stringtranslate.com

Изотопы нептуния

Нептуний ( 93 Np) обычно считается искусственным элементом , хотя следовые количества встречаются в природе, поэтому стандартный атомный вес не может быть дан. Как и все следовые или искусственные элементы, он не имеет стабильных изотопов . Первым изотопом , который был синтезирован и идентифицирован в 1940 году, был 239 Np, полученный путем бомбардировки238Ус нейтронами для производства239
У
, который затем подвергся бета-распаду до239
Нп
.

Следовые количества обнаруживаются в природе в реакциях захвата нейтронов атомами урана , факт, обнаруженный только в 1951 году. [2]

Были охарактеризованы 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 дня. Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 4,5 дней, и большинство из них имеют период полураспада менее 50 минут. Этот элемент также имеет пять метасостояний , наиболее стабильным из которых является236м
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 самого стабильного изотопа,237
Нп
, это захват электронов (с большой долей альфа-излучения ), а основной режим после - бета-излучение . Первичные продукты распада до237
Нп
являются изотопами урана и протактиния , а первичные продукты после этого являются изотопами плутония . Нептуний является самым тяжелым элементом, для которого известно расположение протонной капельной линии ; самый легкий связанный изотоп - 220 Np. [3]

Список изотопов


  1. ^ m Np – Возбужденный ядерный изомер .
  2. ^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) приводится в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  3. ^ # – Атомная масса, отмеченная #: значение и неопределенность получены не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из тенденций от поверхности массы (TMS).
  4. ^ Способы распада:
  5. ^ Жирный курсивный символ как дочерний – Дочерний продукт почти стабилен.
  6. ^ ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.
  7. ^ ab # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).
  8. ^ Самое тяжелое известное ядро ​​по состоянию на 2019 год , которое находится за пределами протонной границы .
  9. ^ Делящийся нуклид
  10. ^ Наиболее распространенный нуклид
  11. ^ ab Образуется при захвате 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 235,044 063 3 а.е.м.

Нептуний-236

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

Этот конкретный изотоп нептуния имеет массу 236,04657 а.е.м. Это расщепляющийся материал; его предполагаемая критическая масса составляет 6,79 кг (15,0 фунтов), [16] хотя точные экспериментальные данные отсутствуют. [17]

236
Нп
производится в небольших количествах посредством реакций захвата (n,2n) и (γ,n)237
Нп
, [18] однако, его практически невозможно отделить в каких-либо значительных количествах от его исходного вещества237
Нп
. [19] Именно по этой причине, несмотря на его низкую критическую массу и высокое нейтронное сечение, он не был широко исследован в качестве ядерного топлива в оружии или реакторах. [17] Тем не менее,236
Нп
рассматривался для использования в масс-спектрометрии и в качестве радиоактивного индикатора , поскольку он распадается преимущественно путем бета-излучения с длительным периодом полураспада. [20] Было исследовано несколько альтернативных путей производства этого изотопа, а именно те, которые уменьшают изотопное разделение из237
Нп
или изомер 236м
Нп
. Наиболее благоприятные реакции для накопления236
Нп
было показано, что облучение урана-238 протонами и дейтронами . [20]

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 году237
Нп
Было показано, что он способен поддерживать цепную реакцию с быстрыми нейтронами , как в ядерном оружии , с критической массой около 60 кг. [21] 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 ускорителями ).

Запасы отработанного ядерного топлива

237
Нп
является единственным изотопом нептуния, который производится в значительных количествах в ядерном топливном цикле , как путем последовательного захвата нейтронов ураном -235 (который делится большую часть времени, но не все время), так и ураном-236 , или реакциями (n,2n), где быстрый нейтрон время от времени выбивает нейтрон из урана-238 или изотопов плутония . В долгосрочной перспективе,237
Нп
также образуется в отработанном ядерном топливе как продукт распада америция-241 .

