Уран-235

Шаблон:Изотоп Ура́н-235 (англ. uranium-235), историческое название актиноура́н (лат. Actin Uranium, обозначается символом AcU) — радиоактивный нуклид химического элемента урана с атомным номером 92 и массовым числом 235. Изотопная распространённость урана-235 в природе составляет 0,7200(51) %. Является родоначальником радиоактивного семейства 4n+3, называемого рядом актиния. Открыт в 1935 году Артуром Демпстером (англ. Arthur Jeffrey Dempster).

В отличие от другого, наиболее распространенного изотопа урана ²³⁸U, в ²³⁵U возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии.

Образование и распад

Уран-235 образуется в результате следующих распадов:

• β⁻-распад нуклида ²³⁵Pa (период полураспада составляет 24,44(11) мин):

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

• K-захват, осуществляемый нуклидом ²³⁵Np (период полураспада составляет 396,1(12) дня):

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

• α-распад нуклида ²³⁹Pu (период полураспада составляет 2,411(3)⋅10⁴ лет):

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

Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:

• α-распад в ²³¹Th (вероятность 100 %, энергия распада 4 678,3(7) кэВ):

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

• Спонтанное деление (вероятность 7(2)⋅10⁻⁹ %);
• Кластерный распад с образованием нуклидов ²⁰Ne, ²⁵Ne и ²⁸Mg (вероятности соответственно составляют 8(4)⋅10⁻¹⁰ %, 8⋅10⁻¹⁰ %, 8⋅10⁻¹⁰ %):

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

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

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

Вынужденное деление

Кривая выхода продуктов деления урана-235 при облучении его тепловыми нейтронами

В начале 1930-х гг. Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами, преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы. Но в 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман смогли показать, что при поглощении нейтрона ядром урана происходит вынужденная реакция деления. Как правило, ядро делится на два осколка, при этом высвобождается 2-3 нейтрона (см. схему).

В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов: от Z=30 (цинк) до Z=64 (гадолиний). Кривая зависимости относительного выхода изотопов, образующихся при облучении урана-235 медленными нейтронами, от массового числа — симметрична и по форме напоминает букву «M». Два выраженных максимума этой кривой соответствуют массовым числам 95 и 134, а минимум приходится на диапазон массовых чисел от 110 до 125. Таким образом, деление урана на осколки равной массы (с массовыми числами 115—119) происходит с меньшей вероятностью, чем асимметричное деление.

Вынужденное деление урана-235 после поглощения нейтрона (схема)

Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и при их распаде выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244⋅10⁻¹¹ Дж, или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг.

Иногда поглощение нейтрона не приводит к вынужденному делению ядра, в этом случае образуется ядро урана-236 в возбужденном состоянии.

Цепная ядерная реакция

Основная статья: Цепная ядерная реакция

Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра урана-235, при попадании в другое ядро может вызвать его распад, тогда количество нейтронов после второго этапа распада ядер будет равно 2,5² = 6,25. С каждым последующим этапом количество образующихся нейтронов будет нарастать лавинообразно. Это явление и называется цепной ядерной реакцией. Если такая реакция является самоподдерживающейся, то она называется критической (критическое состояние); масса вещества (в данном случае урана), необходимая для создания критического состояния, называется критической массой. Однако в реальных условиях достичь критического состояния не так просто, так как на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из ²³⁵U, 99,2745 % составляет уран-238, который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер урана-235. Кроме того, при распаде ²³⁵U образуются быстрые нейтроны, в то время как сечение поглощения быстрого нейтрона ядром ²³⁵U с последующим делением существенно ниже по сравнению с сечением деления под воздействием тепловых нейтронов. Это приводит к тому, что в природном уране цепная реакция очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию можно несколькими основными путями:

• Осуществить разделение изотопов, повысив таким образом содержание урана-235 в образце. В этом случае потеря нейтронов будет происходить лишь через поверхность образца. Эту потерю можно предотвратить с помощью различного рода отражателей. Тем не менее, возможно достижение критического состояния и без использования отражателей — за счет увеличения количества вещества до значения, превышающего значение критической массы;
• Замедлить нейтроны, выделяющиеся при делении. Сечение захвата тепловых нейтронов ураном-238 невелико (в отличие от урана-235), следовательно большая часть нейтронов будет расходоваться на взаимодействие с ядрами урана-235.

Изомеры

Известен единственный изомер ²³⁵U^m со следующими характеристиками:

• Избыток массы: 40 920,6(1,8) кэВ
• Энергия возбуждения: 76,5(4) эВ
• Период полураспада: 26 мин
• Спин и чётность ядра: 1/2⁺

Распад изомерного состояния осуществляется путём изомерного перехода в основное состояние.

Применение

• Уран-235 используется в качестве топлива для ядерных реакторов, в которых осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления;
• Уран с высокой степенью обогащения применяется для создания ядерного оружия. В этом случае для высвобождения большого количества энергии (взрыва) используется неуправляемая цепная ядерная реакция.

См. также

Изотопы урана