Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Уран ( 92 U) - это природный радиоактивный элемент, не имеющий стабильного изотопа . Он имеет два первичных изотопа , уран-238 и уран-235 , которые имеют длительный период полураспада и в заметном количестве обнаружены в земной коре . Продукт распада урана-234 также найден. Другие изотопы, такие как уран-233 , производятся в реакторах-размножителях . Помимо изотопов, встречающихся в природе или ядерных реакторах, было произведено множество изотопов с гораздо более короткими периодами полураспада, от 214 U до242 U (за исключением 220 U и 241 U). Стандартный атомный вес из природного урана является238.028 91 (3) .

Встречающийся в природе уран состоит из трех основных изотопов : урана-238 ( естественное содержание 99,2739–99,2752% ), урана-235 (0,7198–0,7202%) и урана-234 (0,0050–0,0059%). [2] Все три изотопы радиоактивные (то есть, они являются радиоизотопы ), а наиболее распространенным и стабильным является уран-238, с периодом полураспада от4,4683 × 10 9  лет (близко к возрасту Земли ).

Уран-238 - это альфа-излучатель , распадающийся через 18- членный ряд урана до свинца-206 . Серия распада урана-235 (исторически называемого актиноураном) состоит из 15 членов и заканчивается свинцом-207. Постоянные скорости распада в этих сериях делают сравнение соотношений родительских и дочерних элементов полезным для радиометрического датирования . Уран-233 выполнен из тория-232 с помощью нейтронной бомбардировки.

Уран-235 важен как для ядерных реакторов, так и для ядерного оружия, потому что это единственный изотоп, существующий в природе в какой-либо заметной степени, который расщепляется в ответ на тепловые нейтроны. Уран-238 важен еще и потому, что он плодороден : он поглощает нейтроны, образуя радиоактивный изотоп, который впоследствии распадается на изотоп плутоний-239 , который также является делящимся.

Список изотопов [ править ]

  1. ^ m U - Возбужденный ядерный изомер .
  2. ^ () - Неопределенность (1 σ ) дана в сжатой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  3. ^ # - Атомная масса с пометкой #: значение и погрешность получены не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из тенденций, полученных с помощью массовой поверхности (TMS).
  4. ^ Режимы распада:
  5. ^ Дочерний символ выделен жирным курсивом - дочерний продукт почти стабилен.
  6. ^ Дочерний символ жирным шрифтом - Дочерний продукт стабилен.
  7. ^ () значение спина - указывает вращение со слабыми аргументами присваивания.
  8. ^ a b # - Значения, отмеченные знаком #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из трендов соседних нуклидов (TNN).
  9. ^ Промежуточный продукт распада 237 Np
  10. ^ Используется при датировании уран-торий.
  11. ^ a b Используется в уран-урановом датировании
  12. ^ Промежуточный продукт распада из 238 U
  13. ^ a b Первородный радионуклид
  14. ^ a b Используется при датировании урана и свинца.
  15. ^ Важно в ядерных реакторах
  16. ^ Промежуточный продукт распада из 244 Pu , также получают путем захвата нейтронов из 235 U
  17. ^ Продукт захвата нейтронов, родительский элемент следовых количеств 237 Np
  18. ^ Промежуточный продукт распада 244 Pu

Актиниды против продуктов деления [ править ]

Уран-232 [ править ]

Уран-232 имеет период полураспада 68,9 года и является побочным продуктом ториевого цикла . Он был назван препятствием для распространения ядерного оружия с использованием 233 U в качестве делящегося материала, потому что интенсивное гамма-излучение, испускаемое 208 Tl (дочерним элементом 232 U, производимого относительно быстро), затрудняет обращение с 233 U, загрязненным им. Уран-232 - редкий пример четно-четного изотопа, который расщепляется как тепловыми, так и быстрыми нейтронами. [16] [17]

Уран-233 [ править ]

Уран-233 - это делящийся изотоп урана, который получают из тория-232 в рамках ториевого топливного цикла. Уран-233 исследовался на предмет использования в ядерном оружии и в качестве реакторного топлива; однако он никогда не использовался в ядерном оружии и не использовался в коммерческих целях в качестве ядерного топлива. [18] Он успешно использовался в экспериментальных ядерных реакторах и был предложен для гораздо более широкого использования в качестве ядерного топлива. Период полураспада1.592 × 10 5  лет .

