stringtranslate.com

Изотопы урана

Уран ( 92 U) — это встречающийся в природе радиоактивный элемент (радиоэлемент), не имеющий стабильных изотопов . Он имеет два первичных изотопа , уран-238 и уран-235 , которые имеют длительный период полураспада и встречаются в значительном количестве в земной коре . Также обнаружен продукт распада уран-234 . Другие изотопы, такие как уран-233, были получены в реакторах-размножителях . В дополнение к изотопам, встречающимся в природе или ядерных реакторах, было получено много изотопов с гораздо более коротким периодом полураспада, в диапазоне от 214 U до 242 U (за исключением 220 U). Стандартный атомный вес природного урана составляет238.028 91 (3) .

Природный уран состоит из трех основных изотопов : 238 U (99,2739–99,2752% естественной распространенности ), 235 U (0,7198–0,7202%) и 234 U (0,0050–0,0059%). [5] Все три изотопа радиоактивны (т. е. являются радиоизотопами ), а наиболее распространенным и стабильным является уран-238 с периодом полураспада4,4683 × 10 9  лет (примерно возраст Земли ).

Уран-238 является альфа-излучателем , распадающимся через 18-членный ряд урана в свинец-206 . Ряд распада урана-235 (исторически называемый актино-ураном) имеет 15 членов и заканчивается свинцом-207. Постоянные скорости распада в этих рядах делают сравнение соотношений родительских и дочерних элементов полезным при радиометрическом датировании . Уран-233 производится из тория-232 путем нейтронной бомбардировки.

Уран-235 важен как для ядерных реакторов (производство энергии), так и для ядерного оружия, поскольку это единственный изотоп, существующий в природе в сколько-нибудь заметной степени, который делится в ответ на тепловые нейтроны , т. е. захват тепловых нейтронов имеет высокую вероятность вызвать деление. Цепная реакция может поддерживаться при достаточно большой ( критической ) массе урана-235. Уран-238 также важен, поскольку он фертильный : он поглощает нейтроны, производя радиоактивный изотоп, который распадается на плутоний-239 , который также делится.

Список изотопов


  1. ^ m U – 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. ^ Жирный символ как дочерний – Дочерний продукт стабилен.
  7. ^ ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.
  8. ^ ab # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).
  9. ^ Промежуточный продукт распада 237 Np
  10. ^ Используется при датировании урана и тория.
  11. ^ ab Используется при датировании урана–урана
  12. ^ Промежуточный продукт распада 238 U
  13. ^ ab Первичный радионуклид
  14. ^ ab Используется в уран-свинцовом датировании
  15. ^ Важно в ядерных реакторах.
  16. ^ Промежуточный продукт распада 244 Pu , также получаемый при захвате нейтронов 235 U
  17. ^ Продукт захвата нейтронов, источник следовых количеств 237 Np
  18. ^ Продукт захвата нейтронов; источник следовых количеств 239 Pu
  19. ^ Промежуточный продукт распада 244 Pu

Актиниды против продуктов деления

Уран-214

Уран-214 — самый легкий из известных изотопов урана. Он был обнаружен в 2021 году на спектрометре для тяжелых атомов и ядерной структуры (SHANS) в исследовательском центре тяжелых ионов в Ланьчжоу , Китай , и получен путем сжигания аргона-36 в вольфраме-182. Он подвергается альфа-распаду с периодом полураспада0,5 мс . [21] [22] [23] [24]

Уран-232

Уран-232 имеет период полураспада 68,9 лет и является побочным продуктом в ториевом цикле . Он был упомянут как препятствие для ядерного распространения с использованием 233 U, поскольку интенсивное гамма-излучение от 208 Tl (дочернего элемента 232 U, производимого относительно быстро) делает загрязненный им 233 U более сложным в обращении. Уран-232 является редким примером четно-четного изотопа , который делится как тепловыми, так и быстрыми нейтронами. [25] [26]

Уран-233

Уран-233 — это делящийся изотоп, который производится из тория-232 в рамках ториевого топливного цикла. 233 U исследовался для использования в ядерном оружии и в качестве реакторного топлива. Он время от времени испытывался, но никогда не применялся в ядерном оружии и не использовался в коммерческих целях в качестве ядерного топлива. [27] Он успешно использовался в экспериментальных ядерных реакторах и был предложен для гораздо более широкого использования в качестве ядерного топлива. Его период полураспада составляет около 160 000 лет.

