Уран-238

Изотоп урана

Уран-238 (²³⁸
У
или U-238 ) является наиболее распространенным изотопом урана , встречающимся в природе, с относительной распространенностью 99%. В отличие от урана-235 , он не делится, что означает, что он не может поддерживать цепную реакцию в реакторе на тепловых нейтронах . Однако он делится быстрыми нейтронами и является фертильным , что означает, что он может быть преобразован в делящийся плутоний-239 . ²³⁸ U не может поддерживать цепную реакцию, поскольку неупругое рассеяние снижает энергию нейтронов ниже диапазона, в котором вероятно быстрое деление одного или нескольких ядер следующего поколения. Доплеровское уширение резонансов поглощения нейтронов ²³⁸ U , увеличивающее поглощение по мере повышения температуры топлива, также является важным механизмом отрицательной обратной связи для управления реактором.

Около 99,284% массы природного урана составляет уран-238, период полураспада которого составляет 1,41 × 10¹⁷ секунд (4,468 × 10⁹ лет или 4,468 миллиарда лет). ^[1] Благодаря своей естественной распространенности и периоду полураспада относительно других радиоактивных элементов , ²³⁸ U производит ~40% радиоактивного тепла, вырабатываемого внутри Земли. ^[2] Цепочка распада ²³⁸ Uдает шесть электронных антинейтрино на ^{ядро ​​238} U (одно на бета-распад ), что приводит к большому обнаруживаемому сигналу геонейтрино, когда распады происходят внутри Земли. ^[3] Распад ²³⁸ U на дочерние изотопы широко используется в радиометрическом датировании , особенно для материалов старше примерно 1 миллиона лет.

Обедненный уран имеет еще более высокую концентрацию изотопа ²³⁸ U, и даже низкообогащенный уран (НОУ), хотя и имеет более высокую долю изотопа урана-235 (по сравнению с обедненным ураном), все еще в основном состоит из ²³⁸ U. Переработанный уран также в основном состоит из ²³⁸ U, с примерно таким же количеством урана-235, как и в природном уране, сопоставимой долей урана-236 и гораздо меньшим количеством других изотопов урана, таких как уран-234 , уран-233 и уран-232 . ^[4]

Применение ядерной энергии

В ядерном реакторе деления уран-238 может быть использован для получения плутония-239 , который сам по себе может быть использован в ядерном оружии или в качестве топлива для ядерного реактора. В типичном ядерном реакторе до одной трети вырабатываемой энергии поступает от деления ²³⁹ Pu, который не подается в качестве топлива в реактор, а производится из ²³⁸ U. ^[5] Определенное количество производства²³⁹
Пу из²³⁸
U неизбежен везде, где он подвергается воздействию нейтронного излучения . В зависимости от выгорания и температуры нейтронов , различные доли²³⁹
Pu преобразуются в²⁴⁰
Pu , который определяет «сорт» производимого плутония, начиная от оружейного , через реакторный , до плутония с высоким содержанием²⁴⁰
Pu , что его нельзя использовать в современных реакторах, работающих с тепловым нейтронным спектром. Последнее обычно подразумевает использование «переработанного» МОКС-топлива , которое поступило в реактор и содержало значительные количества плутония ^{[ требуется ссылка ]} .

Реакторы-размножители

²³⁸ U может производить энергию посредством «быстрого» деления . В этом процессе нейтрон, имеющий кинетическую энергию свыше 1  МэВ, может вызвать расщепление ядра ²³⁸ U. В зависимости от конструкции этот процесс может вносить от одного до десяти процентов всех реакций деления в реакторе, но слишком мало из средних 2,5 нейтронов ^[6], образующихся при каждом делении, имеют достаточную скорость для продолжения цепной реакции.

