Uran-235

Na rozdíl od jiného, nejběžnějšího izotopu uranu 238 U , je v 235 U možná samoudržující jaderná řetězová reakce . Proto se tento izotop používá jako palivo v jaderných reaktorech , stejně jako v jaderných zbraních .

Aktivita jednoho gramu tohoto nuklidu je přibližně 80 kBq .

Byl to právě tento uran, který byl použit při jaderném bombardování Hirošimy , v bombě „ Kid “ .

Vznik a rozpad

Uran-235 vzniká v důsledku následujících rozpadů:

β − -rozpad nuklidu 235 Pa ( poločas rozpadu je 24,44(11) [2] min):

{\mathrm {^{{235}}_{{91}}Pa}}\rightarrow {\mathrm {^{{235}}_{{92}}U}}+e^{-}+{\bar {\nu ))_{e};

K-záchyt nuklidem 235 Np (poločas rozpadu je 396,1(12) [2] dnů):

{\mathrm {^{{235}}_{{93}}Np}}+e^{-}\rightarrow {\mathrm {^{{235}}_{{92}}U}}+{\bar {\nu ))_{e};

α-rozpad nuklidu 239 Pu (poločas rozpadu je 2,411(3)⋅10 4 [2] let):

{\mathrm {^{{239}}_{{94}}Pu}}\rightarrow {\mathrm {^{{235}}_{{92}}U}}+{\mathrm {^{{4} }_{{2}}On}}.

Rozpad uranu-235 probíhá následujícími způsoby:

α-rozpad v 231 Th (pravděpodobnost 100% [2] , energie rozpadu 4 678,3(7) keV [1] ):

{\mathrm {^{{235}}_{{92}}U}}\rightarrow {\mathrm {^{{231}}_{{90}}Th}}+{\mathrm {^{{4} }_{{2}}On}};

Spontánní štěpení (pravděpodobnost 7(2)⋅10 −9 %) [2] ;
Rozpad klastru za vzniku nuklidů 20 Ne , 25 Ne a 28 Mg (pravděpodobnosti jsou 8(4)⋅10 −10 %, 8⋅10 −10 %, 8⋅10 −10 %, resp. ) [2] :

{\mathrm {^{{235}}_{{92}}U}}\rightarrow {\mathrm {^{{215}}_{{82}}Pb}}+{\mathrm {^{{20} }_{{10}}Ne}};

{\mathrm {^{{235}}_{{92}}U}}\rightarrow {\mathrm {^{{210}}_{{82}}Pb}}+{\mathrm {^{{25} }_{{10}}Ne}};

{\mathrm {^{{235}}_{{92}}U}}\rightarrow {\mathrm {^{{207}}_{{80}}Hg}}+{\mathrm {^{{28} }_{{12}}Mg}}.

Nucené rozdělení

Na počátku třicátých let provedl Enrico Fermi ozařování uranu neutrony s cílem získat tímto způsobem transuranové prvky . Ale v roce 1939 byli O. Hahn a F. Strassmann schopni prokázat, že když je neutron pohlcen jádrem uranu, dochází k nucené štěpné reakci. Zpravidla je jádro rozděleno na dva fragmenty, přičemž se uvolní 2-3 neutrony (viz schéma) [5] .

Ve štěpných produktech uranu-235 bylo nalezeno asi 300 izotopů různých prvků , v rozmezí od Z =30 ( zinek ) do Z =64 ( gadolinium ). Křivka závislosti relativního výtěžku izotopů vzniklých při ozařování uranu-235 pomalými neutrony na hmotnostním čísle je symetrická a svým tvarem připomíná písmeno „M“. Dvě výrazná maxima této křivky odpovídají hmotnostním číslům 95 a 134 a minimum spadá do rozsahu hmotnostních čísel od 110 do 125. Dochází tak ke štěpení uranu na úlomky stejné hmotnosti (s hmotnostními čísly 115–119). s nižší pravděpodobností než u asymetrického štěpení [5] je taková tendence pozorována u všech štěpných izotopů a není spojena s žádnými individuálními vlastnostmi jader nebo částic, ale je vlastní samotnému mechanismu jaderného štěpení. Asymetrie však klesá s rostoucí excitační energií štěpného jádra a při energii neutronů vyšší než 100 MeV má rozložení hmotnosti štěpných fragmentů jedno maximum odpovídající symetrickému štěpení jádra.

Fragmenty vzniklé při štěpení jádra uranu jsou zase radioaktivní a podléhají řetězci β - rozpadů , při kterém se po dlouhou dobu postupně uvolňuje další energie. Průměrná energie uvolněná při rozpadu jednoho jádra uranu-235 s přihlédnutím k rozpadu fragmentů je přibližně 202,5 MeV = 3,244⋅10 −11 J , neboli 19,54 TJ/ mol = 83,14 TJ/kg [6] .