Уран-233 получается путем нейтронного облучения тория-232. Когда торий-232 поглощает нейтрон , он становится торием-233 , период полураспада которого составляет всего 22 минуты. Бета-распад тория-233 приводит к образованию протактиния-233 . Период полураспада протактиния-233 составляет 27 дней, а бета-распад приводит к образованию урана-233; некоторые предлагаемые конструкции реакторов на расплавленной соли пытаются физически изолировать протактиний от дальнейшего захвата нейтронов до того, как произойдет бета-распад.

Уран-233 обычно делится при поглощении нейтронов, но иногда сохраняет нейтрон, превращаясь в уран-234 . Отношение захвата к делению меньше, чем у двух других основных видов делящегося топлива, урана-235 и плутония-239 ; оно также ниже, чем у короткоживущего плутония-241 , но уступает очень трудно производимому нептунию-236 .

Уран-234

234 U встречается в природном уране как косвенный продукт распада урана-238, но составляет всего 55 частей на миллион урана, поскольку его период полураспада 245 500 лет составляет всего лишь около 1/18 000 периода полураспада 238 U. Путь образования 234 U следующий: 238 U альфа распадается до тория-234 . Затем, с коротким периодом полураспада , 234 Th бета распадается до протактиния-234 . Наконец, 234 Pa бета распадается до 234 U. [28] [29]

234U альфа распадается на торий-230 , за исключением небольшого процента ядер, которые подвергаются спонтанному делению .

Извлечение небольших количеств 234 U из природного урана может быть осуществлено с помощью разделения изотопов , аналогично обычному обогащению урана. Однако в химии , физике или технике нет реальной потребности в выделении 234 U. Очень маленькие чистые образцы 234 U могут быть извлечены с помощью процесса химического ионного обмена из образцов плутония-238 , которые несколько состарились, чтобы допустить некоторый альфа-распад до 234 U.

Обогащенный уран содержит больше 234 U, чем природный уран, как побочный продукт процесса обогащения урана, направленного на получение урана-235 , который концентрирует более легкие изотопы даже сильнее, чем 235 U. Повышенный процент 234 U в обогащенном природном уране приемлем в современных ядерных реакторах, но (повторно обогащенный) переработанный уран может содержать даже более высокие фракции 234 U, что нежелательно. [30] Это связано с тем, что 234 U не является делящимся и имеет тенденцию поглощать медленные нейтроны в ядерном реакторе , превращаясь в 235 U. [29] [30]

234 U имеет сечение захвата нейтронов около 100 барн для тепловых нейтронов и около 700 барн для своего резонансного интеграла — среднего по нейтронам с различными промежуточными энергиями. В ядерном реакторе неделящиеся изотопы захватывают нейтрон, воспроизводя делящиеся изотопы. 234 U преобразуется в 235 U легче и, следовательно, с большей скоростью, чем уран-238 в плутоний-239 (через нептуний-239 ), поскольку 238 U имеет гораздо меньшее сечение захвата нейтронов , всего 2,7 барн.

Уран-235

Уран-235 составляет около 0,72% природного урана. В отличие от преобладающего изотопа урана-238 , он делится , т. е. может поддерживать цепную реакцию деления . Это единственный делящийся изотоп , который является первичным нуклидом или встречается в природе в значительных количествах.