²³⁸ U может быть использован в качестве исходного материала для создания плутония-239, который в свою очередь может быть использован в качестве ядерного топлива. Реакторы-размножители осуществляют такой процесс трансмутации для преобразования воспроизводящего изотопа ²³⁸ U в делящийся ²³⁹ Pu. Было подсчитано, что для использования на этих электростанциях ²³⁸ U хватит на 10 000–5 миллиардов лет . ^[7] Технология размножителей использовалась в нескольких экспериментальных ядерных реакторах. ^[8]

К декабрю 2005 года единственным реактором-размножителем, производящим электроэнергию, был реактор БН-600 мощностью 600 мегаватт 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. Кроме того, японский реактор-размножитель Мондзю , который был неисправен большую часть времени с момента его первоначальной постройки в 1986 году, был отдан под вывод из эксплуатации в 2016 году после того, как были обнаружены опасности, связанные с безопасностью и проектированием, с датой завершения, установленной на 2047 год. И Китай, и Индия объявили о планах по строительству 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 ]}

Clean And Environmentally Safe Advanced Reactor (CAESAR), концепция ядерного реактора, который будет использовать пар в качестве замедлителя для управления запаздывающими нейтронами , потенциально сможет использовать ²³⁸ U в качестве топлива после запуска реактора с топливом из низкообогащенного урана (НОУ). Эта конструкция все еще находится на ранних стадиях разработки. ^{[ необходима цитата ]}

Реакторы CANDU

Природный уран, 0,711%²³⁵
У
, может использоваться в качестве ядерного топлива в реакторах, специально разработанных для использования природного урана, таких как реакторы CANDU . Используя необогащенный уран, такие конструкции реакторов предоставляют стране доступ к ядерной энергетике для производства электроэнергии без необходимости разработки возможностей обогащения топлива, которые часто рассматриваются как прелюдия к производству оружия ^{[ требуется ссылка ]} .

Защита от радиации

²³⁸ U также используется в качестве радиационной защиты — его альфа-излучение легко останавливается нерадиоактивным корпусом защиты, а высокий атомный вес урана и большое количество электронов очень эффективно поглощают гамма-лучи и рентгеновские лучи . Он не так эффективен, как обычная вода, для остановки быстрых нейтронов . Как металлический обедненный уран , так и обедненный диоксид урана используются для радиационной защиты. Уран примерно в пять раз лучше как гамма-экран, чем свинец , поэтому экран с такой же эффективностью может быть упакован в более тонкий слой. ^{[ требуется ссылка ]}

DUCRETE , бетон, изготовленный с использованием заполнителя из диоксида урана вместо гравия, исследуется в качестве материала для систем сухого хранения контейнеров для хранения радиоактивных отходов . ^{[ необходима ссылка ]}

Смешивание

Противоположностью обогащению является разбавление . Излишки высокообогащенного урана можно разбавлять обедненным ураном или природным ураном, чтобы превратить его в низкообогащенный уран, пригодный для использования в коммерческом ядерном топливе.

²³⁸ U из обедненного урана и природного урана также используется с переработанным ²³⁹ Pu из запасов ядерного оружия для изготовления смешанного оксидного топлива (МОКС), которое теперь перенаправляется в качестве топлива для ядерных реакторов. Это разбавление, также называемое разбавлением, означает, что любая страна или группа, которая приобрела готовое топливо, должна будет повторить очень дорогой и сложный процесс химического разделения урана и плутония перед сборкой оружия. ^{[ необходима цитата ]}

Ядерное оружие

Большинство современных ядерных вооружений используют ²³⁸ U в качестве материала «тампера» (см. проектирование ядерного оружия ). Тампер, который окружает делящееся ядро, отражает нейтроны и добавляет инерции к сжатию заряда ²³⁹ Pu. Таким образом, он увеличивает эффективность оружия и снижает требуемую критическую массу . В случае термоядерного оружия 238 ^U может использоваться для покрытия термоядерного топлива, высокий поток очень энергичных нейтронов от полученной реакции синтеза заставляет ядра ²³⁸ U расщепляться и добавляет больше энергии к «выходу» оружия. Такое оружие называют оружием деления-синтеза-деления по порядку, в котором происходит каждая реакция. Примером такого оружия является Castle Bravo .

