Войти
 10 грамм образца | |
| Общий | |
|---|---|
| Условное обозначение | 238 U |
| Имена | уран-238, U-238 |
| Протоны | 92 |
| Нейтронов | 146 |
| Данные о нуклидах | |
| Природное изобилие | 99,2745% |
| Период полураспада | 4,468 миллиарда лет |
| Родительские изотопы | 242 Pu ( α ) 238 Па ( β - ) |
| Продукты распада | 234 Чт |
| Изотопная масса | 238.05078826 u |
| Вращаться | 0 |
| Режимы распада | |
| Режим распада | Энергия распада ( МэВ ) |
| альфа-распад | 4,267 |
| Изотопы урана Полная таблица нуклидов | |
Уран-238 ( 238 U или U-238) является наиболее распространенным изотопом из урана в природе, с относительным содержанием 99%. В отличие от урана-235, он неделящийся, что означает, что он не может поддерживать цепную реакцию в реакторе на тепловых нейтронах. Тем не менее, делящийся на быстрых нейтронах, и плодородный, то есть он 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 вероятно быстрое деление одного или нескольких ядер следующего поколения. Доплеровское уширение из 238 ¯u в поглощении нейтронов резонансов, увеличение поглощения при увеличении температуры топлива, также является важным отрицательной обратной связью механизм управления реактором.
Около 99,284% массы природного урана составляет уран-238, период полураспада которого составляет 1,41 × 10 17 секунд (4,468 × 10 9 лет, или 4,468 миллиарда лет). Из - за его природное содержание и период полураспада по сравнению с другими радиоактивными элементами, 238 U производит ~ 40% от радиоактивного тепла, производимого внутри Земли. 238 U цепочка распада способствует 6 электронов антинейтрино за 238 ядра U (1 на бета - распад ), в результате чего большого обнаруживаемом geoneutrino сигнала, когда распады происходят в пределах Земли. Распад 238 U на дочерние изотопы широко используется в радиометрическом датировании, особенно для материалов старше ~ 1 миллиона лет.
В обедненном уране содержится еще более высокая концентрация изотопа 238 U, и даже в низкообогащенном уране (НОУ), несмотря на более высокую долю изотопа урана-235 (по сравнению с обедненным ураном), по-прежнему в основном содержится 238 U. Переработанный уран также в основном состоит из 238 U, с примерно таким же количеством урана-235, как у природного урана, сравнимой долей урана-236 и гораздо меньшими количествами других изотопов урана, таких как уран-234, уран-233 и уран-232.
В ядерном реакторе деления уран-238 можно использовать для производства плутония-239, который сам может быть использован в ядерном оружии или в качестве топлива для ядерного реактора. В типичном ядерном реакторе до одной трети генерируемой энергии происходит за счет деления 239 Pu, который не подается в реактор в качестве топлива, а вырабатывается из 238 U.
238 U не может использоваться непосредственно в качестве ядерного топлива, хотя он может производить энергию посредством «быстрого» деления. В этом процессе нейтрон с кинетической энергией, превышающей 1 МэВ, может вызвать разделение ядра 238 U 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, образующихся при каждом делении, имеют достаточную скорость для продолжения цепной реакции.
238 U можно использовать в качестве исходного материала для создания плутония-239, который, в свою очередь, можно использовать в качестве ядерного топлива. Реакторы-размножители осуществляют такой процесс трансмутации, чтобы преобразовать воспроизводящий изотоп 238 U в делящийся 239 Pu. Было подсчитано, что 238 U могут использоваться на этих электростанциях за период от 10 000 до 5 миллиардов лет. Технология размножения использовалась в нескольких экспериментальных ядерных реакторах.
К декабрю 2005 года единственным реактором-размножителем, вырабатывающим мощность, был 600-мегаватный реактор БН-600 на Белоярской АЭС в России. Позже Россия построила еще один блок, БН-800, на Белоярской АЭС, который был полностью введен в эксплуатацию в ноябре 2016 года. Также был заказан японский реактор-размножитель Монжу, который не работал большую часть времени с момента его постройки в 1986 году. для вывода из эксплуатации в 2016 году, после выявления угроз безопасности и проектирования, с датой завершения, установленной на 2047 год. И Китай, и Индия объявили о планах строительства ядерных реакторов-размножителей.