Уран-235 имеет период полураспада 703,8 миллионов лет . Он был открыт в 1935 году Артуром Джеффри Демпстером . Его (делительное) ядерное сечение для медленных тепловых нейтронов составляет около 504,81 барн . Для быстрых нейтронов оно составляет порядка 1 барн. На уровнях тепловой энергии около 5 из 6 поглощений нейтронов приводят к делению, а 1 из 6 — к захвату нейтронов с образованием урана-236 . [31] Соотношение деления и захвата улучшается для более быстрых нейтронов.

Уран-236

Уран-236 имеет период полураспада около 23 миллионов лет; и не делится тепловыми нейтронами, и не является очень хорошим воспроизводящим материалом, но обычно считается неприятным и долгоживущим радиоактивным отходом . Он содержится в отработанном ядерном топливе и в переработанном уране, полученном из отработанного ядерного топлива.

Уран-237

Уран-237 имеет период полураспада около 6,75 дней. Он распадается на нептуний-237 путем бета-распада . Он был открыт японским физиком Ёсио Нишиной в 1940 году, который в почти случайном открытии предположил создание элемента 93, но не смог выделить тогда неизвестный элемент или измерить свойства его распада. [32]

Уран-238

Уран-238 ( 238 U или U-238) — наиболее распространённый изотоп урана в природе. Он не делится , но является фертильным : он может захватывать медленный нейтрон и после двух бета -распадов становиться делящимся плутонием-239 . Уран-238 делится быстрыми нейтронами, но 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 существенным механизмом отрицательной обратной связи для управления реактором.

Около 99,284% природного урана составляет уран-238, период полураспада которого составляет 1,41×10 17 секунд (4,468×10 9 лет). Обедненный уран имеет еще более высокую концентрацию 238 U, и даже низкообогащенный уран (НОУ) по-прежнему 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 .

Уран-239

Уран-239 обычно получают путем воздействия нейтронного излучения на 238 U в ядерном реакторе. Период полураспада 239 U составляет около 23,45 минут, а бета-распад приводит к образованию нептуния-239 с общей энергией распада около 1,29 МэВ. [33] Наиболее распространенный гамма-распад при 74,660 кэВ объясняет разницу в двух основных каналах энергии бета-излучения при 1,28 и 1,21 МэВ. [34]

Затем 239 Np с периодом полураспада около 2,356 суток бета-распадается до плутония-239 .

Уран-241

В 2023 году в статье, опубликованной в Physical Review Letters , группа исследователей из Кореи сообщила, что они обнаружили уран-241 в эксперименте, включающем многонуклонные реакции передачи 238 U+ 198 Pt. [35] [36] Его период полураспада составляет около 40 минут. [35]

