Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Уран-238 ( 238 U или U-238) является наиболее распространенным изотопом из урана в природе, с относительным содержанием 99%. В отличие от урана-235 , он неделящийся, что означает, что он не может поддерживать цепную реакцию в реакторе на тепловых нейтронах . Тем не менее, делящийся на быстрых нейтронах , и плодородный , то есть он может быть преобразован в делящийся плутоний-239 . 238 U не может поддерживать цепную реакцию, потому что неупругое рассеяние снижает энергию нейтронов ниже диапазона, в которомвозможно быстрое деление одного или нескольких ядер следующего поколения. Доплеровское уширение из 238 ¯u в поглощении нейтронов резонансов , увеличение поглощения при увеличении температуры топлива, также является важным отрицательной обратной связью механизм управления реактором.

Около 99,284% массы природного урана составляет уран-238, период полураспада которого составляет 1,41 × 10 17 секунд (4,468 × 10 9 лет, или 4,468 миллиарда лет). [1] Из-за своего естественного содержания и периода полураспада по сравнению с другими радиоактивными элементами , 238 U производит ~ 40% радиоактивного тепла, производимого на Земле. [2] В 238 U цепи распада способствует 6 электронов анти-нейтрино в 238 ядра U (1 на бета - распада ), в результате чего большое обнаруживаемого geoneutrinoсигнал, когда распады происходят внутри Земли. [3] Распад 238 U на дочерние изотопы широко используется в радиометрическом датировании , особенно для материалов старше ~ 1 миллиона 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 . [4]

Применение ядерной энергии [ править ]

В ядерном реакторе деления уран-238 можно использовать для производства плутония-239 , который сам может быть использован в ядерном оружии или в качестве топлива для ядерного реактора. В типичном ядерном реакторе, до одной трети генерируемой мощности происходит от деления 239 Pu, который не входит в комплект в качестве топлива в реактор, а скорее, произведенного из 238 U. [ править ]

Реакторы-размножители [ править ]

238 U не может использоваться непосредственно в качестве ядерного топлива , хотя он может производить энергию посредством «быстрого» деления . В этом процессе нейтрон с кинетической энергией, превышающей 1  МэВ, может вызвать разделение ядра 238 U на две части. В зависимости от конструкции, этот процесс может составлять от одного до десяти процентов всех реакций деления в реакторе, но слишком мало из 2,5 нейтронов [5], образующихся при каждом делении, имеют достаточную скорость для продолжения цепной реакции. [ необходима цитата ]

238 U можно использовать в качестве исходного материала для создания плутония-239, который, в свою очередь, можно использовать в качестве ядерного топлива. Реакторы-размножители осуществляют такой процесс трансмутации, чтобы преобразовать воспроизводящий изотоп 238 U в делящийся 239 Pu. Было подсчитано, что 238 U могут использоваться на этих электростанциях за период от 10 000 до 5 миллиардов лет . [6] Технология размножения использовалась в нескольких экспериментальных ядерных реакторах. [7]

К декабрю 2005 года единственным реактором-размножителем, вырабатывающим мощность, был 600-мегаватный реактор БН-600 на Белоярской АЭС в России. Позже Россия построила еще один блок, БН-800 , на Белоярской АЭС, который был полностью введен в эксплуатацию в ноябре 2016 года. Также был заказан японский реактор-размножитель Монжу , который не работал большую часть времени с момента его постройки в 1986 году. для вывода из эксплуатации в 2016 году, после выявления угроз безопасности и проектирования, с датой завершения, установленной на 2047 год. И Китай, и Индия объявили о планах строительства ядерных реакторов-размножителей. [ необходима цитата ]

Реактор-размножитель, как следует из его названия, создает даже большие количества 239 Pu или 233 U, чем ядерный реактор деления. [ необходима цитата ]

Чистый и экологически безопасный усовершенствованный реактор (CAESAR), концепция ядерного реактора , который будет использовать пар в качестве замедлителя для управления запаздывающих нейтронов , потенциально иметь возможность использовать 238 U в качестве топлива после того , как реактор начал с низкообогащенного урана (НОУ) топливо. Этот дизайн все еще находится на ранних стадиях разработки. [ необходима цитата ]

Радиационная защита [ править ]

238 U также используется в качестве радиационной защиты - его альфа-излучение легко задерживается нерадиоактивным кожухом защиты, а большой атомный вес и большое количество электронов урана очень эффективно поглощают гамма-лучи и рентгеновские лучи . Он не так эффективен, как обычная вода, для остановки быстрых нейтронов . И металлический обедненный уран, и обедненный диоксид урана используются для защиты от излучения. Уран примерно в пять раз лучше в качестве защиты от гамма-излучения, чем свинец, поэтому щит с такой же эффективностью можно упаковать в более тонкий слой. [ необходима цитата ]

DUCRETE , бетон, изготовленный из заполнителя диоксида урана вместо гравия, исследуется в качестве материала для систем хранения в сухих контейнерах для хранения радиоактивных отходов . [ необходима цитата ]