Реактор-размножитель, как следует из его названия, создает даже большие количества 239 Pu или 233 U, чем ядерный реактор деления.
Чистый и экологически безопасный усовершенствованный реактор (CAESAR), концепция ядерного реактора, который будет использовать пар в качестве замедлителя для управления запаздывающих нейтронов, потенциально иметь возможность использовать 238 U в качестве топлива после того, как реактор начал с низкообогащенного урана (НОУ) топливо. Этот дизайн все еще находится на ранних стадиях разработки.
238 U также используется в качестве радиационной защиты - его альфа-излучение легко задерживается нерадиоактивной оболочкой защиты, а большой атомный вес и большое количество электронов урана очень эффективно поглощают гамма-лучи и рентгеновские лучи. Он не так эффективен, как обычная вода, для остановки быстрых нейтронов. И металлический обедненный уран, и обедненный диоксид урана используются для защиты от излучения. Уран примерно в пять раз лучше в качестве защиты от гамма-излучения, чем свинец, поэтому экран с такой же эффективностью можно упаковать в более тонкий слой.
DUCRETE, бетон, изготовленный из заполнителя диоксида урана вместо гравия, исследуется в качестве материала для систем хранения в сухих контейнерах для хранения радиоактивных отходов.
Противоположность обогащению - разбавление. Избыточный высокообогащенный уран можно разбавить обедненным ураном 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 с рециркулированным 239 Pu из запасов ядерного оружия для производства смешанного оксидного топлива (MOX), которое в настоящее время перенаправляется на топливо для ядерных реакторов. Это разбавление, также называемое понижающим смешением, 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.
В большинстве современных ядерных боеприпасов 238 U используется в качестве «тамперного» материала (см. Конструкцию ядерного оружия ). Тампер, окружающий делящуюся активную зону, отражает нейтроны и добавляет инерции сжатию заряда 239 Pu. Таким образом, он увеличивает эффективность оружия и снижает требуемую критическую массу. В случае термоядерного оружия, 238 U может быть использован дл заключени слитого топлива, высокий поток очень энергичных нейтронов из полученной слитой реакции вызывает 238 ядер U для разделения и добавляет больше энергии к «выходу» оружия. Такое оружие называется оружием деления-синтеза-деления по порядку, в котором происходит каждая реакция. Пример такого оружия - Castle Bravo.
Большая часть общего выхода взрывчатого вещества в этой конструкции приходится на заключительную стадию деления, заправляемую топливом 238 U, в результате чего образуется огромное количество радиоактивных продуктов деления. Например, по оценкам, 77% от 10.4- мегатонн доходности Ivy Mike термоядерного тест в 1952 году пришел от быстрого деления обедненного урана трамбовки. Поскольку обедненный уран не имеет критической массы, его можно добавлять в термоядерные бомбы практически в неограниченном количестве. Советский Союз тест «ы из царя Bomba в 1961 г. произвел„только“50 мегатонн взрывной силы, более 90% которых пришли от деления, вызванным слитыми поставляемых нейтронами, так как 238 заключительного этап U был заменен свинцом. Если бы вместо этого использовался 238 U, мощность «Царь-бомбы» могла бы быть намного выше 100 мегатонн, и она произвела бы ядерные осадки, эквивалентные одной трети от общего количества, произведенного к тому времени.
Цепочка распада из 238 U обычно называют « радий серии » (иногда «уран серии»). Начиная с природного урана-238, эта серия включает 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 как:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Среднее время жизни из 238 U составляет 1,41 × 10 17 секунд, разделенные на 0.693 (или умноженные на 1,443), т.е. ca. 2 × 10 17 сек, так что 1 моль на 238 U испускает 3 × 10 6 альфа - частиц в секунду, производя одинаковое количество тория-234 атомов. В закрытой системе будет достигнуто равновесие со всеми количествами, за исключением свинца-206 и 238 U в фиксированных соотношениях, в медленно убывающих количествах. Соответственно увеличится количество 206 Pb и уменьшится количество 238 U; все ступени в цепочке распада имеют одинаковую скорость 3 × 10 6 распавшихся частиц в секунду на моль 238 U.