Большая часть общей взрывной мощности в этой конструкции приходится на заключительную стадию деления, работающую на ²³⁸ U, производящую огромное количество радиоактивных продуктов деления . Например, по оценкам, 77% от 10,4- мегатонной мощности термоядерного испытания Ivy Mike в 1952 году было получено в результате быстрого деления обедненного урана- тампера . Поскольку обедненный уран не имеет критической массы, его можно добавлять в термоядерные бомбы практически в неограниченном количестве. Испытание Советским Союзом Царь -бомбы в 1961 году произвело «всего» 50 мегатонн взрывной мощности, более 90% из которых было получено в результате синтеза, поскольку заключительная стадия ²³⁸ U была заменена свинцом. Если бы вместо него использовался ²³⁸ U, мощность Царь-бомбы могла бы быть значительно выше 100 мегатонн, и она произвела бы ядерные осадки, эквивалентные одной трети от общего мирового количества, которое было произведено к тому времени.

Радиевый ряд (или ряд урана)

Цепочку распада ²³⁸ U обычно называют « рядом радия » (иногда «рядом урана»). Начиная с природного урана-238, этот ряд включает следующие элементы: астат , висмут , свинец , полоний , протактиний , радий , радон , таллий и торий . Все продукты распада присутствуют, по крайней мере временно, в любом образце, содержащем уран, будь то металл, соединение или минерал. Распад происходит следующим образом:

${\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{238}_{92}U->[\alpha ][4.468\times 10^{9}\ {\ce {y}}]{^{234}_{90}Th}->[\beta ^{-}][24.1\ {\ce {d}}]{^{234\!m}_{91}Pa}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[0.16\%][1.17\ {\ce {min}}]{^{234}_{91}Pa}->[\beta ^{-}][6.7\ {\ce {h}}]}}\\{\ce {->[99.84\%\ \beta ^{-}][1.17\ {\ce {min}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{234}_{92}U->[\alpha ][2.445\times 10^{5}\ {\ce {y}}]{^{230}_{90}Th}->[\alpha ][7.5\times 10^{4}\ {\ce {y}}]{^{226}_{88}Ra}->[\alpha ][1600\ {\ce {y}}]{^{222}_{86}Rn}}}\\{\ce {^{222}_{86}Rn->[\alpha ][3.8235\ {\ce {d}}]{^{218}_{84}Po}->[\alpha ][3.05\ {\ce {min}}]{^{214}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][26.8\ {\ce {min}}]{^{214}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][19.9\ {\ce {min}}]{^{214}_{84}Po}->[\alpha ][164.3\ \mu {\ce {s}}]{^{210}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][22.26\ {\ce {y}}]{^{210}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][5.012\ {\ce {d}}]{^{210}_{84}Po}->[\alpha ][138.38\ {\ce {d}}]{^{206}_{82}Pb}}}\end{array}}}$

Среднее время жизни 238 ^U составляет 1,41 × 10¹⁷ секунд делятся на ln(2)  ≈ 0,693 (или умножаются на 1/ln(2) ≈ 1,443), т.е. примерно 2 × 10¹⁷ секунд, поэтому 1 моль 238 Uиспускает 3 ^× 10⁶ альфа-частиц в секунду, производя то же самое количество атомов тория-234 . В закрытой системе равновесие будет достигнуто, со всеми количествами, за исключением свинца-206 и ²³⁸ U в фиксированных соотношениях, в медленно уменьшающихся количествах. Количество ²⁰⁶ Pb будет соответственно увеличиваться, в то время как количество ²³⁸ U будет уменьшаться; все шаги в цепочке распада имеют эту же скорость 3 × 10⁶ распавшихся частиц в секунду на моль ^238U .