Ссылки

  1. ^ abcde 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. ^ Магурно, бакалавр; Перлштейн, С., ред. (1981). Материалы конференции по методам и процедурам оценки ядерных данных. БНЛ-NCS 51363, вып. II (PDF) . Аптон, Нью-Йорк (США): Брукхейвенская национальная лаборатория. стр. 835 и далее . Проверено 6 августа 2014 г.
  3. ^ "Стандартные атомные веса: уран". CIAAW . 1999.
  4. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
  5. ^ "Изотопы урана". GlobalSecurity.org . Получено 14 марта 2012 г. .
  6. ^ Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки*». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
  7. ^ Чжан, ZY; Ян, Х.Б.; Хуанг, Миннесота; Ган, З.Г.; Юань, CX; Ци, К.; Андреев А.Н.; Лю, МЛ; Ма, Л.; Чжан, ММ; Тиан, ЮЛ; Ван, Ю.С.; Ван, Дж. Г.; Ян, CL; Ли, Г.С.; Цян, Ю. Х.; Ян, WQ; Чен, РФ; Чжан, HB; Лу, ЗВ; Сюй, ХХ; Дуань, LM; Ян, HR; Хуанг, Западная Европа; Лю, З.; Чжоу, XH; Чжан, Ю.Х.; Сюй, ХС; Ван, Н.; Чжоу, Х.Б.; Вэнь, XJ; Хуанг, С.; Хуа, В.; Чжу, Л.; Ван, X.; Мао, ЮК; Он, XT; Ван, С.Ю.; Сюй, WZ; Ли, Х.В.; Рен, ЗЗ; Чжоу, СГ (2021). «Новый α-излучающий изотоп U 214 и аномальное усиление кластеризации α-частиц в самых легких изотопах урана». Physical Review Letters . 126 (15): 152502. arXiv : 2101.06023 . Bibcode : 2021PhRvL.126o2502Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.126.152502. PMID  33929212. S2CID  231627674.
  8. ^ Аб Чжан, ММ; Тиан, ЮЛ; Ван, Ю.С.; Чжан, ЗЯ; Ган, З.Г.; Ян, Х.Б.; Хуанг, Миннесота; Ма, Л.; Ян, CL; Ван, Дж. Г.; Юань, CX; Ци, К.; Андреев А.Н.; Хуанг, XY; Сюй, С.Ю.; Чжао, З.; Чен, LX; Ван, JY; Лю, МЛ; Цян, Ю. Х.; Ли, Г.С.; Ян, WQ; Чен, РФ; Чжан, HB; Лу, ЗВ; Сюй, ХХ; Дуань, LM; Ян, HR; Хуанг, Западная Европа; Лю, З.; Чжоу, XH; Чжан, Ю.Х.; Сюй, ХС; Ван, Н.; Чжоу, Х.Б.; Вэнь, XJ; Хуанг, С.; Хуа, В.; Чжу, Л.; Ван, X.; Mao, YC; He, XT; Wang, SY; Xu, WZ; Li, HW; Niu, YF; Guo, L.; Ren, ZZ; Zhou, SG (4 августа 2022 г.). «Тонкая структура в α-распаде изомер 8+ в 216, 218 U". Physical Review C. 106 ( 2): 024305. doi :10.1103/PhysRevC.106.024305. ISSN  2469-9985. S2CID  251359451.
  9. ^ Ган, ЗайГо; Цзян, Цзян; Ян, ХуаБин; Чжан, ЧжиЮань; Ма, Лонг; Ю, Лин; Ван, Цзяньго; Тиан, ЮЛин; Дин, Бинг; Хуан, ТяньХэн; Ван, ЮнШэн; Го, Сун; Сунь, МинДао; Ван, КайЛонг; Чжоу, Шаньгуй; Рен, Чжунчжоу; Чжоу, СяоХун; Сюй, Хушань (1 августа 2016 г.). «Исследование α-распада нейтронодефицитных изотопов урана 215-217U». Китайский научный бюллетень . 61 (22): 2502–2511. дои : 10.1360/N972015-01316 . Проверено 24 июня 2023 г.
  10. ^ Тренн, Таддеус Дж. (1978). «Торуран (U-236) как вымерший естественный родитель тория: преждевременная фальсификация по сути правильной теории». Annals of Science . 35 (6): 581–97. doi :10.1080/00033797800200441.
  11. ^ ab Bonetti, R.; Guglielmetti, A. (2007). "Кластерная радиоактивность: обзор спустя двадцать лет" (PDF) . Romanian Reports in Physics . 59 : 301–310. Архивировано из оригинала (PDF) 19 сентября 2016 г.
  12. ^ Кромер, Катрин; Лю, Чунхай; Биерон, Яцек; Дор, Менно; Энцманн, Люсия; Филянин, Павел; Гайгалас, Гедиминас; Харман, Золтан; Херкенхофф, Йост; Хуан, Вэньцзя; Кейтель, Кристоф Х.; Елисеев, Сергей; Блаум, Клаус (2024-02-06). "Определение атомной массы урана-238". Physical Review C. 109 ( 2). Американское физическое общество (APS). arXiv : 2312.17041 . doi : 10.1103/physrevc.109.l021301. ISSN  2469-9985.
  13. ^ 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.