Jaderné štěpení je jen jedním z mnoha procesů, které jsou možné při interakci neutronů s jádry, právě tento proces je základem provozu každého jaderného reaktoru [7] .

Jaderná řetězová reakce

Během rozpadu jednoho jádra 235 U je obvykle emitováno 1 až 8 (v průměru - 2,416) volných neutronů. Každý neutron vzniklý během rozpadu jádra 235 U, podléhající interakci s jiným jádrem 235 U, může způsobit nový rozpad, tento jev se nazývá řetězová reakce jaderného štěpení .

Hypoteticky může počet neutronů druhé generace (po druhé fázi jaderného rozpadu) překročit 3² = 9. S každou další fází štěpné reakce může počet vyrobených neutronů narůst jako lavina. V reálných podmínkách nemusí volné neutrony generovat novou štěpnou událost, opustit vzorek před zachycením 235 U nebo být zachyceny jak samotným izotopem 235 U s jeho transformací na 236 U, tak jinými materiály (například 238 U nebo výslednými fragmenty jaderného štěpení, jako je 149 Sm nebo 135 Xe).

Jestliže v průměru každé štěpení generuje další nové štěpení, pak se reakce stává soběstačná; tento stav se nazývá kritický (viz také Neutronový multiplikační faktor ).

V reálných podmínkách není dosažení kritického stavu uranu tak snadné, protože průběh reakce ovlivňuje řada faktorů. Například přírodní uran tvoří pouze 0,72 % 235 U, 99,2745 % je 238 U [2] , který pohlcuje neutrony vzniklé při štěpení jader 235 U. štěpná reakce se velmi rychle rozkládá. Existuje několik hlavních způsobů, jak provést kontinuální štěpnou řetězovou reakci [5] :

zvětšit objem vzorku (u uranu extrahovaného z rudy je možné dosáhnout kritické hmotnosti díky zvětšení objemu);
proveďte izotopovou separaci zvýšením koncentrace 235 U ve vzorku;
snížit ztráty volných neutronů povrchem vzorku použitím různých typů reflektorů;
použít látku moderátoru neutronů ke zvýšení koncentrace tepelných neutronů .

Izomery

Jediný izomer 235m U je znám s následujícími charakteristikami [2] :

Nadměrná hmotnost: 40920,6(1,8) keV
Energie buzení: 76,5(4) eV
Poločas rozpadu: 26 min
Spin a parita jádra: 1/2 +

Rozpad izomerního stavu se provádí izomerním přechodem do základního stavu.

Aplikace

Uran-235 se používá jako palivo pro jaderné reaktory , které provádějí řízenou řetězovou štěpnou reakci;
Vysoce obohacený uran se používá k výrobě jaderných zbraní . V tomto případě je použita neřízená jaderná řetězová reakce k uvolnění velkého množství energie (výbuch) .

Viz také

Poznámky

↑ 1 2 3 4 5 Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. Hodnocení atomové hmotnosti AME2003 (II). Tabulky, grafy a odkazy (anglicky) // Nuclear Physics A . - 2003. - Sv. 729 . - str. 337-676 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . - .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH Hodnocení jaderných a rozpadových vlastností NUBASE // Nukleární fyzika A. - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - .
↑ Hoffman K. Je možné vyrobit zlato? - 2. vyd. vymazáno - L .: Chemie, 1987. - S. 130. - 232 s. — 50 000 výtisků. Archivováno 9. ledna 2009 na Wayback Machine Archived copy (odkaz není k dispozici) . Datum přístupu: 26. prosince 2009. Archivováno z originálu 9. ledna 2009. (neurčitý)
↑ Dnes v historii vědy . Získáno 26. prosince 2009. Archivováno z originálu 13. června 2002. (neurčitý)
↑ 1 2 3 Fialkov Yu.Ya Aplikace izotopů v chemii a chemickém průmyslu. - Kyjev: Technika, 1975. - S. 87. - 240 s. - 2000 výtisků.
↑ Tabulka fyzikálních a chemických konstant, oddíl 4.7.1: Jaderné štěpení (odkaz není k dispozici) . Kaye & Laby online. Datum přístupu: 26. prosince 2009. Archivováno z originálu 5. března 2010. (neurčitý)
↑ Bartolomey G. G., Baibakov V. D., Alkhutov M. S., Bat G. A. Základy teorie a metody výpočtu jaderných energetických reaktorů. - M .: Energoatomizdat, 1982. - S. 512.