Торий-234 имеет среднее время жизни 3 × 10⁶ секунд, поэтому равновесие существует, если один моль ²³⁸ U содержит 9 × 10¹² атомов тория-234, что составляет 1,5 × 10⁻¹¹ моль (соотношение двух периодов полураспада). Аналогично, в равновесии в закрытой системе количество каждого продукта распада, за исключением конечного продукта свинца, пропорционально его периоду полураспада.

Хотя ^238U минимально радиоактивен, продукты его распада, торий-234 и протактиний-234, являются излучателями бета-частиц с периодами полураспада около 20 дней и одной минуты соответственно. Протактиний-234 распадается на уран-234, период полураспада которого составляет сотни тысяч лет, 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 ^238U будет испускать в три раза больше излучения, обусловленного самим ^238U , и большая часть этого излучения — бета-частицы.

Как уже упоминалось выше, при запуске чистого ²³⁸ U, в пределах человеческой временной шкалы равновесие применяется только для первых трех шагов в цепочке распада. Таким образом, для одного моля ²³⁸ U, 3 × 10⁶ раз в секунду производятся одна альфа-частица, две бета-частицы и гамма-луч, вместе 6,7 МэВ, мощность 3 мкВт. ^{[10] [11]}

^{Атом 238} U сам по себе является гамма-излучателем при 49,55 кэВ с вероятностью 0,084%, но это очень слабая гамма-линия, поэтому активность измеряется через его дочерние нуклиды в его серии распада. ^{[12] [13]}

Радиоактивное датирование

^{Распространенность 238} U и его распад на дочерние изотопы включает в себя несколько методов датирования урана и является одним из наиболее распространенных радиоактивных изотопов, используемых в радиометрическом датировании . Наиболее распространенным методом датирования является датирование ураном и свинцом , которое используется для датирования пород возрастом более 1 миллиона лет и предоставило возраст самых старых пород на Земле в 4,4 миллиарда лет. ^[14]

Соотношение между ²³⁸ U и ²³⁴ U дает представление о возрасте отложений и морской воды, который составляет от 100 000 до 1 200 000 лет. ^[15]

^{Дочерний} продукт 238U , ^206Pb , является неотъемлемой частью свинцово-свинцового датирования , которое наиболее известно определением возраста Земли . ^[16]

Космические аппараты программы «Вояджер» несут небольшие количества изначально чистого ²³⁸ U на обложках своих золотых пластинок , чтобы облегчить датирование таким же образом. ^[17]

Проблемы со здоровьем

Уран испускает альфа-частицы в процессе альфа-распада . Внешнее воздействие имеет ограниченный эффект. Значительное внутреннее воздействие мельчайших частиц урана или продуктов его распада, таких как торий-230, радий-226 и радон-222 , может вызвать серьезные последствия для здоровья, такие как рак костей или печени.

Уран также является токсичным химикатом, а это означает, что употребление урана внутрь может вызвать повреждение почек из-за его химических свойств гораздо раньше, чем его радиоактивные свойства могли бы вызвать рак костей или печени. ^{[18] [19]}

