Уран-235

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Уран-235
HEUraniumC.jpg

Металічний уран, збагачений ураном-235

Загальні відомості
Назва, символ актиноура́н, AcU,235U
Нейтронів 143
Протонів 92
Властивості ізотопу
Природна концентрація 0,7200(51) %[1]
Період напіврозпаду 7,04(1)×108[1] років
Батьківські ізотопи 235Pa
235Np
239Pu
Продукти розпаду 231Th
Атомна маса 235,0439299(20)[2] а.о.м
Спін 7/2[1]
Дефект маси 40 920,5(18)[2] кеВ
Канал розпаду Енергія розпаду
α-розпад 4,6783(7)[2] МеВ
SF
20Ne, 25Ne, 28Mg

Уран 235 (лат. Uranium-235, 235U), історична назва актиноура́н (лат. Actin Uranium, позначається символом AcU) — ізотоп урану з масовим числом 235. Ізотопна поширеність урану-235 в природі складає 0,7200(51) %[1]. Є родоначальником радіоактивного сімейства 4n+3, який називається рядом актинію. Відкритий у 1935 році Артуром Джефрі Демпстером(ru) (англ. Arthur Jeffrey Dempster)[3][4].

На відміну від іншого, найбільш поширеного ізотопу урану 238U, в 235U можлива самопідтримувана ланцюгова ядерна реакція. Тому цей ізотоп використовується як паливо в ядерних реакторах, а також в ядерній зброї. Це єдиний розщеплювальний ізотоп, що присутній в природі у невеликій кількості.

Активність одного граму даного нукліду складає приблизно 80 кБк.

Утворення і розпад[ред.ред. код]

Уран-235 утворюється в результаті наступних розпадів:

  • β-розпад нукліду 235Pa (період напіврозпаду складає 24,44(11)[1] хв):
\mathrm{^{235}_{91}Pa} \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + e^- + \bar{\nu}_e;
  • K-захват, здійснюваний нуклідом 235Np (період напіврозпаду складає 396,1(12)[1] днів):
\mathrm{^{235}_{93}Np} + e^- \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + \bar{\nu}_e;
  • α-розпад нукліду 239Pu (період напіврозпаду складає 2,411(3)×104[1] років):
\mathrm{^{239}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + \mathrm{^{4}_{2}He}.

Розпад урану-235 відбувається за наступними напрямками:

  • α-розпад в 231Th (ймовірність 100 %[1], енергія розпаду 4 678,3(7) кеВ[2]):
\mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{231}_{90}Th} + \mathrm{^{4}_{2}He};
\mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{215}_{82}Pb} + \mathrm{^{20}_{10}Ne};
\mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{210}_{82}Pb} + \mathrm{^{25}_{10}Ne};
\mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{207}_{80}Hg} + \mathrm{^{28}_{12}Mg}.

Вимушений поділ[ред.ред. код]

Докладніше: Поділ ядра
Один з варіантів вимушеного поділу урану-235 після поглинання нейтрона (схема)

На початку 1930-х рр. Енріко Фермі проводив опромінення урану нейтронами, намагаючись отримати таким способом трансуранові елементи. Але в 1939 р. О. Ган і Ф. Штрасман(ru) змогли показати, що при поглинанні нейтрона ядром урану відбувається вимушена реакція поділу. Як правило, ядро ділиться на два осколка, при цьому вивільняється 2-3 нейтрона (див. схему)[5].

В продуктах поділу урану-235 було виявлено близько 300 ізотопів різних елементів: від Z=30 (цинк) до Z=64 (гадоліній). Крива залежності відносного виходу ізотопів, що утворюються при опроміненні урану-235 повільними нейтронами, від масового числа — симетрична і за формою нагадує букву «M». Два виражених максимуми цієї кривої відповідають масовим числам 95 і 134, а мінімум припадає на діапазон масових чисел від 110 до 125. Таким чином, поділ урану на осколки рівної маси (з масовими числами числами 115—119) відбувається з меншою ймовірністю, ніж асиметричний поділ[5], така тенденція спостерігається у всіх ізотопів, що діляться, і не пов'язана з якими-небудь індивідуальними властивостями ядер або частинок, а властива самому механізму поділу ядра. Однак асиметрія зменшується при збільшенні енергії збудження ядра, яке ділиться, і при енергії нейтрона понад 100 МеВ розподіл осколків поділу за масами має один максимум, що відповідає симетричному поділу ядра.