  14. ^ Мукунт, Васудеван (2023-04-05). «В погоне за „магическим числом“ физики открывают новый изотоп урана». The Hindu . ISSN  0971-751X . Получено 2023-04-12 .
  15. ^ Йирка, Боб (5 апреля 2023 г.). «Обнаружен ранее неизвестный изотоп урана». Phys.org . Получено 12 апреля 2023 г.
  16. ^ 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.
  17. ^ В частности, из деления урана-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
  18. ^ 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]».
  19. ^ Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до « моря нестабильности ».
  20. ^ 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.
  21. ^ "Физики открыли новый изотоп урана: уран-214". Sci-News.com. 14 мая 2021 г. Получено 15 мая 2021 г.
  22. ^ Чжан, ZY; и др. (2021). "Новый α-излучающий изотоп 214 U и аномальное усиление кластеризации α-частиц в самых легких изотопах урана". Physical Review Letters . 126 (15): 152502. arXiv : 2101.06023 . Bibcode : 2021PhRvL.126o2502Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.126.152502. PMID  33929212. S2CID  231627674. Получено 15 мая 2021 г.
  23. ^ "Создана самая легкая известная форма урана". Live Science. 3 мая 2021 г. Получено 15 мая 2021 г.
  24. ^ "Физики создали новый и чрезвычайно редкий вид урана". New Scientist . Получено 15 мая 2021 г.
  25. ^ "Уран 232". Ядерная энергетика. Архивировано из оригинала 26 февраля 2019 года . Получено 3 июня 2019 года .
  26. ^ "ДАННЫЕ О НЕЙТРОННОМ ИНЦИДЕНТЕ". atom.kaeri.re.kr . 2011-12-14.
  27. ^ CW Forsburg; LC Lewis (1999-09-24). «Использование урана-233: что следует сохранить для будущих нужд?» (PDF) . Ornl-6952 . Национальная лаборатория Оук-Ридж.
  28. ^ Audi, G.; Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S. (2017). "Оценка ядерных свойств с помощью NUBASE2016" (PDF) . Chinese Physics C. 41 ( 3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A. doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  29. ^ ab Ronen, Y., ред. (1990). Реакторы с высокой конверсией воды . CRC Press. стр. 212. ISBN 0-8493-6081-1. LCCN  89-25332.
  30. ^ ab Использование переработанного урана (PDF) . Технический документ . Вена: Международное агентство по атомной энергии . 2009. ISBN 978-92-0-157109-0. ISSN  1684-2073.
  31. ^ BC Diven; J. Terrell; A. Hemmendinger (1 января 1958 г.). «Capture-to-Fission Ratios for Fast Neutrons in U235». Physical Review Letters . 109 (1): 144–150. Bibcode : 1958PhRv..109..144D. doi : 10.1103/PhysRev.109.144.
  32. ^ Икеда, Нагао (25 июля 2011 г.). «Открытия урана 237 и симметричного деления — Из архивных документов Нишины и Кимуры». Труды Японской академии. Серия B, Физические и биологические науки . 87 (7): 371–376. doi :10.2183/pjab.87.371. PMC 3171289. PMID  21785255 . 
  33. ^ CRC Справочник по химии и физике , 57-е изд., стр. B-345
  34. ^ CRC Handbook of Chemistry and Physics , 57th Ed., стр. B-423
  35. ^ ab Yirka, Bob; Phys.org. "Обнаружен ранее неизвестный изотоп урана". phys.org . Получено 10.04.2023 .
  36. ^ Niwase, T.; Watanabe, YX; Hirayama, Y.; Mukai, M.; Schury, P.; Andreasev, AN; Hashimoto, T.; Iimura, S.; Ishiyama, H.; Ito, Y.; Jeong, SC; Kaji, D.; Kimura, S.; Miyatake, H.; Morimoto, K. (2023-03-31). "Открытие нового изотопа $^{241}\mathrm{U}$ и систематические высокоточные измерения атомной массы нейтронно-обогащенных ядер Pa-Pu, полученных в результате реакций передачи нескольких нуклонов". Physical Review Letters . 130 (13): 132502. doi :10.1103/PhysRevLett.130.132502. PMID  37067317. S2CID  257976576.