Уран-233 получают нейтронным облучением тория-232. Когда торий-232 поглощает нейтрон , он становится торием-233 , период полураспада которого составляет всего 22 минуты. Торий-233 распадается на протактиний-233 посредством бета-распада . Протактиний-233 имеет период полураспада 27 дней, и бета-распад превращается в уран-233; Некоторые предлагаемые конструкции реакторов на расплаве соли пытаются физически изолировать протактиний от дальнейшего захвата нейтронов до того, как может произойти бета-распад.

Уран-233 обычно делится при поглощении нейтронов, но иногда сохраняет нейтрон, превращаясь в уран-234 . Отношение захвата к делению меньше, чем у двух других основных делящихся топлив урана-235 и плутония-239 ; он также ниже, чем у короткоживущего плутония-241 , но уступает нептунию-236, который очень трудно производить .

Уран-234 [ править ]

Уран-234 - изотоп урана. В природном уране и в урановой руде 234 U встречается как косвенный продукт распада урана-238, но он составляет всего 0,0055% (55 частей на миллион ) сырого урана, поскольку его период полураспада, составляющий всего 245 500 лет, составляет всего около 1 / 18,000 до тех пор , как у 238 U . Путь образования 234 U в результате ядерного распада следующий: ядра 238 U испускают альфа-частицу, превращаясь в торий-234 . Затем, с коротким периодом полураспада , ядро 234 Th испускает бета-частицу, чтобы статьпротактиний-234 . Наконец, каждое из ядер 234 Па испускает еще одну бета-частицу, превращаясь в ядра 234 U. [19] [20]

Ядра 234 U обычно существуют в течение сотен тысяч лет, но затем они распадаются посредством альфа-излучения до тория-230 , за исключением небольшого процента ядер, которые подвергаются спонтанному делению .

Извлечение довольно небольших количеств 234 U из природного урана было бы осуществимо с использованием разделения изотопов , аналогичного тому, которое используется для обычного обогащения урана. Однако в химии , физике или технике нет реальной потребности в выделении 234 U. Очень маленькие чистые образцы 234 U могут быть извлечены с помощью процесса химического ионного обмена - из образцов плутония-238 , которые были несколько состарены, чтобы позволить некоторый распад до 234 U через альфа-излучение .

Обогащенный уран содержит больше 234 U, чем природный уран, как побочный продукт процесса обогащения урана, направленного на получение урана-235 , который концентрирует более легкие изотопы даже сильнее, чем 235 U. Повышенное процентное содержание 234 U в обогащенном природном уране приемлемо в в современных ядерных реакторах, но (повторно обогащенный) переработанный уран может содержать даже более высокие фракции 234 U, что нежелательно. [21] Это связано с тем, что 234 U не расщепляется и имеет тенденцию поглощать медленные нейтроны в ядерном реакторе, становясь 235 U. [20][21]

234 U имеет сечение захвата нейтронов около 100 барн для тепловых нейтронов и около 700 барн для его резонансного интеграла - среднее значение по нейтронам, имеющим различные промежуточные энергии. В ядерном реакторе неделящиеся изотопы захватывают нейтроны, воспроизводящие делящиеся изотопы. 234 U превращается в 235 U более легко и , следовательно , со скоростью , большей , чем уран-238 является плутоний-239 (через нептуния-239 ), так как 238 U имеет гораздо меньший захвата нейтронов сечение составляет всего 2,7 сараев.

Уран-235 [ править ]

Уран-235 - изотоп урана, составляющий около 0,72% природного урана. В отличие от преобладающего изотопа урана-238 , он делящийся , то есть может выдерживать цепную реакцию деления . Это единственный делящийся изотоп, который является первичным нуклидом или обнаружен в значительном количестве в природе.