Осколки, що утворюються при поділі ядра урану, в свою чергу є радіоактивними, і зазнають ряду β-розпадів, при яких поступово на протязі тривалого часу виділяється додаткова енергія. Середня енергія, яка виділяється при розпаді одного ядра урану-235 з врахуванням розпадів осколків, складає приблизно 202,5 МеВ = 3,244×10−11 Дж, або 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг[6].

Поділ ядер — лише один з багатьох процесів, можливих при взаємодії нейтронів з ядрами, саме він лежить в основі роботи будь-якого ядерного реактора[7].

Ланцюгова ядерна реакція[ред.ред. код]

При розпаді одного ядра 235U як правило випускається від 1 до 8 (в середньому — 2.5) вільних нейтронів. Кожен нейтрон, що утворився при розпаді ядра 235U, за умови взаємодії з іншим ядром 235U, може викликати новий акт розпаду, це явище називається ланцюговою реакцією поділу ядра.

Гіпотетично, кількість нейтронів другого покоління (після другого етапу розпаду ядер) може перевищувати 3² = 9. З кожним наступним етапом реакції поділу кількість утворених нейтронів може наростати лавиноподібно. В реальних умовах вільні нейтрони можуть не породжувати новий акт поділу, покидаючи взірець до захоплення 235U, або будучи захопленими як самим ізотопом 235U з перетворенням його в 236U, так і іншими матеріалами (наприклад, 238U, або утвореними осколками поділу ядер, такими як 149Sm або 135Xe).

Якщо в середньому кожен акт поділу породжує ще один новий акт поділу, то реакція стає самопідтримуваною; цей стан називається критичним (див. також Коефіцієнт розмноження нейтронів(ru)).

В реальних умовах досягти критичного стану урану не так просто, оскільки на протікання реакції впливає ряд факторів. Наприклад, природний уран лише на 0,72 % складається з 235U, 99,2745 % складає 238U[1], який поглинає нейтрони, що утворюються при поділі ядер 235U. Це призводить до того, що в природному урані в даний час ланцюгова реакція поділу дуже швидко затухає. Здійснити незатухаючу ланцюгову реакцію поділу можна декількома основними шляхами[5]:

  • Збільшити об'єм взірця (для виділеного з руди урану можливе досягнення критичної маси за рахунок збільшення об'єму);
  • Здійснити розділення ізотопів, підвищуючи концентрацію 235U у взірці;
  • Зменшити втрату вільних нейтронів через поверхню взірця з допомогою застосування різних відбивачів;
  • Використовувати речовину — сповільнювач нейтронів для підвищення концентрації теплових нейтронів.

Ізомери[ред.ред. код]

Відомий єдиний ізомер 235Um з наступними характеристиками[1]:

  • Надлишок маси: 40 920,6(1,8) кеВ
  • Енергія збудження: 76,5(4) еВ
  • Період напіврозпаду: 26 хв
  • Спін і парність ядра: 1/2+

Розпад ізомерного стану здійснюється шляхом ізомерного переходу в основний стан.

Застосування[ред.ред. код]

  • Уран-235 використовується в якості палива для ядерних реакторів, в яких здійснюється керована ланцюгова ядерна реакція поділу;
  • Уран з високою ступінню збагачення застосовується для створення ядерної зброї. В цьому випадку для вивільнення великої кількості енергії (вибуху) використовується некерована ланцюгова ядерна реакція.

Дивіться також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. а б в г д е ж и к л м н G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A 729. с. 3–128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. (англ.)
  2. а б в г G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references.. Nuclear Physics A 729. с. 337—676. Bibcode:2003NuPhA.729..337A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. (англ.)
  3. Гофман К. Можно ли сделать золото?. — 2-е изд. стер. — Л. : Химия, 1987. — С. 130. — 50 000 прим.(рос.)
  4. Today in science history(англ.)
  5. а б в Фиалков Ю. Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности. — Киев : Техніка, 1975. — С. 87. — 2 000 прим.(рос.)
  6. Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission. Kaye & Laby Online. Архів оригіналу за 2012-04-08. (англ.)
  7. Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — М. : Энергоатомиздат, 1982. — С. 512.(рос.)