misalnya, diperkirakan 77% dari hasil 10,4 megaton dari uji termonuklir Ivy Mike pada tahun 1952 berasal dari fisi cepat dari tamper uranium terdeplesi. Karena uranium terdeplesi tidak memiliki massa kritis, ia dapat ditambahkan ke bom termonuklir dalam jumlah yang hampir tidak terbatas. Uji coba Tsar Bomba yang dilakukan oleh Uni Soviet pada tahun 1961 menghasilkan "hanya" 50 megaton daya ledak, lebih dari 90% di antaranya berasal dari fisi yang disebabkan oleh neutron yang disuplai fusi, karena tahap akhir ²³⁸U telah diganti dengan timbal. Seandainya ²³⁸U digunakan sebagai gantinya, hasil Tsar Bomba bisa saja jauh di atas 100 megaton, dan itu akan menghasilkan luruhan nuklir yang setara dengan sepertiga dari total global yang telah diproduksi hingga saat itu.

Rantai peluruhan dari ²³⁸U biasanya disebut "deret radium" (kadang-kadang "deret uranium"). Dimulai dengan uranium-238 yang terjadi secara alami, deret ini mencakup unsur-unsur berikut: astatin, bismut, timbal, polonium, protaktinium, radium, radon, talium, dan torium. Semua produk peluruhan ada untuk saat ini, setidaknya untuk sementara, dalam sampel yang mengandung uranium, baik logam, senyawa, atau mineral. Peluruhan berlangsung sebagai:

${\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{238}_{92}U->[\alpha ][4,468\times 10^{9}\ {\ce {thn}}]{^{234}_{90}Th}->[\beta ^{-}][24,1\ {\ce {hri}}]{^{234\!m}_{91}Pa}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[0,16\%][1,17\ {\ce {mnt}}]{^{234}_{91}Pa}->[\beta ^{-}][6,7\ {\ce {jam}}]}}\\{\ce {->[99,84\%\ \beta ^{-}][1,17\ {\ce {mnt}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{234}_{92}U->[\alpha ][2,445\times 10^{5}\ {\ce {thn}}]{^{230}_{90}Th}->[\alpha ][7,7\times 10^{4}\ {\ce {thn}}]{^{226}_{88}Ra}->[\alpha ][1600\ {\ce {thn}}]{^{222}_{86}Rn}}}\\{\ce {^{222}_{86}Rn->[\alpha ][3,8235\ {\ce {hri}}]{^{218}_{84}Po}->[\alpha ][3,05\ {\ce {mnt}}]{^{214}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][26,8\ {\ce {mnt}}]{^{214}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][19,9\ {\ce {mnt}}]{^{214}_{84}Po}->[\alpha ][164,3\ \mu {\ce {dtk}}]{^{210}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][22,26\ {\ce {thn}}]{^{210}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][5,012\ {\ce {hri}}]{^{210}_{84}Po}->[\alpha ][138,38\ {\ce {hri}}]{^{206}_{82}Pb}}}\end{array}}}$

Rata-rata masa hidup dari ²³⁸U adalah 1,41×10¹⁷ detik dibagi 0,693 (atau dikalikan 1,443), yaitu sekitar 2×10¹⁷ detik, jadi 1 mol ²³⁸U memancarkan 3×10⁶ partikel alfa per detik, menghasilkan jumlah atom torium-234 yang sama. Dalam sistem tertutup, kesetimbangan akan tercapai, dengan semua jumlah kecuali timbal-206 dan ²³⁸U dalam rasio tetap, dalam jumlah yang perlahan-lahan menurun. Jumlah ²⁰⁶Pb akan meningkat, sedangkan ²³⁸U berkurang; semua langkah dalam rantai peluruhan memiliki laju yang sama yaitu 3×10⁶ partikel meluruh per detik per mol ²³⁸U.

Torium-234 memiliki masa hidup rata-rata 3×10⁶ detik, jadi ada kesetimbangan jika satu mol ²³⁸U mengandung 9×10¹² atom torium-234, yaitu 1,5×10⁻¹¹ mol (perbandingan dua waktu paruh). Demikian pula, dalam kesetimbangan dalam sistem tertutup, jumlah setiap produk peluruhan, kecuali produk akhir, timbal, sebanding dengan waktu paruhnya.

Walaupun ²³⁸U sedikit radioaktif, produk peluruhannya, torium-234 and protaktinium-234, adalah pemancar partikel beta dengan waktu paruh masing-masing sekitar 20 hari dan satu menit. Protaktinium-234 meluruh menjadi uranium-234, yang memiliki waktu paruh ratusan ribu tahun, dan isotop ini tidak mencapai konsentrasi kesetimbangan untuk waktu yang sangat lama. Ketika dua isotop pertama dalam rantai peluruhan mencapai konsentrasi kesetimbangan yang relatif kecil, sampel ²³⁸U yang awalnya murni akan memancarkan tiga kali radiasi karena ²³⁸U itu sendiri, dan sebagian besar radiasi ini adalah partikel beta.

Seperti yang telah disinggung di atas, ketika memulai dengan ²³⁸U murni, dalam skala waktu manusia, kesetimbangan hanya berlaku untuk tiga langkah pertama dalam rantai peluruhan. Jadi, untuk satu mol ²³⁸U, 3×10⁶ kali per detik satu partikel alfa dan dua partikel beta serta sinar gama dihasilkan, bersama-sama sebesar 6,7 MeV, dengan laju 3 µW. Diekstrapolasi selama 2×10¹⁷ detik, ini adalah 600 gigajoule, energi total yang dilepaskan dalam tiga langkah pertama dalam rantai peluruhan.

Kelimpahan ²³⁸U dan peluruhannya menjadi isotop anak terdiri dari beberapa teknik "penanggalan uranium" dan merupakan salah satu isotop radioaktif paling umum yang digunakan dalam penanggalan radiometrik. Metode penanggalan yang paling umum adalah penanggalan uranium–timbal, yang digunakan untuk penanggalan batuan yang berusia lebih dari 1 juta tahun dan telah memberikan usia untuk batuan tertua di Bumi pada usia 4,4 miliar tahun.^[10]

Hubungan antara ²³⁸U dan ²³⁴U memberikan indikasi umur sedimen dan air laut antara 100.000 tahun sampai 1,2 juta tahun.^[11]

Produk anak ²³⁸U, ²⁰⁶Pb, merupakan bagian integral dari penanggalan timbal–timbal, yang paling terkenal untuk penentuan usia Bumi.^[12]

Pesawat ruang angkasa dari program Voyager membawa sejumlah kecil ²³⁸U yang awalnya murni di sampul piringan emas mereka untuk memfasilitasi penanggalan dengan cara yang sama.^[13]

Uranium memancarkan partikel alfa melalui proses peluruhan alfa. Paparan eksternal memiliki efek terbatas. Paparan internal yang signifikan terhadap partikel kecil uranium atau produk peluruhannya, seperti torium-230, radium-226, dan radon-dapat menyebabkan efek kesehatan yang parah, seperti kanker tulang atau hati.

Uranium juga merupakan bahan kimia beracun, yang berarti bahwa konsumsi uranium dapat menyebabkan kerusakan ginjal dari sifat kimianya lebih cepat, daripada sifat radioaktifnya yang akan menyebabkan kanker tulang atau hati.^[14][15]

• Penanggalan uranium–timbal
• Uranium terdeplesi

• NLM Hazardous Substances Databank – Uranium, Radioactive