Downblending [ править ]

Противоположность обогащению - разбавление . Избыточный высокообогащенный уран можно разбавить обедненным ураном или природным ураном, чтобы превратить его в низкообогащенный уран, пригодный для использования в коммерческом ядерном топливе. [ необходима цитата ]

238 U из обедненного урана и природного урана также используется с рециркулированным 239 Pu из запасов ядерного оружия для производства смешанного оксидного топлива (MOX), которое в настоящее время перенаправляется на топливо для ядерных реакторов. Это разбавление, также называемое понижающим смешением, означает, что любая страна или группа, которые приобрели готовое топливо, должны будут повторить очень дорогостоящий и сложный процесс химического разделения урана и плутония перед сборкой оружия. [ необходима цитата ]

Ядерное оружие [ править ]

В большинстве современных ядерных боеприпасов 238 U используется в качестве «тамперного» материала (см. Конструкцию ядерного оружия ). Тампер, который окружает делящуюся активную зону, работает, чтобы отражать нейтроны и добавлять инерцию сжатию заряда 239 Pu. Таким образом, он увеличивает эффективность оружия и снижает требуемую критическую массу . В случае термоядерного оружия , 238 U можно использовать для защиты термоядерного топлива, высокий поток очень энергичных нейтронов от результирующей термоядерной реакции вызывает 238Ядра U расщепляются и добавляют больше энергии к «мощности» оружия. Такое оружие называется оружием деления-синтеза-деления по порядку, в котором происходит каждая реакция. Пример такого оружия - Castle Bravo .

Большая часть общего выхода взрывчатого вещества в этой конструкции приходится на заключительную стадию деления, заправляемую топливом 238 U, в результате чего образуется огромное количество радиоактивных продуктов деления . Например, по оценкам, 77% от 10,4- мегатонной мощности термоядерного испытания Айви Майка в 1952 году произошло из-за быстрого расщепления тампера из обедненного урана . Поскольку обедненный уран не имеет критической массы, его можно добавлять в термоядерные бомбы практически в неограниченном количестве. Советский Союз тест «ы из царя Bomba в 1961 г. произвел„только“50 мегатонн взрывной силы, более 90% которых пришли от деления , вызванным слитыми поставляемых нейтронами, так как в 238Финальная ступень U заменена свинцовой. Если бы вместо этого использовался 238 U, мощность «Царь-бомбы» могла бы быть намного выше 100 мегатонн, и она произвела бы ядерные осадки, эквивалентные одной трети от общего количества, произведенного к тому времени.

Радиевый ряд (или урановый) [ править ]

Цепочка распада из 238 U обычно называют « радий серии » (иногда «уран серии»). Начиная с природного урана-238, эта серия включает следующие элементы: астат , висмут , свинец , полоний , протактиний , радий , радон , таллий и торий . Все продукты распада присутствуют, по крайней мере временно, в любом урансодержащем образце, будь то металл, соединение или минерал. Распад протекает как:

Среднее время жизни из 238 U составляет 1,41 × 10 17 секунд , разделенные на 0.693 (или умноженные на 1,443), т.е. ca. 2 × 10 17 сек, так что 1 моль на 238 U испускает 3 × 10 6 альфа - частиц в секунду, производя одинаковое количество тория-234 атомов . В закрытой системе будет достигнуто равновесие со всеми количествами, за исключением свинца-206 и 238 U в фиксированных соотношениях, в медленно убывающих количествах. Соответственно увеличится количество 206 Pb, а 238U уменьшается; все шаги в цепочке распада имеют такую же скорость 3 × 10 6 разложившихся частиц в секунду на моль 238 U. [ править ]

Торий-234 имеет среднее время жизни 3 × 10 6 секунд, поэтому равновесие наступает, если один моль 238 U содержит 9 × 10 12 атомов тория-234, что составляет 1,5 × 10 - 11 моль (соотношение двух половин -жизни). Точно так же в равновесии в замкнутой системе количество каждого продукта распада, за исключением конечного продукта - свинца, пропорционально его периоду полураспада. [ необходима цитата ]

В то время как 238 U является минимально радиоактивным, продукты его распада, торий-234 и протактиний-234, являются эмиттерами бета-частиц с периодом полураспада около 20 дней и одной минуты соответственно. Протактиний-234 распадается до урана-234, период полураспада которого составляет сотни тысячелетий, и этот изотоп не достигает равновесной концентрации в течение очень долгого времени. Когда два первых изотопа в цепочке распада достигают своих относительно небольших равновесных концентраций, образец изначально чистого 238 U будет излучать в три раза больше излучения, чем сам 238 U, и большая часть этого излучения - это бета-частицы. [ необходима цитата ]

