| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Стандартный атомный вес A r °(U) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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.
Нуклид [n 1] | Историческое название | З | Н | Изотопная масса ( Да ) [6] [n 2] [n 3] | Период полураспада [1] | Режим распада [1] [n 4] | Дочерний изотоп [n 5] [n 6] | Спин и четность [1] [n 7] [n 8] | Природная распространенность (мольная доля) | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Энергия возбуждения [n 8] | Нормальная пропорция [1] | Диапазон вариаций | |||||||||||||||||
214 У [7] | 92 | 122 | 0,52+0,95 −0,21 РС | α | 210 Тыс | 0+ | |||||||||||||
215 У | 92 | 123 | 215.026720(11) | 1,4(0,9) мс | α | 211 Тыс | 5/2−# | ||||||||||||
β + ? | 215 Па | ||||||||||||||||||
216 У [8] | 92 | 124 | 216.024760(30) | 2.25+0,63 −0,40 РС | α | 212 Тыс | 0+ | ||||||||||||
216м У | 2206 кэВ | 0,89+0,24 −0,16 РС | α | 212 Тыс | 8+ | ||||||||||||||
217 У [9] | 92 | 125 | 217.024660(86)# | 19.3+13,3 −5,6 РС | α | 213 Тыс | (1/2−) | ||||||||||||
β + ? | 217 Па | ||||||||||||||||||
218 У [8] | 92 | 126 | 218.023505(15) | 650+80 −70 мкс | α | 214 Тысяч | 0+ | ||||||||||||
218м У | 2117 кэВ | 390+60 −50 мкс | α | 214 Тысяч | 8+ | ||||||||||||||
ЭТО? | 218 У | ||||||||||||||||||
219 У | 92 | 127 | 219.025009(14) | 60(7) мкс | α | 215 Тыс | (9/2+) | ||||||||||||
β + ? | 219 Па | ||||||||||||||||||
221 У | 92 | 129 | 221.026323(77) | 0,66(14) мкс | α | 217 Тыс | (9/2+) | ||||||||||||
β + ? | 221 Па | ||||||||||||||||||
222 У | 92 | 130 | 222.026058(56) | 4,7(0,7) мкс | α | 218 Тыс | 0+ | ||||||||||||
β + ? | 222 Па | ||||||||||||||||||
223 У | 92 | 131 | 223.027961(63) | 65(12) мкс | α | 219 Тыс | 7/2+# | ||||||||||||
β + ? | 223 Па | ||||||||||||||||||
224 У | 92 | 132 | 224.027636(16) | 396(17) мкс | α | 220 тыс. | 0+ | ||||||||||||
β + ? | 224 Па | ||||||||||||||||||
225 У | 92 | 133 | 225.029385(11) | 62(4) мс | α | 221 Тысяча | 5/2+# | ||||||||||||
226 У | 92 | 134 | 226.029339(12) | 269(6) мс | α | 222 Тысяча | 0+ | ||||||||||||
227 У | 92 | 135 | 227.0311811(91) | 1,1(0,1) мин | α | 223 Тыс | (3/2+) | ||||||||||||
β + ? | 227 Па | ||||||||||||||||||
228 У | 92 | 136 | 228.031369(14) | 9,1(0,2) мин | α (97,5%) | 224 Тысяча | 0+ | ||||||||||||
ЕС (2,5%) | 228 Па | ||||||||||||||||||
229 У | 92 | 137 | 229.0335060(64) | 57,8(0,5) мин | β + (80%) | 229 Па | (3/2+) | ||||||||||||
α (20%) | 225 Тыс | ||||||||||||||||||
230 У | 92 | 138 | 230.0339401(48) | 20,23(0,02) дн. | α | 226 Тысяч | 0+ | ||||||||||||
СФ ? | (различный) | ||||||||||||||||||
CD (4,8×10−12 % ) | 208 Pb 22 Ne | ||||||||||||||||||