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

Сырье для238
Пупроизводство

При нейтронной бомбардировке237
Нп
может захватить нейтрон, подвергнуться бета-распаду и стать238
Пу
, этот продукт полезен в качестве источника тепловой энергии в радиоизотопном термоэлектрическом генераторе (РИТЭГ или РИТЭГ) для производства электроэнергии и тепла. Первый тип термоэлектрического генератора SNAP ( Systems for Nuclear Auxiliary Power ) был разработан и использовался NASA в 1960-х годах и во время миссий Apollo для питания инструментов, оставленных на поверхности Луны астронавтами. Термоэлектрические генераторы также были установлены на борту зондов дальнего космоса, таких как миссии Pioneer 10 и 11 , программа Voyager , миссия Cassini-Huygens и New Horizons . Они также поставляют электрическую и тепловую энергию для Mars Science Laboratory (марсоход Curiosity) и миссии Mars 2020 ( марсоход Perseverance ), которые исследуют холодную поверхность Марса . Марсоходы Curiosity и Perseverance оснащены последней версией многоцелевого радиоизотопного течеискателя (RTG) — более эффективной и стандартизированной системой, получившей название MMRTG .

Эти приложения экономически практичны, когда 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 (например, марсианские пылевые бури ). Космические зонды и марсоходы также используют тепло, вырабатываемое генератором, для поддержания тепла в своих приборах и внутренних частях. [22]

Нехватка237
Нпзапасы

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

237
Нп
поэтому является ключевым радионуклидом для производства238
Пу
, что имеет решающее значение для зондов дальнего космоса, которым требуется надежный и долговременный источник энергии без технического обслуживания.

Запасы 238
Пу
созданные в Соединенных Штатах со времен Манхэттенского проекта , благодаря ядерному комплексу в Ханфорде (работавшему в штате Вашингтон с 1943 по 1977 год) и разработке атомного оружия , в настоящее время почти исчерпаны. Извлечение и очистка достаточного количества новых237
Нп
из облученного ядерного топлива поэтому необходимо для возобновления238
Пу
производство с целью пополнения запасов, необходимых для исследования космоса автоматическими зондами.

Нептуний-239

Нептуний-239 имеет 146 нейтронов и период полураспада 2,356 дня. Он производится посредством β − распада короткоживущего урана-239 и подвергается еще одному β − распаду до плутония-239 . Это основной путь получения плутония, так как 239 U может быть получен путем захвата нейтронов в уране-238 . [23]

Уран-237 и нептуний-239 считаются основными опасными радиоизотопами в течение первого часа или недели после выпадения радиоактивных осадков в результате ядерного взрыва, при этом 239 Np доминирует «в спектре в течение нескольких дней». [24] [25]

