stringtranslate.com

Изотопы нептуния

Нептуний ( 93 Np) обычно считается искусственным элементом , хотя в природе встречаются его следовые количества, поэтому стандартный атомный вес указать невозможно. Как и все микроэлементы или искусственные элементы, он не имеет стабильных изотопов . Первым изотопом , который был синтезирован и идентифицирован в 1940 году, был 239 Np, полученный бомбардировкой.238
ты
с нейтронами для производства239
ты
, который затем претерпел бета-распад до239
Нп
.

Следовые количества обнаруживаются в природе в результате реакций захвата нейтронов атомами урана , но этот факт был открыт только в 1951 году. [2]

Охарактеризовано двадцать пять радиоизотопов нептуния, наиболее стабильным из которых является237
Нп
с периодом полураспада 2,14 миллиона лет,236
Нп
с периодом полураспада 154 000 лет, и235
Нп
с периодом полураспада 396,1 дней. Период полураспада всех остальных радиоактивных изотопов составляет менее 4,5 дней, а период полураспада большинства из них составляет менее 50 минут. Этот элемент также имеет пять метасостояний , наиболее стабильным из которых является236 м
Нп
(t 1/2 22,5 часа).

Изотопы нептуния варьируются от219
Нп
к244
Нп
, хотя промежуточный изотоп221
Нп
пока не наблюдалось. Первичный режим распада до наиболее стабильного изотопа,237
Нп
, — это захват электронов (с большим количеством альфа-излучения ), а основной режим после него — бета-излучение . Первичные продукты распада до237
Нп
являются изотопами урана и протактиния , а первичными продуктами после них являются изотопы плутония . Нептуний — самый тяжелый элемент, для которого известно расположение линии стекания протонов ; самый легкий связанный изотоп - 220 Np. [3]

Список изотопов

  1. ^ m Np – Возбужденный ядерный изомер .
  2. ^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) указывается в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  3. ^ # - Атомная масса, отмеченная #: значение и неопределенность получены не на основе чисто экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе трендов поверхности массы (TMS).
  4. ^ Способы распада:
  5. ^ Дочерний жирный курсив — дочерний продукт почти стабилен.
  6. ^ ( ) значение вращения — указывает на вращение со слабыми аргументами присваивания.
  7. ^ ab # - Значения, отмеченные #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе тенденций соседних нуклидов (TNN).
  8. ^ Самое тяжелое известное ядро ​​по состоянию на 2019 год , находящееся за линией стекания протонов .
  9. ^ Делящийся нуклид
  10. ^ Самый распространенный нуклид
  11. ^ ab Производится путем захвата нейтронов в урановой руде.
  12. ^ Промежуточный продукт распада 244 Pu.

Актиниды против продуктов деления

Известные изотопы

Нептуний-235

Нептуний-235 имеет 142 нейтрона и период полураспада 396,1 дня. Этот изотоп распадается:

Этот изотоп нептуния имеет массу 235,0440633 ед.

Нептуний-236

Нептуний-236 имеет 143 нейтрона и период полураспада 154 000 лет. Он может разлагаться следующими способами:

Этот конкретный изотоп нептуния имеет массу 236,04657 ед. Это расщепляющийся материал; его расчетная критическая масса составляет 6,79 кг (15,0 фунтов), [15] , хотя точные экспериментальные данные недоступны. [16]

236
Нп
производится в небольших количествах в результате реакций захвата (n,2n) и (γ,n)237
Нп
, [17] однако практически невозможно отделить в сколько-нибудь значительных количествах от его родительского237
Нп
. [18] Именно по этой причине, несмотря на его низкую критическую массу и высокое нейтронное сечение, он не исследовался широко в качестве ядерного топлива для оружия или реакторов. [16] Тем не менее,236
Нп
рассматривался для использования в масс-спектрометрии и в качестве радиоактивного индикатора , поскольку он распадается преимущественно за счет бета-излучения с длительным периодом полураспада. [19] Было исследовано несколько альтернативных способов производства этого изотопа, а именно те, которые уменьшают разделение изотопов из237
Нп
или изомер 236 м
Нп
. Наиболее благоприятные реакции для накопления236
Нп
Показано, что это протонное и дейтронное облучение урана-238 . [19]

Нептуний-237

Схема распада нептуния-237 (упрощенная)

237
Нп
распадается через ряд нептуния , который заканчивается таллием-205 , который стабилен, в отличие от большинства других актинидов , которые распадаются на стабильные изотопы свинца .

В 2002,237
Нп
Было показано, что он способен поддерживать цепную реакцию с быстрыми нейтронами , как в ядерном оружии , с критической массой около 60 кг. [20] Однако он имеет низкую вероятность деления при бомбардировке тепловыми нейтронами , что делает его непригодным в качестве топлива для легководных атомных электростанций (в отличие, например, от быстрых реакторов или систем с ускорительным приводом ).