231 У | 92 | 139 | 231.0362922(29) | 4,2(0,1) дн. | ЕС | 231 Па | 5/2+# | ||||||||||||
α (.004%) | 227 Тыс | ||||||||||||||||||
232 У | 92 | 140 | 232.0371548(19) | 68,9(0,4) г. | α | 228 Тыс | 0+ | ||||||||||||
КД (8,9×10−10 % ) | 208 Pb 24 Ne | ||||||||||||||||||
СФ (10−12 % ) | (различный) | ||||||||||||||||||
Компакт-диск? | 204 Рт 28 Мг | ||||||||||||||||||
233 У | 92 | 141 | 233.0396343(24) | 1,592(2)×10 5 лет | α | 229 Тыс | 5/2+ | След [н 9] | |||||||||||
CD (≤7,2×10−11 % ) | 209 Pb 24 Ne | ||||||||||||||||||
СФ ? | (различный) | ||||||||||||||||||
Компакт-диск ? | 205 Рт 28 Мг | ||||||||||||||||||
234 U [н 10] [н 11] | Уран II | 92 | 142 | 234.0409503(12) | 2,455(6)×10 5 лет | α | 230 Тыс | 0+ | [0,000054(5)] [n 12] | 0,000050– 0,000059 | |||||||||
СФ (1,64×10−9 % ) | (различный) | ||||||||||||||||||
КД (1,4×10−11 % ) | 206 Рт 28 Мг | ||||||||||||||||||
CD (≤9×10−12 % ) | 208 Pb 26 Ne | ||||||||||||||||||
CD (≤9×10−12 % ) | 210 Pb 24 Ne | ||||||||||||||||||
234м У | 1421,257(17) кэВ | 33,5(2,0) мс | ЭТО | 234 У | 6− | ||||||||||||||
235 U [н 13] [н 14] [н 15] | Актиновый уран Актино-уран | 92 | 143 | 235.0439281(12) | 7,038(1)×10 8 лет | α | 231 Тысяча | 7/2− | [0,007204(6)] | 0,007198– 0,007207 | |||||||||
СФ (7×10−9 % ) | (различный) | ||||||||||||||||||
КД (8×10−10 % ) | 215 Pb 20 Ne | ||||||||||||||||||
КД (8×10−10 % ) | 210 Pb 25 Ne | ||||||||||||||||||
КД (8×10−10 % ) | 207 Рт 28 Мг | ||||||||||||||||||
235м1 U | 0,076737(18) кэВ | 25,7(1) мин | ЭТО | 235 У | 1/2+ | ||||||||||||||
235м2 У | 2500(300) кэВ | 3,6(18) мс | СФ | (различный) | |||||||||||||||
236 У | Торуран [10] | 92 | 144 | 236.0455661(12) | 2,342(3)×10 7 лет | α | 232 Тысяча | 0+ | След [n 16] | ||||||||||
СФ (9,6×10−8 % ) | (различный) | ||||||||||||||||||
CD (≤2,0×10−11 % ) [11] | 208 Рт 28 Мг | ||||||||||||||||||
CD (≤2,0×10−11 % ) [11] | 206 Рт 30 Мг | ||||||||||||||||||
236м1 У | 1052,5(6) кэВ | 100(4) нс | ЭТО | 236 У | 4− | ||||||||||||||
236м2 U | 2750(3) кэВ | 120(2) нс | ИТ (87%) | 236 У | (0+) | ||||||||||||||
СФ (13%) | (различный) | ||||||||||||||||||
237 У | 92 | 145 | 237.0487283(13) | 6.752(2) д | β − | 237 Нп | 1/2+ | След [n 17] | |||||||||||
237м У | 274,0(10) кэВ | 155(6) нс | ЭТО | 237 У | 7/2− | ||||||||||||||
238 U [н 11] [н 13] [н 14] | Уран I | 92 | 146 | 238.050787618(15) [12] | 4,468(3)×10 9 лет | α | 234 Тысяча | 0+ | [0,992742(10)] | 0,992739– 0,992752 | |||||||||
СФ (5,44×10−5 % ) | (различный) | ||||||||||||||||||
β − β − (2,2×10 −10 %) | 238 Pu | ||||||||||||||||||
238м У | 2557,9(5) кэВ | 280(6) нс | ИТ (97,4%) | 238 У | 0+ | ||||||||||||||
