Уран-238 - Uranium-238

Уран-238,²³⁸U

10 грамм образца
Общее
Символ	^238U
Имена	уран-238, U-238
Протоны	92
Нейтронов	146
Данные о нуклидах
Природное изобилие	99.2745%
Период полураспада	4,468 миллиарда лет
Родительские изотопы	^242Пу  (α ) ^238Па  (β^− )
Продукты распада	^234Чт
Изотопная масса	238.05078826 ты
Вращение	0
Режимы распада
Режим распада	Энергия распада (МэВ )
альфа-распад	4.267
Изотопы урана Полная таблица нуклидов

Уран-238 (²³⁸U или U-238) является наиболее распространенным изотоп из уран встречается в природе с относительной численностью 99%. В отличие от уран-235, он не делящийся, что означает, что он не может выдерживать цепная реакция в реактор на тепловых нейтронах. Однако это расщепляющийся к быстрые нейтроны, и является плодородный, то есть это может быть преобразованный расщеплять плутоний-239. ²³⁸U не может поддерживать цепную реакцию, потому что неупругое рассеяние уменьшает энергия нейтронов ниже диапазона, где быстрое деление одного или нескольких ядер следующего поколения. Доплеровское уширение из ²³⁸Нас поглощение нейтронов резонансы, увеличение абсорбции при повышении температуры топлива, также является важным негативный отзыв механизм управления реактором.

Около 99,284% природный уран Масса урана-238 с периодом полураспада 1,41×10¹⁷ секунды (4.468×10⁹ лет, или 4,468 миллиарда лет).^[1]Из-за его естественного изобилия и периода полураспада относительно других радиоактивные элементы, ²³⁸U производит ~ 40% радиоактивного тепла, производимого на Земле.^[2] В ²³⁸U цепочка распада вносит 6 электронные антинейтрино на ²³⁸Ядро U (1 на бета-распад ), что приводит к большой обнаруживаемой геонейтрино сигнал, когда распады происходят внутри Земли.^[3] Распад ²³⁸Дочерние изотопы U широко используются в радиометрическое датирование, особенно для материала старше ~ 1 миллиона лет.

Обедненный уран имеет еще более высокую концентрацию ²³⁸Изотоп U и даже низкообогащенный уран (НОУ), имея более высокую долю уран-235 изотоп (по сравнению с обедненным ураном) все еще в основном ²³⁸U. Переработанный уран также в основном ²³⁸U, примерно столько же уран-235 как природный уран, сопоставимая доля уран-236, и гораздо меньшее количество других изотопы урана Такие как уран-234, уран-233, и уран-232.^[4]

Применение ядерной энергии

В расщеплении ядерный реактор, уран-238 можно использовать для получения плутоний-239, который сам может быть использован в ядерное оружие или как топливо для ядерных реакторов. В типичном ядерном реакторе до одной трети генерируемой энергии происходит за счет деления ²³⁹Pu, который не подается в реактор в качестве топлива, а, скорее, произведено из ²³⁸U.

Реакторы-размножители

²³⁸U не может использоваться напрямую как ядерное топливо, хотя он может производить энергию через «быстрое» деление. В этом процессе нейтрон, имеющий кинетическую энергию более 1МэВ может вызвать ядро ²³⁸U разделить на две части. В зависимости от конструкции, этот процесс может составлять от одного до десяти процентов всех реакций деления в реакторе, но слишком мало из 2,5 нейтронов в среднем.^[5] образующиеся при каждом делении имеют достаточную скорость для продолжения цепной реакции.

²³⁸U можно использовать в качестве исходного материала для создания плутония-239, который, в свою очередь, можно использовать в качестве ядерного топлива. Реакторы-размножители осуществить такой процесс трансмутация преобразовать плодородный изотоп ²³⁸U в делящийся ²³⁹Пу. Было подсчитано, что существует от 10 000 до 5 миллиардов лет жизни. ²³⁸U для использования в этих электростанции.^[6] Технология размножения использовалась в нескольких экспериментальных ядерных реакторах.^[7]

К декабрю 2005 года единственным реактором-размножителем, производившим мощность, был 600-мегаваттный реактор. Реактор БН-600 на Белоярская АЭС в России. Позже Россия построила еще один блок, БН-800, на Белоярской АЭС, которая полностью введена в эксплуатацию в ноябре 2016 года. Monju Реактор-размножитель, который не работал большую часть времени с момента его первоначального строительства в 1986 году, был выведен из эксплуатации в 2016 году, после того как были обнаружены угрозы безопасности и проектирования, с датой завершения, установленной на 2047 год. И Китай, и Индия объявили о планах построить ядерные реакторы-размножители.