Торий-234 имеет среднее время жизни 3 × 10 6 секунд, поэтому равновесие наступает, если один моль 238 U содержит 9 × 10 12 атомов тория-234, что составляет 1,5 × 10 - 11 моль (соотношение двух половин -жизни). 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 238 U является минимально радиоактивным, продукты его распада, торий-234 и протактиний-234, являются эмиттерами бета-частиц с периодом полураспада около 20 дней и одной минуты соответственно. Протактиний-234 распадается до урана-234, период полураспада которого составляет сотни тысячелетий, и этот изотоп не достигает равновесной концентрации в течение очень долгого времени. Когда два первых изотопа в цепочке распада достигают своих относительно небольших равновесных концентраций, образец изначально чистого 238 U будет излучать в три раза больше излучения, чем самого 238 U, и большая часть этого излучения - это бета-частицы.
Как уже упоминалось выше, если начинать с чистого 238 U, в человеческой шкале времени равновесие применяется только к первым трем ступеням в цепочке распада. Таким образом, для одного моля 238 U, 3 × 10 6 раз в секунду образуются одна альфа, две бета-частицы и гамма-излучение, вместе 6,7 МэВ, мощностью 3 мкВт. Экстраполированный на 2 × 10 17 секунд, это 600 гигаджоулей, полная энергия, выделяемая на первых трех этапах цепочки распада.
Содержание 238 U и его распад на дочерние изотопы включает несколько методов «датирования урана» и является одним из наиболее распространенных радиоактивных изотопов, используемых при радиометрическом датировании. Самый распространенный метод датирования - это датирование ураном и свинцом, которое используется для датировки горных пород старше 1 миллиона лет и позволяет определить возраст самых старых горных пород на Земле в 4,4 миллиарда лет.
Соотношение между 238 U и 234 U указывает на возраст отложений и морской воды от 100 000 до 1 200 000 лет.
238 U дочернего продукт, 206 Pb, является составной частью ведущих отведений знакомства, который является самым известным для определения возраста Земли.
Космические аппараты программы « Вояджер» несут небольшие количества изначально чистого 238 U на обложках своих золотых записей, чтобы таким же образом облегчить датировку.
![{\ displaystyle {\ begin {array} {l} {} \\ {\ ce {^ {238} _ {92} U -gt; [\ alpha] [4.468 \ times 10 ^ {9} \ {\ ce {y }}] {^ {234} _ {90} Th} -gt; [\ beta ^ {-}] [24.1 \ {\ ce {d}}] {^ {234 \! M} _ {91} Pa}} } {\ begin {Bmatrix} {\ ce {-gt; [0,16 \%] [1,17 \ {\ ce {min}}] {^ {234} _ {91} Па} -gt; [\ beta ^ {-}] [6.7 \ {\ ce {h}}]}} \\ {\ ce {-gt; [99.84 \% \ \ beta ^ {-}] [1.17 \ {\ ce {min}}]}} \ end {Bmatrix }} {\ ce {^ {234} _ {92} U -gt; [\ alpha] [2,445 \ times 10 ^ {5} \ {\ ce {y}}] {^ {230} _ {90} Th} -gt; [\ alpha] [7,7 \ times 10 ^ {4} \ {\ ce {y}}] {^ {226} _ {88} Ra} -gt; [\ alpha] [1600 \ {\ ce {y} }] {^ {222} _ {86} Rn}}} \\ {\ ce {^ {222} _ {86} Rn -gt; [\ alpha] [3.8235 \ {\ ce {d}}] {^ { 218} _ {84} Po} -gt; [\ alpha] [3.05 \ {\ ce {min}}] {^ {214} _ {82} Pb} -gt; [\ beta ^ {-}] [26.8 \ { \ ce {min}}] {^ {214} _ {83} Bi} -gt; [\ beta ^ {-}] [19.9 \ {\ ce {min}}] {^ {214} _ {84} Po} -gt; [\ alpha] [164.3 \ \ mu {\ ce {s}}] {^ {210} _ {82} Pb} -gt; [\ beta ^ {-}] [22.26 \ {\ ce {y}} ] {^ {210} _ {83} Bi} -gt; [\ beta ^ {-}] [5.012 \ {\ ce {d}}] {^ {210} _ {84} Po} -gt; [\ alpha] [138,38 \ {\ ce {d}}] {^ {206} _ {82} Pb}}} \ end {array}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7d4a6b569c9091350491c0f9bb9b1f196bd10a57)