Уран-238

Изотоп урана

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]

Применение ядерной энергии

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} .

Реакторы-размножители

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 ]}

Реакторы КАНДУ

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 .}

Радиационная защита

^{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 ]}

Смешивание

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 ]}

Ядерное оружие

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.

Радиевая серия (или урановая серия)

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:

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

Среднее время жизни ²³⁸ U составляет 1,41 × 10¹⁷ секунд разделить на ln(2)  ≈ 0,693 (или умножить на 1/ln(2) ≈ 1,443), т.е. ок. 2 × 10^{17 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 × 10^Шесть 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]}

Радиоактивные знакомства

^{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]

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, 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]}

Смотрите также

• Обедненный уран
• Датирование урана и свинца

Рекомендации

1. Макклейн, Делавэр; Миллер, AC; Калинич, Дж. Ф. (20 декабря 2007 г.). «Состояние проблем со здоровьем по поводу военного использования обедненного урана и суррогатных металлов в бронебойных боеприпасах» (PDF) . НАТО . Архивировано из оригинала (PDF) 19 апреля 2011 года . Проверено 14 ноября 2010 г.
2. Аревало, Рикардо; Макдонаф, Уильям Ф.; Луонг, Марио (2009). «Отношение KU силикатной Земли: понимание состава, структуры и термической эволюции мантии». Письма о Земле и планетологии . 278 (3–4): 361–369. Бибкод : 2009E&PSL.278..361A. дои : 10.1016/j.epsl.2008.12.023.
3. Араки, Т.; Эномото, С.; Фуруно, К.; Гандо, Ю.; Ичимура, К.; Икеда, Х.; Иноуэ, К.; Кисимото, Ю.; Кога, М. (2005). «Экспериментальное исследование геологически образовавшихся антинейтрино с помощью KamLAND». Природа . 436 (7050): 499–503. Бибкод : 2005Natur.436..499A. дои : 10.1038/nature03980. PMID  16049478. S2CID  4367737.
4. Ядерная Франция: Материалы и сайты. «Уран от переработки». Архивировано из оригинала 19 октября 2007 года . Проверено 27 марта 2013 г.
5. «Плутоний - Всемирная ядерная ассоциация».
6. «Физика урана и ядерной энергии». Всемирная ядерная ассоциация . Проверено 17 ноября 2017 г.
7. Факты от Коэна, заархивированные 10 апреля 2007 г. в Wayback Machine . Formal.stanford.edu (26 января 2007 г.). Проверено 24 октября 2010 г.
8. Усовершенствованные ядерные энергетические реакторы | Ядерные реакторы поколения III+. Архивировано 15 июня 2010 года в Wayback Machine . World-nuclear.org. Проверено 24 октября 2010 г.
9. Тённессен, М. (2016). Открытие изотопов: полный сборник . Спрингер. п. 19. дои : 10.1007/978-3-319-31763-2. ISBN 978-3-319-31761-8. LCCN  2016935977.
10. Энгаузер, Майкл (1 апреля 2018 г.). Учебный курс по гамма-спектроскопии урана, редакция 00 (Отчет). ОСТИ  1525592.
11. «5.3: Типы радиации». Химия LibreTexts . 26 июля 2017 г. Проверено 16 мая 2023 г.
12. Хай, Северная Каролина; Луен, ТВ (1 декабря 2004 г.). «Метод определения активности 238U в пробах почвы окружающей среды с помощью HPGe-спектрометра с фотопиком-гамма-энергией 63,3 кэВ». Прикладное излучение и изотопы . 61 (6): 1419–1424. doi :10.1016/j.apradiso.2004.04.016. ISSN  0969-8043.
13. Кларк, ДеЛинн (декабрь 1996 г.). «U235: Код анализа гамма-лучей для определения изотопов урана» (PDF) . Проверено 21 мая 2023 г.
14. Вэлли, Джон В.; Рейнхард, Дэвид А.; Кавоси, Аарон Дж.; Усикубо, Такаюки; Лоуренс, Дэниел Ф.; Ларсон, Дэвид Дж.; Келли, Томас Ф.; Снойенбос, Дэвид Р.; Стрикленд, Ариэль (1 июля 2015 г.). «Нано- и микрогеохронология в гадейских и архейских цирконах методами атомно-зондовой томографии и SIMS: новые инструменты для старых минералов» (PDF) . Американский минералог . 100 (7): 1355–1377. Бибкод : 2015AmМин.100.1355В. дои : 10.2138/am-2015-5134 . ISSN  0003-004X.
15. Хендерсон, Гидеон М (2002). «Морская вода (234U/238U) за последние 800 тысяч лет». Письма о Земле и планетологии . 199 (1–2): 97–110. Бибкод : 2002E&PSL.199...97H. дои : 10.1016/S0012-821X(02)00556-3.
16. Паттерсон, Клэр (1 октября 1956 г.). «Эпоха метеоритов и Земли». Geochimica et Cosmochimica Acta . 10 (4): 230–237. Бибкод : 1956GeCoA..10..230P. дои : 10.1016/0016-7037(56)90036-9.
17. "Вояджер - Создание золотой пластинки" . voyager.jpl.nasa.gov . Проверено 28 марта 2020 г.
18. Radioisotope Brief CDC (по состоянию на 8 ноября 2021 г.)
19. Добыча урана в Вирджинии: научные, технические, экологические, здоровье и безопасность человека, а также нормативные аспекты добычи и переработки урана в Вирджинии, гл. 5. Потенциальные последствия добычи, переработки и утилизации урана для здоровья человека . Национальная академия прессы (США); 19 декабря 2011 г.

Внешние ссылки

• Банк данных по опасным веществам NLM – уран, радиоактивный