Уран-238 ( 238 U или U-238 ) — наиболее распространенный изотоп урана, встречающийся в природе, с относительным содержанием 99%. В отличие от урана-235 , он неделится, а значит, не может поддерживать цепную реакцию в реакторе на тепловых нейтронах . Однако он расщепляется быстрыми нейтронами и является воспроизводящим , то есть 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 при повышении 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 × 10.17 секунд (4,468 × 109 лет или 4,468 миллиарда лет). [1] Из-за своего естественного содержания и периода полураспада по сравнению с другими радиоактивными элементами 238U производит ~ 40% радиоактивного тепла, производимого на Земле. [2] Цепочка распада 238 Uдает 6 электронных антинейтрино на ядро 238 U (1 на каждый бета-распад ), что приводит к сильному обнаруживаемому сигналу геонейтрино , когда распады происходят внутри Земли. [3] Распад 238 U на дочерние изотопы широко используется в радиометрическом датировании , особенно для материалов старше ~ 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), по-прежнему в основном представляет собой 238 U. Переработанный уран также в основном состоит из урана- 238 , примерно такого же количества урана-235 , как и природного урана, сопоставимой доли урана-236 и гораздо меньших количеств других изотопов урана, таких как уран-234 , уран-233 и уран-232 . [4]
В ядерном реакторе деления уран-238 может использоваться для производства плутония-239 , который сам по себе может быть использован в ядерном оружии или в качестве топлива для ядерного реактора. В типичном ядерном реакторе до трети вырабатываемой энергии происходит за счет деления 239 Pu, который не поступает в реактор в качестве топлива, а производится из 238 U. [5] Определенное количество продукции из239
Пу из238
U неизбежен везде, где он подвергается воздействию нейтронного излучения . В зависимости от выгорания и температуры нейтронов различаются доли239
Пу конвертируются в240
Pu , который определяет «сорт» производимого плутония: от оружейного до реакторного и до плутония с таким высоким содержанием240
Pu , что его нельзя использовать в современных реакторах, работающих со спектром тепловых нейтронов. Последнее обычно связано с использованным «переработанным» МОКС-топливом , поступившим в реактор и содержащим значительное количество плутония .
238 U может производить энергию посредством «быстрого» деления . В этом процессе нейтрон с кинетической энергией более 1 МэВ может вызвать расщепление ядра 238 U. В зависимости от конструкции этот процесс может способствовать от одного до десяти процентов всех реакций деления в реакторе, но слишком немногие 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 , чтобы превратить воспроизводящий изотоп 238 U в делящийся 239 Pu. Было подсчитано, что запасы урана -238 , пригодные для использования на этих электростанциях, сохранятся от 10 000 до 5 миллиардов лет . [7] Бридерная технология 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. Позднее Россия построила еще один энергоблок, БН-800 , на Белоярской АЭС, который вступил в полную эксплуатацию в ноябре 2016 года. Кроме того, был заказан японский реактор-размножитель Мондзю , который большую часть времени не работал с момента его постройки в 1986 году. для вывода из эксплуатации в 2016 году, после того как будут обнаружены угрозы безопасности и конструкции, с датой завершения, установленной на 2047 год. И Китай, и Индия объявили о планах строительства ядерных реакторов-размножителей. [ нужна цитата ]
Реактор-размножитель, как следует из его названия, создает даже большие количества 239 Pu или 233 U, чем ядерный реактор деления. [ нужна цитата ]
Чистый и экологически безопасный усовершенствованный реактор (CAESAR), концепция ядерного реактора, в котором в качестве замедлителя для контроля запаздывающих нейтронов будет использоваться пар , потенциально сможет использовать 238 U в качестве топлива после запуска реактора с низкообогащенным ураном (НОУ). топливо. Этот дизайн все еще находится на ранней стадии разработки. [ нужна цитата ]
Природный уран, 0,7%235
ты
, можно использовать в качестве ядерного топлива в реакторах, разработанных специально для использования природного урана, таких как реакторы CANDU . Используя необогащенный уран, такие конструкции реакторов дают стране доступ к ядерной энергетике с целью производства электроэнергии без необходимости развития возможностей по обогащению топлива, которые часто рассматриваются как прелюдия к производству оружия .
Уран -238 также используется в качестве радиационной защиты – его альфа-излучение легко останавливается нерадиоактивным корпусом защиты, а большой атомный вес урана и большое количество электронов очень эффективно поглощают гамма- и рентгеновские лучи . Она не так эффективна, как обычная вода, для остановки быстрых нейтронов . И металлический обедненный уран , и обедненный диоксид урана используются для радиационной защиты. Уран примерно в пять раз лучше защищает от гамма-излучения, чем свинец , поэтому экран с такой же эффективностью можно упаковать в более тонкий слой. [ нужна цитата ]
DUCRETE , бетон, изготовленный из заполнителя диоксида урана вместо гравия, исследуется в качестве материала для систем хранения сухих контейнеров для хранения радиоактивных отходов . [ нужна цитата ]
Противоположностью обогащения является разбавление . Избыточный высокообогащенный уран можно разбавить обедненным или природным ураном, чтобы превратить его в низкообогащенный уран, пригодный для использования в коммерческом ядерном топливе.
