Уран-238
 образец 10 грамм | |
| Общий | |
|---|---|
| Символ | 238 В |
| Имена | уран-238, уран-238, уран-238 |
| Протоны ( С ) | 92 |
| Нейтроны ( Н ) | 146 |
| Данные о нуклидах | |
| Природное изобилие | 99.2745% |
| Период полураспада ( т 1/2 ) | 4.468 × 10 9 годы |
| масса изотопа | 238.05078826 Да |
| Вращаться | 0 |
| Родительские изотопы | 242 Пу ( а ) 238 Па ( β − ) |
| Продукты распада | 234 че |
| Режимы затухания | |
| Режим затухания | Энергия распада ( МэВ ) |
| альфа-распад | 4.267 |
| Изотопы урана Полная таблица нуклидов | |
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, потому что неупругое рассеяние снижает энергию нейтронов ниже диапазона, в котором быстрое деление вероятно одного или нескольких ядер следующего поколения. Допплеровское расширение 238 U поглощения нейтронов Резонансы , увеличивающие поглощение при повышении температуры топлива, также являются 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 секунды (4,468 × 10 9 лет, или 4,468 миллиарда лет). [1] Из-за его естественного содержания и периода полураспада по сравнению с другими радиоактивными элементами , 238 U производит около 40% радиоактивного тепла, вырабатываемого на Земле. [2] 238 U Цепочка распада дает шесть электронных антинейтрино на каждый 238 Ядро U (по одному на каждый бета-распад ), что приводит к сильному обнаруживаемому сигналу геонейтрино, когда распады происходят внутри Земли. [3] Распад 238 U-дочерние изотопы широко используются при радиометрическом датировании , особенно для материалов возрастом более 1 миллиона лет.
Обедненный уран имеет еще более высокую концентрацию 238 Изотоп урана и даже низкообогащенный уран (НОУ), хотя и имеют более высокую долю изотопа урана-235 (по сравнению с обедненным ураном), по-прежнему в основном 238 U. Переработанный уран также в основном 238 U, содержащий примерно столько же урана-235, сколько и природный уран, сопоставимую долю урана-236 и гораздо меньшие количества других изотопов урана , таких как уран-234 , уран-233 и уран-232 . [4]
энергии Применение ядерной
В ядерном реакторе деления уран-238 может использоваться 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 происходит за счет деления 239 Pu, который не подается в качестве топлива в реактор, а производится из 238 В. [5] Определенный объем производства 239
Пу из 238
U неизбежен везде, где он подвергается воздействию нейтронного излучения . В зависимости от выгорания и температуры нейтронов различаются доли 239
Пу конвертируются в 240
Pu , который определяет «сорт» производимого плутония: от оружейного до реакторного и до плутония с таким высоким содержанием 240
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 значительные количества плутония. [ нужна цитата ] .
Реакторы-размножители [ править ]
238 Вы можете производить энергию посредством «быстрого» деления . В этом процессе нейтрон, имеющий кинетическую энергию более 1 МэВ, может вызвать образование ядра 238 Вы разделитесь. В зависимости от конструкции этот процесс может давать от одного до десяти процентов всех реакций деления в реакторе, но слишком мало из средних 2,5 нейтронов. [6] образующиеся 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 Ты в делящийся 239 Пу. Было подсчитано, что существует от 10 000 до 5 миллиардов лет жизни. 238 U для использования на этих электростанциях . [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. Позже 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 еще большие количества 239 Пу или 233 У, чем ядерный реактор деления. [ нужна цитата ]
Чистый и экологически безопасный усовершенствованный реактор (CAESAR), концепция ядерного реактора, в котором пар будет использоваться в качестве замедлителя для контроля запаздывающих нейтронов , потенциально сможет использовать 238 U в качестве топлива после запуска реактора на топливе из низкообогащенного урана (НОУ). Этот дизайн все еще находится на ранней стадии разработки. [ нужна цитата ]
Реакторы CANDU [ править ]
Природный уран, 0,711% 235
В
, можно использовать в качестве ядерного топлива в реакторах, разработанных специально для использования природного урана, таких как реакторы CANDU . За счет использования необогащенного урана такие конструкции реакторов дают стране доступ к ядерной энергии для производства электроэнергии без необходимости развития возможностей по обогащению топлива, которые часто рассматриваются как прелюдия к производству оружия. [ нужна цитата ] .
Радиационная защита [ править ]
238 U 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-лучей, 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 [ править ]
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 урана и природного урана также используется вместе с переработанным 239 Pu из запасов ядерного оружия для производства смешанного оксидного топлива (MOX), которое сейчас 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 [ править ]
 | Это раздел нуждается в дополнительных ссылок для проверки . ( декабрь 2022 г. ) |
Большинство современных ядерных вооружений используют 238 U как материал для вмешательства (см. Конструкция ядерного оружия ). Тампер, окружающий делящуюся активную зону, отражает нейтроны и придает инерцию сжатию ядра. 239 Пу заряд. Таким образом, это повышает эффективность оружия и снижает требуемую критическую массу . Что касается термоядерного оружия , 238 ты может использоваться для упаковки термоядерного топлива, высокий поток очень энергичных нейтронов в результате реакции термоядерного синтеза вызывает 238 Ядра U расщепляются и добавляют больше энергии к «мощности» 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 мощности взрыва в этой конструкции приходится на последнюю стадию деления, подпитываемую 238 U, производящий огромное количество радиоактивных продуктов деления . Например, примерно 77% мощностью 10,4 мегатонны мощности термоядерного испытания Айви Майка из обедненного урана в 1952 году было получено в результате быстрого деления тампера . Поскольку обедненный уран не имеет критической массы, его можно добавлять в термоядерные бомбы практически в неограниченном количестве. Советским Союзом проведенное Испытание Царь-бомбы, в 1961 году, дало «всего» 50 мегатонн взрывной мощности, более 90% которой было получено в результате термоядерного синтеза, поскольку 238 Заключительный этап U был заменен ведущим. Имел 238 Если бы вместо этого использовали «Царь-бомбу», мощность «Царь-бомбы» могла бы значительно превысить 100 мегатонн, и она произвела бы ядерные осадки , эквивалентные одной трети общемирового количества, произведенного к тому времени.
