Уран ( 92 U) — природный радиоактивный элемент, не имеющий стабильного изотопа . Он имеет два первичных изотопа , уран-238 и уран-235 , которые имеют длительный период полураспада и обнаруживаются в заметных количествах в земной коре . Также обнаружен продукт распада уран -234 . Другие изотопы, такие как уран-233, производятся в реакторах-размножителях . Помимо изотопов, встречающихся в природе или ядерных реакторах, было получено множество изотопов с гораздо более коротким периодом полураспада: от 214 U до 242 U (за исключением 220 U). Стандартный атомный вес природного урана равен238.028 91 (3) .
Природный уран состоит из трех основных изотопов : урана-238 (99,2739–99,2752% естественного содержания ), урана-235 (0,7198–0,7202%) и урана-234 (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 (близко к возрасту Земли ).
Уран-238 — альфа-излучатель , распадающийся по 18-членному ряду урана на свинец-206 . Ряд распада урана-235 (исторически называемого актиноураном) состоит из 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 получают 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 расщепляется в ответ на тепловые нейтроны , то есть захват тепловых нейтронов имеет высокую вероятность вызвать деление. . Цепную реакцию можно поддерживать при достаточно большой ( критической ) массе урана-235. Уран-238 важен еще и потому, что он плодороден : он поглощает нейтроны с образованием радиоактивного изотопа, который впоследствии распадается на изотоп плутоний-239 , который также является делящимся.
Уран-214 — самый легкий из известных изотопов урана. Он был обнаружен в Спектрометре тяжелых атомов и ядерной структуры (SHANS) в Исследовательском центре тяжелых ионов в Ланьчжоу , Китай , в 2021 году и получен путем сжигания аргона-36 в вольфраме-182. Претерпевает альфа-распад с периодом полураспада0,5 мс . [21] [22] [23] [24]
Уран-232 имеет период полураспада 68,9 лет и является побочным продуктом ториевого цикла . Его называют препятствием для распространения ядерного оружия с использованием 233 U в качестве делящегося материала, поскольку интенсивное гамма-излучение, испускаемое 208 Tl (дочерним элементом 232 U, производимым относительно быстро), затрудняет обращение с загрязненным им 233 U. Уран-232 — редкий пример четно-четного изотопа , который делится как тепловыми, так и быстрыми нейтронами. [25] [26]
Уран-233 — это делящийся изотоп урана, который получается из тория-232 в рамках ториевого топливного цикла. Уран-233 исследовался на предмет использования в ядерном оружии и в качестве реакторного топлива. Время от времени его испытывали, но он никогда не использовался 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 получают нейтронным облучением тория-232. Когда торий-232 поглощает нейтрон , он становится торием-233 , период полураспада которого составляет всего 22 минуты. Торий-233 распадается на протактиний-233 посредством бета-распада . Протактиний-233 имеет период полураспада 27 дней и бета-распад с образованием урана-233; Некоторые предлагаемые конструкции реакторов на расплавах солей пытаются физически изолировать протактиний от дальнейшего захвата нейтронов до того, как может произойти бета-распад.
Уран-233 обычно делится при поглощении нейтронов, но иногда сохраняет нейтроны, превращаясь в уран-234 . Отношение захвата к делению меньше, чем у двух других основных делящихся видов топлива, урана-235 и плутония-239 ; он также ниже, чем у короткоживущего плутония-241 , но превосходит очень труднопроизводимый нептуний-236 .
Уран-234 — изотоп урана. В природном уране и урановой руде 234 U встречается как косвенный продукт распада урана-238, но он составляет лишь 0,0055% (55 частей на миллион ) сырого урана , поскольку период его полураспада, составляющий всего 245 500 лет, составляет всего около 1/18 000 длиннее , чем у 238 U. Путь образования 234 U посредством ядерного распада следующий: ядра 238 U испускают альфа-частицу и превращаются в торий-234 . Затем, с коротким периодом полураспада , ядро 234 Th испускает бета-частицу , превращаясь в протактиний-234 . Наконец, каждое из ядер 234 Па испускает еще одну бета-частицу, превращаясь в ядра 234 U. [28] [29]
Ядра 234 U обычно сохраняются в течение сотен тысяч лет, но затем они распадаются путем альфа-излучения до тория-230 , за исключением небольшого процента ядер, которые подвергаются спонтанному делению .