Запасы отработавшего ядерного топлива

237
Нп
является единственным изотопом нептуния, производимым в значительном количестве в ядерном топливном цикле как в результате последовательного захвата нейтронов ураном -235 (который делится большую часть времени, но не всегда), так и ураном-236 , или (n,2n) реакциями, в которых происходит быстрое нейтрон иногда выбивает нейтрон из урана-238 или изотопов плутония . В долгосрочной перспективе,237
Нп
также образуется в отработавшем ядерном топливе как продукт распада америция-241 .

237
Нп
считается одним из наиболее мобильных радионуклидов на территории хранилища ядерных отходов Юкка-Маунтин ( Невада ), где в ненасыщенной зоне вулканического туфа над уровнем грунтовых вод преобладают окислительные условия .

Сырье для238
Производство ПУ

При воздействии нейтронной бомбардировки237
Нп
может захватить нейтрон, подвергнуться бета-распаду и стать238
Пу
Этот продукт может быть использован в качестве источника тепловой энергии в радиоизотопном термоэлектрическом генераторе (РТГ или РИТЭГ) для производства электроэнергии и тепла. Первый тип термоэлектрического генератора SNAP ( Systems for Nuclear Auxiliary Power ) был разработан и использовался НАСА в 1960-х годах, а также во время миссий Аполлона для питания приборов, оставленных астронавтами на поверхности Луны. Термоэлектрические генераторы также были установлены на борту зондов дальнего космоса , таких как миссии «Пионер-10» и «Пионер-11» , программа «Вояджер» , миссия «Кассини-Гюйгенс» и «Новые горизонты» . Они также поставляют электрическую и тепловую энергию в Марсианскую научную лабораторию (ровер Curiosity) и миссию Mars 2020 ( ровер Perseverance ), которые исследуют холодную поверхность Марса . Марсоходы Curiosity и Perseverance оснащены последней версией многоцелевого RTG , более эффективной и стандартизированной системы, получившей название MMRTG .

Эти приложения экономически практичны там, где фотоэлектрические источники энергии слабы или нестабильны из-за того, что зонды находятся слишком далеко от Солнца или марсоходы сталкиваются с климатическими явлениями, которые могут препятствовать солнечному свету в течение длительных периодов времени (например, марсианские пылевые бури ). Космические зонды и марсоходы также используют тепловую мощность генератора для поддержания тепла своих инструментов и внутренних устройств. [21]

Дефицит237
Запасы Np

Длительный период полураспада (Т ½ ~ 88 лет)238
Пу
а отсутствие γ-излучения , которое могло бы помешать работе бортовых электронных компонентов или облучить людей, делает его радионуклидом выбора для электрических термогенераторов.

237
Нп
поэтому является ключевым радионуклидом для производства238
Пу
, что важно для зондов дальнего космоса, которым требуется надежный и долговечный источник энергии без обслуживания.

Запасы 238
Пу
созданные в США со времен Манхэттенского проекта , благодаря Хэнфордскому ядерному комплексу (действовавшему в штате Вашингтон с 1943 по 1977 год) и разработкам атомного оружия , сейчас практически исчерпаны. Добыча и очистка достаточных новых количеств237
Нп
от облученного ядерного топлива, поэтому необходимо для возобновления238
Пу
производства с целью пополнения запасов, необходимых для освоения космоса роботизированными зондами.

Нептуний-239

Нептуний-239 имеет 146 нейтронов и период полураспада 2,356 дней. Он образуется в результате β - распада короткоживущего урана-239 и подвергается еще одному β - распаду до плутония-239 . Это основной путь получения плутония, поскольку 239 U можно получить путем захвата нейтронов в уране-238 . [22]

Уран-237 и нептуний-239 считаются ведущими опасными радиоизотопами в первый период от часа к неделе после выпадения ядерных осадков в результате ядерного взрыва, причем 239 Np доминирует «в спектре в течение нескольких дней». [23] [24]