Реактор-размножитель, как следует из его названия, создает еще большее количество ²³⁹Пу или ²³³U, чем ядерный реактор деления.

В Чистый и экологически безопасный усовершенствованный реактор (CAESAR), концепция ядерного реактора, который будет использовать пар в качестве замедлителя для управления запаздывающие нейтроны, потенциально сможет использовать ²³⁸U в качестве топлива после запуска реактора с Низкообогащенный уран (НОУ) топливо. Этот дизайн все еще находится на ранней стадии разработки.

Радиационная защита

²³⁸U также используется как радиационная защита - это альфа-излучение легко останавливается не-радиоактивный кожух защиты и урановый высокий атомный вес и большое количество электроны очень эффективно впитывают гамма излучение и рентгеновские лучи. Это не так эффективно, как обычная вода для остановки быстрые нейтроны. Оба металлических обедненный уран и истощены диоксид урана используются для защиты от излучения. Уран примерно в пять раз лучше в качестве защиты от гамма-излучения, чем вести, поэтому щит с такой же эффективностью можно упаковать в более тонкий слой.

ДУКРЕТ, бетон из диоксида урана совокупность вместо гравия исследуется как материал для хранение сухих контейнеров системы для хранения радиоактивные отходы.

Разбавление

Противоположностью обогащению является разбавление. Избыток высокообогащенный уран может быть разбавлен обедненным ураном или природным ураном, чтобы превратить его в низкообогащенный уран, пригодный для использования в коммерческом ядерном топливе.

²³⁸U из обедненного урана и природного урана также используется с переработанным ²³⁹Pu из запасов ядерного оружия для создания смешанное оксидное топливо (MOX), который в настоящее время перенаправляется на топливо для ядерных реакторов. Это разбавление, также называемое понижающим смешиванием, означает, что любая страна или группа, которые приобрели готовое топливо, должны будут повторить очень дорогостоящий и сложный процесс химического разделения урана и плутония перед сборкой оружия.

Ядерное оружие

Самый современный ядерное оружие использовать ²³⁸U как «тамперный» материал (см. конструкция ядерного оружия ). Тампер, который окружает делящийся актив, работает на отражать нейтроны и добавить инерция к сжатию ²³⁹Пу заряд. Таким образом, он увеличивает эффективность оружия и снижает критическая масса требуется. В случае термоядерное оружие, ²³⁸U можно использовать для защиты термоядерного топлива, сильного потока очень энергичных нейтроны из полученного слияние причины реакции ²³⁸Ядра U расщепляются и добавляют больше энергии к «мощности» оружия. Такое оружие именуется деление-синтез-деление оружие после порядка, в котором происходит каждая реакция. Пример такого оружия - Замок Браво.

Большая часть общего выхода взрывчатого вещества в этой конструкции приходится на заключительную стадию деления, питаемую ²³⁸U, производящий огромное количество радиоактивных продукты деления. Например, примерно 77% из 10,4-мегатонна доходность Айви Майк термоядерное испытание в 1952 году произошло из-за быстрого деления обедненного урана вмешиваться. Поскольку обедненный уран не имеет критической массы, его можно добавлять в термоядерные бомбы практически в неограниченном количестве. В Советский союз испытание Царь Бомба в 1961 г. произвел «всего» 50 мегатонн взрывной мощности, более 90% которой пришло от деления, вызванного нейтронами, полученными от термоядерного синтеза, потому что ²³⁸Финальная ступень U заменена свинцовой. Имел ²³⁸Вместо этого использовался U, мощность Царь-бомбы могла быть намного выше 100 мегатонн, и она произвела бы радиоактивные осадки что эквивалентно одной трети общемирового производства, произведенного к тому времени.