Извлечение довольно небольших количеств 234 U из природного урана можно было бы осуществить с помощью разделения изотопов , аналогичного тому, которое используется для обычного обогащения урана. Однако в химии , физике и технике нет реальной потребности в выделении 234 U. Очень маленькие чистые образцы 234 U можно извлечь с помощью процесса химического ионного обмена — из образцов плутония-238 , которые были несколько состарены, чтобы позволить некоторый распад до 234 U посредством альфа-излучения .
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. Повышенное процентное содержание 234 U в обогащенном природном уране допустимо в нынешние ядерные реакторы, но (переобогащенный) переработанный уран может содержать еще более высокие доли 234 U, что нежелательно. [30] Это потому, что 234 U не делится и имеет тенденцию поглощать медленные нейтроны в ядерном реакторе , превращаясь в 235 U. [29] [30]
234 U имеет сечение захвата нейтронов около 100 барнов для тепловых нейтронов и около 700 барнов для его резонансного интеграла — среднего значения для нейтронов, имеющих различные промежуточные энергии. В ядерном реакторе неделящиеся изотопы захватывают нейтроны, образуя делящиеся изотопы. 234 U превращается в 235 U легче и, следовательно, с большей скоростью, чем уран-238 в плутоний-239 (через нептуний-239 ), поскольку сечение захвата нейтронов 238 U гораздо меньше , всего 2,7 барна.
Уран-235 — изотоп урана, составляющий около 0,72% природного урана. В отличие от преобладающего изотопа урана-238 , он делится , то есть может поддерживать цепную реакцию деления . Это единственный делящийся изотоп , который является первичным нуклидом или встречается в значительном количестве в природе.
Уран-235 имеет период полураспада 703,8 миллиона лет . Он был открыт в 1935 году Артуром Джеффри Демпстером . Его ядерное сечение (деления) для медленных тепловых нейтронов составляет около 504,81 барн . Для быстрых нейтронов он составляет порядка 1 барна. 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] Отношение деления к захвату улучшается для более быстрых нейтронов.
Уран-236 — это изотоп урана с периодом полураспада около 23 миллионов лет, который не делится тепловыми нейтронами и не является очень хорошим воспроизводящим материалом, но обычно считается нежелательным и долгоживущим радиоактивным отходом . Он содержится в отработавшем ядерном топливе и в переработанном уране, полученном из отработавшего ядерного топлива.
Уран-237 — изотоп урана . Период полураспада составляет около 6,75(1) дней. Он распадается на нептуний-237 путем бета-распада . Он был открыт японским физиком Ёсио Нисиной в 1940 году, который в результате почти неудачного открытия сделал вывод о создании элемента 93, но не смог изолировать неизвестный тогда элемент или измерить свойства его распада. [32]
Уран-238 ( 238 U или U-238) — наиболее распространенный изотоп урана , встречающийся в природе. Он не делящийся , но является воспроизводящим материалом : он может захватить медленный нейтрон и после двух бета-распадов превратиться в делящийся плутоний-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 при повышении температуры топлива, также является важным 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, или 4,468 миллиарда 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 .
Уран-239 — изотоп урана. Обычно его производят путем воздействия на 238 U нейтронного излучения в ядерном реакторе. 239 U имеет период полураспада около 23,45 минут и распадается на нептуний-239 посредством бета-распада с общей энергией распада около 1,29 МэВ. [33] Наиболее распространенный гамма-распад при энергии 74,660 кэВ объясняет разницу в двух основных каналах энергии бета-излучения: 1,28 и 1,21 МэВ. [34]
239 Np далее распадается на плутоний-239, также посредством бета-распада с периодом полураспада около 2,356 дней, на втором важном этапе, который в конечном итоге приводит к образованию делящегося 239 Pu (используемого в оружии и ядерной энергетике) из 238 U в реакторах.
Уран-241 — изотоп урана. В 2023 году в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters , группа исследователей из Кореи сообщила, что они обнаружили уран-241 в эксперименте, включающем реакции многонуклонного переноса 238 U+ 198 Pt. [35] [36] Его период полураспада составляет примерно 40 минут. [35]