Период полураспада урана-235 составляет 703,8 миллиона лет . Он был открыт в 1935 году Артуром Джеффри Демпстером . Его ядерное сечение (деления) для медленных тепловых нейтронов составляет около 504,81 барн . Для быстрых нейтронов это порядка 1 амбара. На уровнях тепловой энергии около 5 из 6 поглощений нейтронов приводят к делению, а 1 из 6 - к захвату нейтронов с образованием урана-236 . [22] Отношение деления к захвату улучшается для более быстрых нейтронов.

Уран-236 [ править ]

Уран-236 является изотопом из урана , который не является ни делящимся тепловыми нейтронами, ни очень хорошим плодородным материалом, но , как правило , считается помехой и долгоживущими радиоактивными отходами . Он находится в отработавшем ядерном топливе и в переработанном уране, полученном из отработавшего ядерного топлива.

Уран-237 [ править ]

Уран-237 - изотоп урана . Его период полураспада составляет около 6,75 (1) дней. Он распадается на нептуний-237 в результате бета-распада .

Уран-238 [ править ]

Уран-238 ( 238 U или U-238) является наиболее распространенным изотопом из урана в природе. Он не делящийся , но является плодородным материалом : он может захватывать медленный нейтрон и после двух бета-распадов превращаться в делящийся плутоний-239 . Уран-238 может делиться быстрыми нейтронами, но не может поддерживать цепную реакцию, потому что неупругое рассеяние снижает энергию нейтронов ниже диапазона, в котором вероятно быстрое деление одного или нескольких ядер следующего поколения. Доплеровское уширение 238Резонансы поглощения нейтронов U, увеличивающие поглощение при повышении температуры топлива, также являются важным механизмом отрицательной обратной связи для управления реактором.

Около 99,284% природного урана составляет уран-238, период полураспада которого составляет 1,41 × 10 17 секунд (4,468 × 10 9 лет, или 4,468 миллиарда лет). В обедненном уране содержится еще более высокая концентрация изотопа 238 U, и даже в низкообогащенном уране (НОУ), несмотря на более высокую долю изотопа урана-235 (по сравнению с обедненным ураном), по-прежнему в основном содержится 238 U. Переработанный уран также состоит в основном из 238 U, с примерно таким же количеством урана-235, как у природного урана, сравнимой долей урана-236 и гораздо меньшими количествами других изотопов урана, таких как уран-234 , уран-233 и уран-232 .

Уран-239 [ править ]

Уран-239 - изотоп урана. Это, как правило , производится путем воздействия 238 U для нейтронного излучения в ядерном реакторе. 239 U имеет период полураспада около 23,45 минут и распадается на нептуний-239 посредством бета-распада с общей энергией распада около 1,29 МэВ. [23] Наиболее распространенный гамма-распад на 74,660 кэВ объясняет разницу в двух основных каналах энергии бета-излучения: 1,28 и 1,21 МэВ. [24]