Радиевый ряд (или урановый)

В цепочка распада из ²³⁸U обычно называют "радиевый ряд "(иногда" урановая серия "). Начиная с природного урана-238, эта серия включает следующие элементы: астатин, висмут, вести, полоний, протактиний, радий, радон, таллий, и торий. Все из продукты распада присутствуют, по крайней мере временно, в любом урансодержащем образце, будь то металл, соединение или минерал. Распад протекает как:

${\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{238}_{92}U->[\alpha ][4.468\times 10^{9}\ {\ce {y}}]{^{234}_{90}Th}->[\beta ^{-}][24.1\ {\ce {d}}]{^{234\!m}_{91}Pa}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[0.16\%][1.17\ {\ce {min}}]{^{234}_{91}Pa}->[\beta ^{-}][6.7\ {\ce {h}}]}}\\{\ce {->[99.84\%\ \beta ^{-}][1.17\ {\ce {min}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{234}_{92}U->[\alpha ][2.445\times 10^{5}\ {\ce {y}}]{^{230}_{90}Th}->[\alpha ][7.7\times 10^{4}\ {\ce {y}}]{^{226}_{88}Ra}->[\alpha ][1600\ {\ce {y}}]{^{222}_{86}Rn}}}\\{\ce {^{222}_{86}Rn->[\alpha ][3.8235\ {\ce {d}}]{^{218}_{84}Po}->[\alpha ][3.05\ {\ce {min}}]{^{214}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][26.8\ {\ce {min}}]{^{214}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][19.9\ {\ce {min}}]{^{214}_{84}Po}->[\alpha ][164.3\ \mu {\ce {s}}]{^{210}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][22.26\ {\ce {y}}]{^{210}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][5.012\ {\ce {d}}]{^{210}_{84}Po}->[\alpha ][138.38\ {\ce {d}}]{^{206}_{82}Pb}}}\end{array}}}$

Родительский нуклид Историческое название (краткое)[8] Историческое название (длинное) Атомная масса [RS 1] Режим распада [RS 2] Возможность отделения [RS 2] Период полураспада [RS 2] Выделенная энергия, МэВ [RS 2] Дочерний нуклид [RS 2] Итого, МэВ ^238U Uя Уран I 238.051 α 100 % 4.468·10^9 а 4.26975 ^234Чт 4.2698 ^234Чт UX1 Уран X1 234.044 β^− 100 % 24.10 d 0.273088 ^234 кв.м.Па 4.5428 ^234 кв.м.Па UX2, Bv Уран X2, Бревиум 234.043 ЭТО 0.16 % 1.159 мин 0.07392 ^234Па 4.6168 ^234 кв.м.Па UX2, Bv Уран X2, Бревиум 234.043 β^− 99.84 % 1,159 мин 2.268205 ^234U 6.8110 ^234Па UZ Уран Z 234.043 β^− 100 % 6.70 час 2.194285 ^234U 6.8110 ^234U UII Уран II 234.041 α 100 % 2.455·10^5 а 4.8598 ^230Чт 11.6708 ^230Чт Ио Ионий 230.033 α 100 % 7.54·10^4 а 4.76975 ^226Ра 16.4406 ^226Ра Ра Радий 226.025 α 100 % 1600 а 4.87062 ^222Rn 21.3112 ^222Rn Rn Радон, излучение радия 222.018 α 100 % 3,8235 г 5.59031 ^218По 26.9015 ^218По RaA Радий А 218.009 β^− 0.020 % 3,098 мин 0.259913 ^218В 27.1614 ^218По RaA Радий А 218.009 α 99.980 % 3,098 мин 6.11468 ^214Pb 33.0162 ^218В 218.009 β^− 0.1 % 1.5 s 2.881314 ^218Rn 30.0428 ^218В 218.009 α 99.9 % 1,5 с 6.874 ^214Би 34.0354 ^218Rn 218.006 α 100 % 35 РС 7.26254 ^214По 37.3053 ^214Pb RaB Радий B 214.000 β^− 100 % 26,8 мин 1.019237 ^214Би 34.0354 ^214Би RaC Радий C 213.999 β^− 99.979 % 19,9 мин. 3.269857 ^214По 37.3053 ^214Би RaC Радий C 213.999 α 0.021 % 19,9 мин. 5.62119 ^210Tl 39.6566 ^214По RaC^я Радий C^я 213.995 α 100 % 164.3 мкс 7.83346 ^210Pb 45.1388 ^210Tl RaC^II Радий C^II 209.990 β^− 100 % 1,30 мин 5.48213 ^210Pb 45.1388 ^210Pb RaD Радий D 209.984 β^− 100 % 22.20 а 0.063487 ^210Би 45.2022 ^210Pb RaD Радий D 209.984 α 1.9·10^−6 % 22.20 а 3.7923 ^206Hg 48.9311 ^210Би RaE Радий E 209.984 β^− 100 % 5.012 дней 1.161234 ^210По 46.3635 ^210Би RaE Радий E 209.984 α 13.2·10^−5 % 5.012 дней 5.03647 ^206Tl 50.2387 ^210По RaF Радий F 209.983 α 100 % 138,376 г 5.40745 ^206Pb 51.7709 ^206Hg 205.978 β^− 100 % 8,32 мин 1.307649 ^206Tl 50.2387 ^206Tl RaE^II Радий E^II 205.976 β^− 100 % 4,202 мин 1.532221 ^206Pb 51.7709 ^206Pb RaG Радий G 205.974 стабильный – – – – 51.7709