Ссылки

  1. ^ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  2. ^ Peppard, DF; Mason, GW; Gray, PR; Mech, JF (1952). «Встреча серии (4n + 1) в природе» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 74 (23): 6081–6084. doi :10.1021/ja01143a074.
  3. ^ ab Zhang, ZY; Gan, ZG; Yang, HB; et al. (2019). "Новый изотоп 220 Np: исследование надежности замыкания оболочки N = 126 в нептунии". Physical Review Letters . 122 (19): 192503. Bibcode : 2019PhRvL.122s2503Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.122.192503. PMID  31144958. S2CID  169038981.
  4. ^ Ван, М.; Ауди, Г.; Кондев, Ф.Г.; Хуан, В.Дж.; Наими, С.; Сюй, Х. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF) . Chinese Physics C. 41 ( 3): 030003-1–030003-442. doi :10.1088/1674-1137/41/3/030003.
  5. ^ Yang, H; Ma, L; Zhang, Z; Yang, C; Gan, Z; Zhang, M; et al. (2018). «Свойства альфа-распада полумагического ядра 219Np». Physics Letters B. 777 : 212–216. Bibcode : 2018PhLB..777..212Y. doi : 10.1016/j.physletb.2017.12.017 .
  6. ^ Ma, L.; Zhang, ZY; Gan, ZG; et al. (2020). «Короткоживущий α-излучающий изотоп 222 Np и стабильность магической оболочки N=126». Physical Review Letters . 125 (3): 032502. Bibcode : 2020PhRvL.125c2502M. doi : 10.1103/PhysRevLett.125.032502. PMID  32745401. S2CID  220965400.
  7. ^ Сан, MD; и др. (2017). «Новый короткоживущий изотоп 223Np и отсутствие замыкания подоболочки Z = 92 вблизи N = 126». Physics Letters B. 771 : 303–308. Bibcode : 2017PhLB..771..303S. doi : 10.1016/j.physletb.2017.03.074 .
  8. ^ Хуан, TH; и др. (2018). "Идентификация нового изотопа 224Np" (pdf) . Physical Review C. 98 ( 4): 044302. Bibcode : 2018PhRvC..98d4302H. doi : 10.1103/PhysRevC.98.044302. S2CID  125251822.
  9. ^ Асаи, М.; Суэкава, И.; Хигаси, М.; и др. Открытие изомера 234 Np и его свойства распада (PDF) (Отчет) (на японском языке).
  10. ^ ab Niwase, T.; Watanabe, YX; Hirayama, Y.; et al. (2023). «Открытие нового изотопа 241U и систематические высокоточные измерения атомной массы нейтронно-избыточных ядер Pa-Pu, полученных в результате реакций многонуклонной передачи» (PDF) . Physical Review Letters . 130 (13): 132502-1–132502-6. doi :10.1103/PhysRevLett.130.132502. PMID  37067317. S2CID  257976576.
  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 ни один нуклид не имеет периода полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке — радон-222 с периодом полураспада менее четырех дней ). Самый долгоживущий изотоп радия, с периодом полураспада 1600 лет, таким образом, заслуживает включения элемента сюда.
  12. ^ В частности, из деления урана-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
  13. ^ Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). "Период альфа-полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248". Nuclear Physics . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M. doi : 10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    «Изотопный анализ выявил вид с массой 248 в постоянном количестве в трех образцах, проанализированных в течение периода около 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk 248 с периодом полураспада более 9 [лет]. Роста Cf 248 обнаружено не было, а нижний предел для периода полураспада β − можно установить на уровне около 10 4 [лет]. Альфа-активности, приписываемой новому изомеру, не обнаружено; 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 периодами полураспада, значительно превышающими период полураспада 232Th ; например, в то время как период полураспада 113mCd составляет всего четырнадцать лет, период полураспада 113Cd составляет восемь квадриллионов лет.
  16. ^ 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.
  17. ^ ab Reed, BC (2017). «Исследование потенциальной возможности создания ядерного оружия на основе деления нуклидов, отличных от 235 U и 239 Pu». American Journal of Physics . 85 : 38–44. doi : 10.1119/1.4966630.
  18. ^ Анализ повторного использования урана, извлеченного из переработки отработанного топлива коммерческих легководных реакторов, Министерство энергетики США, Национальная лаборатория Ок-Ридж.
  19. ^ ** Юкка Лехто; Сяолинь Хоу (2011). "15.15: Нептуний". Химия и анализ радионуклидов (1-е изд.). John Wiley & Sons . 231. ISBN 978-3527633029.
  20. ^ ab Jerome, SM; Ivanov, P.; Larijani, C.; Parker, DJ; Regan, PH (2014). «Производство нептуния-236g». Журнал экологической радиоактивности . 138 : 315–322. doi :10.1016/j.jenvrad.2014.02.029. PMID  24731718.
  21. ^ P. Weiss (26 октября 2002 г.). «Neptunium Nukes? Малоизученный металл становится критическим». Science News . 162 (17): 259. doi :10.2307/4014034. JSTOR  4014034. Архивировано из оригинала 26 мая 2024 г. Получено 7 ноября 2013 г.
  22. ^ Witze, Alexandra (2014-11-27). «Ядерная энергетика: отчаянные поиски плутония». Nature . 515 (7528): 484–486. Bibcode :2014Natur.515..484W. doi : 10.1038/515484a . PMID  25428482.
  23. ^ "Периодическая таблица элементов: LANL - Нептуний". Лос-Аламосская национальная лаборатория . Получено 2013-10-13 .
  24. ^ [Дозиметрия пленочных значков при испытаниях ядерного оружия в атмосфере, Комитет по дозиметрии пленочных значков при испытаниях ядерного оружия в атмосфере, Комиссия по инженерным и техническим системам, Отдел инженерных и физических наук, Национальный исследовательский совет. стр. 24-35]
  25. ^ Граничный анализ эффектов фракционирования радионуклидов в выпадениях при оценке доз облучения ветеранов атомной войны DTRA-TR-07-5. 2007