Рекомендации

  1. ^ Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  2. ^ Пеппард, Д.Ф.; Мейсон, GW; Грей, PR; Мех, Дж. Ф. (1952). «Возникновение ряда (4n + 1) в природе» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 74 (23): 6081–6084. дои : 10.1021/ja01143a074.
  3. ^ Аб Чжан, ZY; Ган, З.Г.; Ян, Х.Б.; и другие. (2019). «Новый изотоп 220 Np: исследование надежности замыкания оболочки N = 126 в нептунии». Письма о физических отзывах . 122 (19): 192503. Бибкод : 2019PhRvL.122s2503Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.122.192503. PMID  31144958. S2CID  169038981.
  4. ^ Ван, М.; Ауди, Г.; Кондев, ФГ; Хуанг, WJ; Наими, С.; Сюй, X. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030003-1–030003-442. дои : 10.1088/1674-1137/41/3/030003.
  5. ^ Ян, Х; Ма, Л; Чжан, З; Ян, С; Ган, З; Чжан, М; и другие. (2018). «Свойства альфа-распада полумагического ядра 219Np». Буквы по физике Б. 777 : 212–216. Бибкод : 2018PhLB..777..212Y. дои : 10.1016/j.physletb.2017.12.017 .
  6. ^ Ма, Л.; Чжан, ЗЯ; Ган, З.Г.; и другие. (2020). «Короткоживущий α-излучающий изотоп 222 Np и стабильность магической оболочки N = 126». Письма о физических отзывах . 125 (3): 032502. Бибкод : 2020PhRvL.125c2502M. doi : 10.1103/PhysRevLett.125.032502. PMID  32745401. S2CID  220965400.
  7. ^ Сан, Мэриленд; и другие. (2017). «Новый короткоживущий изотоп 223Np и отсутствие замыкания подоболочки Z = 92 вблизи N = 126». Буквы по физике Б. 771 : 303–308. Бибкод : 2017PhLB..771..303S. дои : 10.1016/j.physletb.2017.03.074 .
  8. ^ Хуанг, TH; и другие. (2018). «Идентификация нового изотопа 224Np» (pdf) . Физический обзор C . 98 (4): 044302. Бибкод : 2018PhRvC..98d4302H. doi : 10.1103/PhysRevC.98.044302. S2CID  125251822.
  9. ^ Асаи, М.; Суэкава, Ю.; Хигаши, М.; и другие. Открытие изомера 234 Np и его свойств распада (PDF) (Отчет) (на японском языке).
  10. ^ Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле это субактинид, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным интервалом нестабильности после полония (84), где ни один нуклид не имеет период полураспада, по крайней мере, четыре года (самый долгоживущий нуклид в пробеле - радон-222 с периодом полураспада менее четырех суток ). Таким образом, самый долгоживущий изотоп радия, имеющий возраст 1600 лет, заслуживает включения этого элемента в этот список.
  11. ^ В частности, в результате деления урана-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
  12. ^ Милстед, Дж.; Фридман, AM; Стивенс, CM (1965). «Альфа-период полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248». Ядерная физика . 71 (2): 299. Бибкод : 1965NucPh..71..299M. дои : 10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    «Изотопный анализ выявил вид с массой 248 в постоянном количестве в трех образцах, анализированных в течение периода около 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk 248 с периодом полураспада более 9 [лет]. Никакого роста Cf 248 , а нижний предел периода полураспада β- можно установить примерно на уровне 10 4 [ лет]. Никакой альфа-активности, приписываемой новому изомеру, обнаружено не было; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет] ]."
  13. ^ Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до « моря нестабильности ».
  14. ^ За исключением « классически стабильных » нуклидов с периодом полураспада, значительно превышающим 232 Th; например, период полураспада 113m Cd составляет всего четырнадцать лет, а период полураспада 113 Cd составляет восемь квадриллионов лет.
  15. ^ Заключительный отчет, Оценка данных о безопасности ядерной критичности и пределов содержания актинидов при транспортировке (PDF) (Отчет). Республика Франция, Институт радиационной защиты и ядерной безопасности, Департамент предотвращения и изучения аварий. Архивировано из оригинала (PDF) 19 мая 2011 г.
  16. ^ Аб Рид, Британская Колумбия (2017). «Исследование потенциальной возможности использования в качестве оружия ядерных бомб, отличных от 235 U и 239 Pu». Американский журнал физики . 85 : 38–44. дои : 10.1119/1.4966630.
  17. ^ Анализ повторного использования урана, полученного в результате переработки отработавшего топлива коммерческих LWR, Министерство энергетики США, Национальная лаборатория Ок-Риджа.
  18. ^ ** Юкка Лехто; Сяолинь Хоу (2011). «15.15: Нептуний». Химия и анализ радионуклидов (1-е изд.). Джон Уайли и сыновья . 231. ИСБН 978-3527633029.
  19. ^ аб Джером, С.М.; Иванов П.; Лариджани, К.; Паркер, диджей; Риган, PH (2014). «Производство Нептуния-236г». Журнал радиоактивности окружающей среды . 138 : 315–322. doi :10.1016/j.jenvrad.2014.02.029. ПМИД  24731718.
  20. ^ П. Вайс (26 октября 2002 г.). «Нептуниевое ядерное оружие? Малоизученный металл становится критическим». Новости науки . 162 (17): 259. дои : 10.2307/4014034. JSTOR  4014034. Архивировано из оригинала 15 декабря 2012 года . Проверено 7 ноября 2013 г.
  21. ^ Витце, Александра (27 ноября 2014 г.). «Ядерная энергетика: отчаянно ищет плутоний». Природа . 515 (7528): 484–486. Бибкод : 2014Natur.515..484W. дои : 10.1038/515484a . ПМИД  25428482.
  22. ^ "Периодическая таблица элементов: LANL - Нептуний" . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Проверено 13 октября 2013 г.
  23. ^ [Дозиметрия пленочных значков при ядерных испытаниях в атмосфере, Комитет по дозиметрии пленочных значков при ядерных испытаниях в атмосфере, Комиссия по инженерным и техническим системам, Отдел инженерных и физических наук, Национальный исследовательский совет. стр. 24-35]
  24. ^ Граничный анализ влияния фракционирования радионуклидов в выпадениях на оценку доз атомных ветеранов DTRA-TR-07-5. 2007 год