«Информационная система оценки рисков: цепь распада радионуклидов». Университет Теннесси. «Файл оцененных данных структуры ядра». Национальный центр ядерных данных.

В средняя продолжительность жизни из ²³⁸U составляет 1,41×10¹⁷ секунды, разделенные на 0,693 (или умноженные на 1,443), т.е. 2×10¹⁷ секунд, поэтому 1 крот из ²³⁸U излучает 3×10⁶ альфа-частиц в секунду, производя такое же количество тория-234 атомы. В закрытой системе было бы достигнуто равновесие со всеми количествами, кроме свинца-206 и ²³⁸U в фиксированных соотношениях, в медленно убывающих количествах. Количество ²⁰⁶Pb соответственно увеличится, а ²³⁸U уменьшается; все шаги в цепочке распада имеют одинаковую скорость 3×10⁶ распавшихся частиц в секунду на моль ²³⁸U.

Торий-234 имеет средний срок службы 3×10⁶ секунд, поэтому равновесие будет, если один моль ²³⁸U содержит 9×10¹² атомов тория-234, что составляет 1,5×10⁻¹¹ моль (соотношение двух периодов полураспада). Точно так же в равновесии в замкнутой системе количество каждого продукта распада, за исключением конечного продукта свинца, пропорционально его периоду полураспада.

В то время как ²³⁸U минимально радиоактивен, продукты его распада, торий-234 и протактиний-234, являются бета-частица излучатели с период полураспада примерно 20 дней и одна минута соответственно. Протактиний-234 распадается до урана-234, период полураспада которого составляет сотни тысячелетий, и это изотоп не достигает равновесной концентрации в течение очень долгого времени. Когда два первых изотопа в цепочке распада достигают своих относительно малых равновесных концентраций, образец изначально чистой ²³⁸U будет излучать в три раза больше излучения из-за ²³⁸U, и большая часть этого излучения - это бета-частицы.

Как уже упоминалось выше, начиная с чистого ²³⁸U, в человеческой шкале времени равновесие применяется только для первых трех шагов в цепочке распада. Таким образом, на один моль ²³⁸U, 3×10⁶ раз в секунду генерируются одна альфа-частицы, две бета-частицы и гамма-излучение, вместе 6,7 МэВ, мощностью 3 мкВт. Экстраполировано на 2×10¹⁷ секунд это 600 гигаджоулей, полная энергия, выделяемая на первых трех этапах цепочки распада.