Как уже упоминалось выше, начиная с чистого 238 U, в человеческой шкале времени равновесие применяется только к первым трем ступеням в цепочке распада. Таким образом, для одного моля 238 U, 3 × 10 6 раз в секунду образуются одна альфа, две бета-частицы и гамма-излучение, вместе 6,7 МэВ, мощностью 3 мкВт. Экстраполированный на 2 × 10 17 секунд, это 600 гигаджоулей, полная энергия, выделяемая на первых трех этапах цепочки распада. [ необходима цитата ]

Радиоактивное датирование [ править ]

Содержание 238 U и его распад на дочерние изотопы включает несколько методов «датирования урана» и является одним из наиболее распространенных радиоактивных изотопов, используемых при радиометрическом датировании . Самый распространенный метод датирования - это датирование ураном и свинцом , которое используется для датировки горных пород старше 1 миллиона лет и позволяет определить возраст самых старых горных пород на Земле в 4,4 миллиарда лет. [9]

Связь между 238 U и 234 U указывает на возраст отложений и морской воды от 100 000 до 1 200 000 лет. [10]

238 U дочернего продукт, 206 Pb, является составной частью ведущих отведений знакомства , который является самым известным для определения возраста Земли . [11]

Космические аппараты программы « Вояджер» несут небольшие количества изначально чистого 238 U на обложках своих золотых записей, чтобы таким же образом облегчить датировку. [12]

См. Также [ править ]

  • Обедненный уран
  • Уран-свинцовые датировки

Ссылки [ править ]

  1. ^ Mcclain, DE; Миллер, AC; Калинич Ю.Ф. (20 декабря 2007 г.). «Состояние проблем здравоохранения в связи с военным использованием обедненного урана и суррогатных металлов в бронебойных боеприпасах» (PDF) . НАТО . Архивировано из оригинального (PDF) 19 апреля 2011 года . Проверено 14 ноября 2010 года .
  2. ^ Аревало, Рикардо; McDonough, William F .; Луонг, Марио (2009). «Коэффициент KU силикатной Земли: понимание состава, структуры и термической эволюции мантии». Письма о Земле и планетах . 278 (3–4): 361–369. Bibcode : 2009E и PSL.278..361A . DOI : 10.1016 / j.epsl.2008.12.023 .
  3. ^ Араки, Т .; Enomoto, S .; Furuno, K .; Gando, Y .; Ichimura, K .; Ikeda, H .; Inoue, K .; Кишимото, Й .; Кога, М. (2005). «Экспериментальное исследование геологически произведенных антинейтрино с помощью KamLAND». Природа . 436 (7050): 499–503. Bibcode : 2005Natur.436..499A . DOI : 10,1038 / природа03980 . PMID 16049478 . 
  4. ^ Ядерная Франция: материалы и сайты. «Уран от переработки» . Архивировано из оригинала на 2007-10-19 . Проверено 29 марта 2013 .
  5. ^ «Физика урана и ядерной энергии» . Всемирная ядерная ассоциация . Проверено 17 ноября 2017 года .
  6. Факты Коэна, заархивированные 10 апреля 2007 г. в Wayback Machine . Formal.stanford.edu (26 января 2007 г.). Проверено 24 октября 2010.
  7. ^ Усовершенствованные ядерные энергетические реакторы | Ядерные реакторы поколения III + . World-nuclear.org. Проверено 24 октября 2010.
  8. ^ Thoennessen, М. (2016). Открытие изотопов: полное собрание . Springer. п. 19. DOI : 10.1007 / 978-3-319-31763-2 . ISBN 978-3-319-31761-8. LCCN  2016935977 .
  9. ^ Вэлли, Джон В .; Рейнхард, Дэвид А .; Кавози, Аарон Дж .; Ушикубо, Такаюки; Лоуренс, Дэниел Ф .; Ларсон, Дэвид Дж .; Келли, Томас Ф .; Snoeyenbos, Дэвид Р .; Стрикленд, Ариэль (01.07.2015). «Нано- и микрогеохронология цирконов Гадея и Архея с помощью атомно-зондовой томографии и SIMS: новые инструменты для старых минералов» (PDF) . Американский минералог . 100 (7): 1355–1377. Bibcode : 2015AmMin.100.1355V . DOI : 10,2138 / ч 2015-5134 . ISSN 0003-004X .  
  10. Перейти ↑ Henderson, Gideon M (2002). «Морская вода (234U / 238U) за последние 800 тысяч лет». Письма о Земле и планетах . 199 (1-2): 97-110. Bibcode : 2002E и PSL.199 ... 97H . DOI : 10.1016 / S0012-821X (02) 00556-3 .
  11. ^ Паттерсон, Клэр (1956-10-01). «Возраст метеоритов и земли». Geochimica et Cosmochimica Acta . 10 (4): 230–237. Bibcode : 1956GeCoA..10..230P . DOI : 10.1016 / 0016-7037 (56) 90036-9 .
  12. ^ "Вояджер - Создание Золотой Рекорды" . voyager.jpl.nasa.gov . Проверено 28 марта 2020 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Банк данных по опасным веществам NLM - уран, радиоактивный