СФ (2,6%) | (различный) | ||||||||||||||||||
239 У | 92 | 147 | 239.0542920(16) | 23,45(0,02) мин | β − | 239 Нп | 5/2+ | След [n 18] | |||||||||||
239м1 У | 133,7991(10) кэВ | 780(40) нс | ЭТО | 239 У | 1/2+ | ||||||||||||||
239м2 U | 2500(900)# кэВ | >250 нс | СФ? | (различный) | 0+ | ||||||||||||||
ЭТО? | 239 У | ||||||||||||||||||
240 У | 92 | 148 | 240.0565924(27) | 14,1(0,1) ч | β − | 240 Нп | 0+ | След [n 19] | |||||||||||
α? | 236 Тысяч | ||||||||||||||||||
241 У [13] | 92 | 149 | 241.06031(5) | ~40 мин [14] [15] | β − | 241 Нп | 7/2+# | ||||||||||||
242 У | 92 | 150 | 242.06296(10) [13] | 16,8(0,5) мин | β − | 242 Нп | 0+ | ||||||||||||
Заголовок и нижний колонтитул этой таблицы: |
Компакт-диск: | Распад кластера |
ЕС: | Захват электронов |
СФ: | Спонтанное деление |
Актиниды [16] по цепочке распада | Диапазон периода полураспада ( а ) | Продукты деления 235 U по выходу [ 17] | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
4 н | 4 н + 1 | 4 н + 2 | 4 н + 3 | 4,5–7% | 0,04–1,25% | <0,001% | ||
228 Ра№ | 4–6 утра | 155 Euþ | ||||||
248 Бк[18] | > 9 утра | |||||||
244 смƒ | 241 Puƒ | 250 Кф | 227 Ак№ | 10–29 утра | 90 Ср | 85 Кр | 113m Кдþ | |
232 Uƒ | 238 Puƒ | 243 смƒ | 29–97 а | 137С | 151 Смþ | 121м Сн | ||
249 Кфƒ | 242m Amƒ | 141–351 а | Ни один из продуктов деления не имеет периода полураспада | |||||
241 Амƒ | 251 Кфƒ[19] | 430–900 а | ||||||
226 Ра№ | 247 Бк | 1,3–1,6 тыс. лет назад | ||||||
240 Пу | 229 Тыс | 246 смƒ | 243 Амƒ | 4,7–7,4 тыс. лет назад | ||||
245 смƒ | 250 см | 8,3–8,5 тыс. лет назад | ||||||
239 Puƒ | 24,1 тыс. лет назад | |||||||
230 Тыс№ | 231 Па№ | 32–76 тыс. лет назад | ||||||
236 Нпƒ | 233 Uƒ | 234 У№ | 150–250 тыс. лет назад | 99 тк₡ | 126 Сн | |||
248 см | 242 Pu | 327–375 тыс. лет назад | 79 се₡ | |||||
1,33 млн лет назад | 135 Cs₡ | |||||||
237 Нпƒ | 1,61–6,5 млн лет назад | 93 Зр | 107 Пд | |||||
236 У | 247 смƒ | 15–24 млн лет назад | 129 Я₡ | |||||
244 Pu | 80 млн лет назад | ... и не более 15,7 млн лет назад [20] | ||||||
232 Т№ | 238 У№ | 235 Uƒ№ | 0,7–14,1 млрд лет | |||||
|
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 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 — 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 .
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 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 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 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 ( 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 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 .
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]