Радиоактивное свидание

²³⁸Содержание урана и его распад на дочерние изотопы включает в себя несколько методов «датирования урана» и является одним из наиболее распространенных радиоактивных изотопов, используемых в радиометрическое датирование. Самый распространенный метод датирования - это датирование свинца урана, который используется для датировки горных пород старше 1 миллиона лет и дает возраст самых старых горных пород на Земле в 4,4 миллиарда лет.^[9]

Связь между ²³⁸U и ²³⁴U указывает возраст отложения и морская вода возрастом от 100 000 до 1 200 000 лет.^[10]

В ²³⁸U дочерний продукт, ²⁰⁶Pb, является составной частью Свидание-свидание, который наиболее известен определением возраст Земли.^[11]

В Программа "Вояджер" космические аппараты несут небольшие количества изначально чистого ²³⁸U на обложках своих золотые рекорды таким же образом облегчить свидания.^[12]

Смотрите также

• Обедненный уран
• Уран-свинцовые датировки

Рекомендации

1. Mcclain, D.E .; Miller, A.C .; Калинич Ю.Ф. (20 декабря 2007 г.). «Состояние обеспокоенности по поводу военного использования обедненного урана и суррогатных металлов в бронебойных боеприпасах» (PDF). НАТО. Архивировано из оригинал (PDF) 19 апреля 2011 г.. Получено 14 ноября, 2010.
2. Аревало, Рикардо; МакДоноу, Уильям Ф .; Луонг, Марио (2009). «Коэффициент K-U силикатной Земли: понимание состава, структуры и термической эволюции мантии». Письма по науке о Земле и планетах. 278 (3–4): 361–369. Bibcode:2009E и PSL.278..361A. Дои:10.1016 / j.epsl.2008.12.023.
3. Araki, T .; Enomoto, S .; Furuno, K .; Gando, Y .; Ichimura, K .; Ikeda, H .; Inoue, K .; Kishimoto, Y .; Кога, М. (2005). «Экспериментальное исследование геологически произведенных антинейтрино с помощью KamLAND». Природа. 436 (7050): 499–503. Bibcode:2005Натура.436..499А. Дои:10.1038 / природа03980. PMID  16049478.
4. Ядерная Франция: материалы и сайты. «Уран от переработки». Архивировано из оригинал на 2007-10-19. Получено 2013-03-29.
5. «Физика урана и ядерная энергия». Всемирная ядерная ассоциация. Получено 17 ноября, 2017.
6. Факты от Коэна В архиве 2007-04-10 на Wayback Machine. Formal.stanford.edu (26 января 2007 г.). Проверено 24 октября 2010.
7. Усовершенствованные ядерные энергетические реакторы | Ядерные реакторы поколения III +. World-nuclear.org. Проверено 24 октября 2010.
8. Тоннессен, М. (2016). Открытие изотопов: полный сборник. Springer. п. 19. Дои:10.1007/978-3-319-31763-2. ISBN  978-3-319-31761-8. LCCN  2016935977.
9. Вэлли, Джон В .; Рейнхард, Дэвид А .; Кавози, Аарон Дж .; Ушикубо, Такаюки; Лоуренс, Дэниел Ф .; Ларсон, Дэвид Дж .; Келли, Томас Ф .; Snoeyenbos, Дэвид Р .; Стрикленд, Ариэль (01.07.2015). «Нано- и микрогеохронология цирконов Гадея и Архея с помощью атомно-зондовой томографии и ВИМС: новые инструменты для старых минералов» (PDF). Американский минералог. 100 (7): 1355–1377. Bibcode:2015AmMin.100.1355V. Дои:10.2138 / am-2015-5134. ISSN  0003-004X.
10. Хендерсон, Гидеон М (2002). «Морская вода (234U / 238U) за последние 800 тысяч лет». Письма по науке о Земле и планетах. 199 (1–2): 97–110. Bibcode:2002E и PSL.199 ... 97H. Дои:10.1016 / S0012-821X (02) 00556-3.
11. Паттерсон, Клэр (1956-10-01). «Возраст метеоритов и земли». Geochimica et Cosmochimica Acta. 10 (4): 230–237. Bibcode:1956GeCoA..10..230P. Дои:10.1016/0016-7037(56)90036-9.
12. "Вояджер - создание золотой рекорда". voyager.jpl.nasa.gov. Получено 2020-03-28.

внешняя ссылка

• Банк данных по опасным веществам NLM - уран, радиоактивный

Более легкий: уран-237	Уран-238 - это изотоп из уран	Тяжелее: уран-239
Продукт распада из: плутоний-242 (α ) протактиний-238 (β- )	Цепочка распада урана-238	Распада кому: торий-234 (α)