Ряд радия (или ряд урана) [ править ]
распада Цепь 238 U обычно называют « серией радия » (иногда «серией 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}Па}} }{\begin{Bmatrix}{\ce {->[0.16\%][1.17\ {\ce {min}}]{^{234}_{91}Па}->[\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}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/857268db1d49629548dd8bac3ed5d0721553c6d8)
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Средний срок службы 238 U составляет 1,41 × 10 17 секунды, разделенные на ln(2) ≈ 0,693 (или умноженные на 1/ln(2) ≈ 1,443), т.е. ок. 2 × 10 17 секунд, поэтому моль 1 238 U излучает 3 × 10 6 альфа-частиц в секунду, производя такое же количество атомов тория-234 . В закрытой системе будет достигнуто равновесие, при котором все количества, кроме свинца-206 и 238 U в фиксированных соотношениях, в медленно уменьшающихся количествах. Количество 206 Pb соответственно увеличится, в то время как 238 U уменьшается; все шаги в цепочке распада имеют одинаковую скорость 3 × 10 6 распавшихся частиц в секунду на моль 238 В.
Среднее время жизни тория-234 составляет 3 × 10. 6 секунд, то есть равновесие, если один моль 238 U содержит 9 × 10 12 атомы 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.
Пока 238 U минимально радиоактивен, продукты его распада, торий-234 и протактиний-234, являются бета-частиц излучателями 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 радиации из-за 238 Сам U, и большая часть этого излучения — бета-частицы.
Как уже говорилось выше, начиная с чистого 238 U, в человеческом масштабе времени равновесие применимо только для первых трех этапов цепочки распада. Таким образом, на один моль 238 У, 3 × 10 6 раз в секунду образуются одна альфа-частица, две бета-частицы и гамма-лучи, вместе 6,7 МэВ, мощность 3 мкВт. [10] [11]
238 Атом урана 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]
Радиоактивное датирование
238 Содержание урана 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]
Отношения между 238 У и 234 U указывает на возраст отложений и морской воды от 100 000 до 1 200 000 лет. [15]
The 238 У тебя дочерний продукт, 206 Pb является неотъемлемой частью метода свинцово-свинцового датирования , который наиболее известен благодаря определению возраста Земли . [16]
Космический корабль программы «Вояджер» несет небольшое количество изначально чистого 238 U на обложках своих золотых пластинок , чтобы облегчить знакомство в той же манере. [17]
Проблемы со здоровьем [ править ]
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 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]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМИД 16049478 . S2CID 4367737 .
- ^ Ядерная Франция: Материалы и сайты. «Уран от переработки» . Архивировано из оригинала 19 октября 2007 года . Проверено 27 марта 2013 г.
- ^ «Плутоний – Всемирная ядерная ассоциация» .
- ^ «Физика урана и ядерной энергетики» . Всемирная ядерная ассоциация . Проверено 17 ноября 2017 г.
- ^ Факты от Коэна , заархивированные 10 апреля 2007 г. в Wayback Machine . Formal.stanford.edu (26 января 2007 г.). Проверено 24 октября 2010 г.
- ^ Усовершенствованные ядерные энергетические реакторы | Ядерные реакторы поколения III+. Архивировано 15 июня 2010 года в Wayback Machine . World-nuclear.org. Проверено 24 октября 2010 г.
- ^ 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 .
- ^ Энгаузер, Майкл (1 апреля 2018 г.). Учебный курс по гамма-спектроскопии урана, редакция 00 (Отчет). ОСТИ 1525592 .
- ^ «5.3: Виды радиации» . Химия LibreTexts . 26 июля 2017 г. Проверено 16 мая 2023 г.
- ^ Хай, Северная Каролина; Луен, ТВ (1 декабря 2004 г.). «Метод определения активности 238U в пробах почвы окружающей среды с использованием HPGe-спектрометра с фотопиком-гамма и энергией 63,3 кэВ» . Прикладное излучение и изотопы . 61 (6): 1419–1424. дои : 10.1016/j.apradiso.2004.04.016 . ISSN 0969-8043 .
- ^ Кларк, ДеЛинн (декабрь 1996 г.). «U235: Код анализа гамма-лучей для определения изотопов урана» (PDF) . Проверено 21 мая 2023 г.
- ^ 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 : 2015AmMin.100.1355V . дои : 10.2138/am-2015-5134 . ISSN 0003-004X .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Вояджер: создание золотой пластинки» . voyager.jpl.nasa.gov . Проверено 28 марта 2020 г.
- ^ Radioisotope Brief CDC (по состоянию на 8 ноября 2021 г.)
- ^ 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 [ править ]