Смотрите также

• Обедненный уран
• Уран-свинцовое датирование

Ссылки

1. Макклейн, Д. Э.; Миллер, А. С.; Калинич, Дж. Ф. (20 декабря 2007 г.). «Состояние проблем со здоровьем в связи с военным использованием обедненного урана и суррогатных металлов в бронебойных боеприпасах» (PDF) . НАТО . Архивировано из оригинала (PDF) 19 апреля 2011 г. Получено 14 ноября 2010 г.
2. Аревало, Рикардо; Макдоноу, Уильям Ф.; Луонг, Марио (2009). «Отношение KU силикатной Земли: взгляд на состав мантии, структуру и термическую эволюцию». Earth and Planetary Science Letters . 278 (3–4): 361–369. Bibcode : 2009E&PSL.278..361A. doi : 10.1016/j.epsl.2008.12.023.
3. Араки, Т.; Эномото, С.; Фуруно, К.; Гандо, Й.; Ичимура, К.; Икеда, Х.; Иноуэ, К.; Кишимото, Й.; Кога, М. (2005). «Экспериментальное исследование геологически произведенных антинейтрино с помощью KamLAND». Nature . 436 (7050): 499–503. Bibcode :2005Natur.436..499A. doi :10.1038/nature03980. PMID  16049478. S2CID  4367737.
4. Ядерная Франция: Материалы и сайты. "Уран из переработки". Архивировано из оригинала 19 октября 2007 г. Получено 27 марта 2013 г.
5. «Плутоний — Всемирная ядерная ассоциация».
6. "Физика урана и ядерная энергия". Всемирная ядерная ассоциация . Получено 17 ноября 2017 г.
7. Факты от Коэна Архивировано 10 апреля 2007 г. на Wayback Machine . Formal.stanford.edu (26 января 2007 г.). Получено 24 октября 2010 г.
8. Усовершенствованные ядерные энергетические реакторы | Ядерные реакторы поколения III+ Архивировано 15 июня 2010 г. на Wayback Machine . World-nuclear.org. Получено 24.10.2010.
9. Thoennessen, M. (2016). Открытие изотопов: Полная компиляция . Springer. стр. 19. doi :10.1007/978-3-319-31763-2. ISBN 978-3-319-31761-8. LCCN  2016935977.
10. Энгхаузер, Михаэль (1 апреля 2018 г.). Учебный курс по гамма-спектроскопии урана, редакция 00 (отчет). OSTI  1525592.
11. "5.3: Типы излучения". Chemistry LibreTexts . 26 июля 2017 г. Получено 16 мая 2023 г.
12. Huy, NQ; Luyen, TV (1 декабря 2004 г.). «Метод определения активности 238U в образцах почв окружающей среды с использованием спектрометра HPGe с фотопиком гамма-излучения на 63,3 кэВ». Applied Radiation and Isotopes . 61 (6): 1419–1424. doi :10.1016/j.apradiso.2004.04.016. ISSN  0969-8043.
13. Кларк, ДеЛинн (декабрь 1996 г.). "U235: Код гамма-анализа для определения изотопов урана" (PDF) . Получено 21 мая 2023 г.
14. Valley, John W.; Reinhard, David A.; Cavosie, Aaron J.; Ushikubo, Takayuki; Lawrence, Daniel F.; Larson, David J.; Kelly, Thomas F.; Snoeyenbos, David R.; Strickland, Ariel (1 июля 2015 г.). «Нано- и микрогеохронология цирконов хадея и архея с помощью атомно-зондовой томографии и SIMS: новые инструменты для старых минералов» (PDF) . American Mineralogist . 100 (7): 1355–1377. Bibcode :2015AmMin.100.1355V. doi : 10.2138/am-2015-5134 . ISSN  0003-004X.
15. Хендерсон, Гидеон М (2002). «Морская вода (234U/238U) в течение последних 800 тысяч лет». Earth and Planetary Science Letters . 199 (1–2): 97–110. Bibcode : 2002E&PSL.199...97H. doi : 10.1016/S0012-821X(02)00556-3.
16. Паттерсон, Клэр (1 октября 1956 г.). «Возраст метеоритов и Земля». Geochimica et Cosmochimica Acta . 10 (4): 230–237. Bibcode : 1956GeCoA..10..230P. doi : 10.1016/0016-7037(56)90036-9.
17. "Voyager - Making of the Golden Record". voyager.jpl.nasa.gov . Получено 28 марта 2020 г. .
18. Radioisotope Brief CDC (дата обращения: 8 ноября 2021 г.)
19. Добыча урана в Вирджинии: научные, технические, экологические, гигиенические и нормативные аспекты добычи и переработки урана в Вирджинии, Гл. 5. Потенциальное воздействие добычи, переработки и рекультивации урана на здоровье человека . National Academies Press (США); 19 декабря 2011 г.

Внешние ссылки

• Банк данных опасных веществ NLM – уран, радиоактивный