239 Np далее распадается до плутония-239 также в результате бета-распада ( 239 Np имеет период полураспада около 2,356 дня), на втором важном этапе, который в конечном итоге производит делящийся 239 Pu (используемый в оружии и для ядерной энергетики) из 238 U в реакторах.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Meija, Juris; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. DOI : 10,1515 / пак-2015-0305 .
  2. ^ "Изотопы урана" . GlobalSecurity.org . Проверено 14 марта 2012 года .
  3. ^ Период полураспада, мода распада, ядерный спин и изотопный состав взяты из: Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Wang, M .; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030001 .
  4. ^ Ван, М .; Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Хуанг, WJ; Naimi, S .; Сюй, X. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030003-1–030003-442. DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030003 .
  5. ^ а б в Чжан, З.Ы .; Ян, HB; Хуанг, MH; и другие. (2021 год). «Новый α-излучающий изотоп 214U и аномальное усиление кластеризации α-частиц в легчайших изотопах урана» (PDF) . Проверено 24 января 2021 года . Cite journal requires |journal= (help)
  6. ^ а б Я. Вакабаяси; К. Моримото; Д. Каджи; и другие. (2014). "Новые кандидаты изотопов, 215 U и 216 U" (PDF) . RIKEN Accel. Прог. Rep . 47 : xxii.
  7. ^ HM Девараджа; С. Хайнц; О. Белюскина; и другие. (2015). «Обнаружение новых нейтронодефицитных изотопов с Z ≥ 92 в реакциях многонуклонного переноса» (PDF) . Физика Письма Б . 748 : 199–203. Bibcode : 2015PhLB..748..199D . DOI : 10.1016 / j.physletb.2015.07.006 .
  8. ^ [1]
  9. ^ Khuyagbaatar, J .; и другие. (2015). «Новый короткоживущий изотоп 221 U и массовая поверхность вблизи N = 126» (PDF) . Письма с физическим обзором . 115 (24): 242502. Bibcode : 2015PhRvL.115x2502K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.115.242502 . PMID 26705628 .  
  10. ^ Trenn, Фаддей J. (1978). «Торуран (U-236) как вымерший естественный родитель тория: преждевременная фальсификация существенно правильной теории». Анналы науки . 35 (6): 581–97. DOI : 10.1080 / 00033797800200441 .
  11. ^ Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле он является субактинидом, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным промежутком нестабильности после полония (84), где нет нуклидов с периодом полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке - радон-222 с периодом полураспада менее четырех суток ). Таким образом, самый долгоживущий изотоп радия - 1600 лет, заслуживает включения здесь.
  12. ^ В частности, отделения U-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
  13. ^ Milsted, J .; Фридман, AM; Стивенс, CM (1965). «Альфа-период полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248». Ядерная физика . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M . DOI : 10.1016 / 0029-5582 (65) 90719-4 .
    «Изотопные анализы выявили вид с массой 248 в постоянной численности в трех образцах, проанализированных в течение примерно 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk 248 с периодом полураспада более 9 [лет]. Рост Cf не наблюдался. 248 , и нижний предел для β - периода полураспада может быть установлен на уровне примерно 10 4 [лет]. Альфа-активность, связанная с новым изомером, не обнаружена; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет] ]. "
  14. ^ Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до " Моря нестабильности ".
  15. ^ Исключая " классически стабильные " нуклиды с периодом полураспада, значительно превышающим 232 Th; например, в то время как 113m Cd имеет период полураспада всего четырнадцать лет, период полураспада 113 Cd составляет почти восемь квадриллионов лет.
  16. ^ "Уран 232" . Атомная энергия. Архивировано 26 февраля 2019 года . Дата обращения 3 июня 2019 .
  17. ^ http://atom.kaeri.re.kr/nuchart/getEvaf.jsp?mat=9219&lib=endfb7.1
  18. ^ CW Форсбург; Л.К. Льюис (1999-09-24). «Использование урана-233: что следует сохранить для будущих нужд?» (PDF) . Орнл-6952 . Национальная лаборатория Окриджа.
  19. ^ Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Wang, M .; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030001 .
  20. ^ а б Ронен, Ю., изд. (1990). Реакторы с высокой конверсией воды . CRC Press. п. 212. ISBN. 0-8493-6081-1. LCCN  89-25332 .
  21. ^ a b Использование переработанного урана (PDF) . Технический документ . Вена: Международное агентство по атомной энергии . 2009. ISBN.  978-92-0-157109-0. ISSN  1684-2073 .
  22. ^ BC Diven; Дж. Террелл; А. Хеммендингер (1 января 1958 г.). «Коэффициенты захвата и деления быстрых нейтронов в U235». Письма с физическим обзором . 109 (1): 144–150. Bibcode : 1958PhRv..109..144D . DOI : 10.1103 / PhysRev.109.144 .
  23. ^ Справочник CRC по химии и физике , 57-е изд. п. В-345
  24. ^ Справочник CRC по химии и физике , 57-е изд. п. В-423