238 U из обедненного и природного урана также используется вместе с переработанным 239 Pu из запасов ядерного оружия для производства смешанного оксидного топлива (МОКС), которое в настоящее время перенаправляется в топливо для ядерных реакторов. Это разбавление, также называемое разбавлением, означает, что любой стране или группе, приобретшей готовое топливо, придется повторить очень дорогой и сложный процесс химического разделения урана и плутония перед сборкой оружия. [ нужна цитата ]
В большинстве современных ядерных вооружений в качестве материала для «взлома» используется 238 U (см. «Конструкция ядерного оружия »). Тампер, окружающий делящуюся активную зону, отражает нейтроны и увеличивает инерцию сжатия заряда 239 Pu. Таким образом, это повышает эффективность оружия и снижает требуемую критическую массу . В случае термоядерного оружия 238 U можно использовать для оболочки термоядерного топлива. Высокий поток очень энергичных нейтронов в результате реакции синтеза вызывает расщепление ядер 238 U и добавляет больше энергии к «выходу» оружия. Такое оружие называется оружием деления-синтеза-деления в соответствии с порядком, в котором происходит каждая реакция. Примером такого оружия является Замок Браво .
Большая часть общей взрывной мощности в этой конструкции приходится на последнюю стадию деления, работающую на 238 U, производящую огромное количество радиоактивных продуктов деления . Например, примерно 77% мощности термоядерного испытания Айви Майка мощностью 10,4 мегатонны в 1952 году было получено в результате быстрого деления тампера из обедненного урана . Поскольку обедненный уран не имеет критической массы, его можно добавлять в термоядерные бомбы практически в неограниченном количестве. Испытание Царь-бомбы , проведенное Советским Союзом в 1961 году, дало «всего» 50 мегатонн взрывной мощности, более 90% которой было получено в результате термоядерного синтеза, поскольку последняя ступень из 238 U была заменена свинцом. Если бы вместо этого использовался уран -238 , мощность «Царь-бомбы» могла бы значительно превысить 100 мегатонн, и она произвела бы ядерные осадки , эквивалентные одной трети общемирового количества, произведенного к тому времени.
Цепочку распада 238 U принято называть « рядом радия » (иногда «рядом урана»). Начиная с встречающегося в природе урана-238, в этот ряд входят 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 так:
Среднее время жизни 238 U составляет 1,41 × 1017 секунд разделить на ln(2) ≈ 0,693 (или умножить на 1/ln(2) ≈ 1,443), т.е. ок. 2 × 1017 секунд , то есть 1 моль 238U излучает 3 × 106 альфа-частиц в секунду, производящих такое же количество атомов тория-234 . В закрытой системе будет достигнуто равновесие, при котором все количества, за исключением свинца-206 и 238 U, будут находиться в фиксированных соотношениях и в медленно уменьшающихся количествах. Соответственно увеличитсяколичество 206 Pb, а количество 238 U уменьшится; все шаги в цепочке распада имеют одинаковую скорость 3 × 106 распавшихся частиц в секунду на моль 238 U.
Среднее время жизни тория-234 составляет 3 × 10.6 секунд, то есть равновесие, если в одном моле 238 U содержится 9 × 1012 атомов тория-234, что составляет 1,5 × 10−11 моль (отношение двух периодов полураспада). Аналогично, в равновесии в закрытой системе количество каждого продукта распада, за исключением конечного продукта свинца, пропорционально его периоду полураспада.
Хотя 238 U минимально радиоактивен, продукты его распада, торий-234 и протактиний-234, являются излучателями бета-частиц с периодом полураспада около 20 дней и одной минуты соответственно. Протактиний-234 распадается на уран-234, период полураспада которого составляет сотни тысячелетий, и этот изотоп очень долго не достигает равновесной концентрации. Когда два первых изотопа в цепочке распада достигают 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 будет представлять собой бета-частицы.
Как уже упоминалось выше, если начать с чистого 238 U, в пределах человеческого времени равновесие применимо только для первых трех этапов цепочки распада. Таким образом, на один моль 238 U приходится 3 × 10Шесть раз в секунду образуются одна альфа-частица, две бета-частицы и гамма-лучи, вместе 6,7 МэВ, мощность 3 мкВт. [10] [11]
Атом 238 U сам по себе является гамма-излучателем с энергией 49,55 кэВ с вероятностью 0,084%, но это очень слабая гамма-линия, поэтому активность измеряется через его дочерние нуклиды в серии распада. [12] [13]
Содержание 238 U и его распад на дочерние изотопы включают в себя множество методов датирования урана и являются одним из наиболее распространенных радиоактивных изотопов, используемых при радиометрическом датировании . Самый распространенный метод датирования — это датирование с помощью урана и свинца , которое используется для датировки пород старше 1 миллиона лет и позволяет определить возраст самых старых пород на Земле — 4,4 миллиарда лет. [14]
Соотношение между 238 U и 234 U указывает на возраст отложений и морской воды, возраст которых составляет от 100 000 до 1 200 000 лет. [15]
Дочерний продукт 238 U, 206 Pb, является неотъемлемой частью метода датирования свинец-свинец , который наиболее известен благодаря определению возраста Земли . [16]
Космический корабль программы «Вояджер» несет на обложках своих золотых пластинок небольшие количества изначально чистого 238 U , чтобы таким же образом облегчить датировку. [17]
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, например, рак костей или печени.
Уран также является токсичным химическим веществом, а это означает, что употребление урана в организм из-за его химических свойств может вызвать повреждение почек гораздо раньше, чем его радиоактивные свойства вызовут рак костей или печени. [18] [19]