Uran-238 - Uranium-238
Ogólny | |
---|---|
Symbol | 238 U |
Nazwy | uran-238, U-238 |
Protony | 92 |
Neutrony | 146 |
Dane nuklidów | |
Naturalna obfitość | 99,2745% |
Pół życia | 4,468 miliarda lat |
Izotopy macierzyste |
242 Pu ( α ) 238 Pa ( β − ) |
Produkty rozpadu | 234 Th |
Masa izotopowa | 238.05078826 u |
Kręcić się | 0 |
Tryby zaniku | |
Tryb zaniku | Energia rozpadu ( MeV ) |
rozpad alfa | 4.267 |
Izotopy uranu Kompletna tabela nuklidów |
Uran-238 ( 238 U lub U-238) jest najczęstszą izotopów z uranu w naturze, o względnej obfitości 99%. W przeciwieństwie do uranu-235 jest nierozszczepialny, co oznacza, że nie może podtrzymywać reakcji łańcuchowej w reaktorze termiczno-neutronowym . Jest jednak rozszczepialny przez prędkie neutrony i jest płodny , co oznacza, że można go transmutować do rozszczepialnego plutonu-239 . 238 U nie może wspierać reakcji łańcuchowej, ponieważ nieelastyczne rozpraszanie zmniejsza energię neutronów poniżej zakresu, w którym prawdopodobne jest szybkie rozszczepienie jednego lub więcej jąder nowej generacji. Rozszerzenie Dopplera o 238 ù w absorpcji neutronów rezonansów , co zwiększa wchłanianie w miarę wzrostu temperatury paliwa, jest również niezbędne informacje zwrotne ujemne mechanizm regulacji reaktora.
Około 99,284% naturalnej masy uranu to uran-238, którego okres półtrwania wynosi 1,41 × 10 17 sekund (4,468 × 10 9 lat lub 4,468 miliarda lat). Ze względu na swoją naturalną obfitość i okres półtrwania w stosunku do innych pierwiastków radioaktywnych , 238 U wytwarza ~40% radioaktywnego ciepła wytwarzanego na Ziemi. 238 U łańcuch rozpad przyczynia 6 elektronów anty-neutrina na 238 U pierścienia (1 za rozpadu beta ), w wyniku dużej wykrywalnego geoneutrino sygnału, gdy występują rozpada się w ziemi. Rozpad 238 U na izotopy potomne jest szeroko stosowany w datowaniu radiometrycznym , szczególnie w przypadku materiałów starszych niż ~ 1 milion lat.
Uran zubożony ma jeszcze wyższe stężenie izotopu 238 U, a nawet uranu niskowzbogaconego (LEU), przy wyższym udziale izotopu uranu-235 (w porównaniu do uranu zubożonego), to nadal głównie 238 U. Uran przetworzony to również głównie 238 U, z około taką samą ilością uranu-235 jak uran naturalny, porównywalna proporcja uranu-236 i znacznie mniejsze ilości innych izotopów uranu, takich jak uran-234 , uran-233 i uran-232 .
Zastosowania energii jądrowej
W reaktorze jądrowym do rozszczepienia , uran-238 może być użyty do wytwarzania plutonu-239 , który sam może być użyty w broni jądrowej lub jako źródło paliwa reaktora jądrowego. W typowym reaktorze jądrowym nawet jedna trzecia wytwarzanej energii pochodzi z rozszczepienia 239 Pu, które nie jest dostarczane jako paliwo do reaktora, ale produkowane z 238 U.
Reaktory hodowlane
238 U nie nadaje się do bezpośredniego wykorzystania jako paliwo jądrowe , chociaż może wytwarzać energię poprzez „szybkie” rozszczepienie . W tym procesie neutron o energii kinetycznej przekraczającej 1 MeV może spowodować rozszczepienie jądra 238 U na dwie części. W zależności od projektu, proces ten może mieć udział od jednego do dziesięciu procent wszystkich reakcji rozszczepienia w reaktorze, ale zbyt mało ze średnich 2,5 neutronów wytwarzanych w każdym rozszczepieniu ma wystarczającą prędkość, aby kontynuować reakcję łańcuchową.
238 U może służyć jako materiał źródłowy do wytwarzania plutonu-239, który z kolei może być wykorzystany jako paliwo jądrowe. Reaktory rozrodcze przeprowadzają taki proces transmutacji, aby przekształcić płodny izotop 238 U w rozszczepialny 239 Pu. Szacuje się , że w tych elektrowniach istnieje od 10 000 do 5 miliardów lat 238 jednostek . Technologia hodowcy została wykorzystana w kilku eksperymentalnych reaktorach jądrowych.
Do grudnia 2005 r. jedynym reaktorem reprodukcyjnym produkującym energię był 600-megawatowy reaktor BN-600 w elektrowni jądrowej Beloyarsk w Rosji. Rosja zbudowała później kolejną jednostkę, BN-800 , w elektrowni jądrowej w Biełojarsku, która została w pełni uruchomiona w listopadzie 2016 r. Zamówiono również japoński reaktor podawczy Monju , który był nieczynny przez większość czasu od czasu jego budowy w 1986 r. do wycofania z eksploatacji w 2016 r., po odkryciu zagrożeń bezpieczeństwa i projektowych, z terminem zakończenia ustalonym na 2047 r. Zarówno Chiny, jak i Indie ogłosiły plany budowy reprodukcyjnych reaktorów jądrowych.
Reaktor powielający, jak sama nazwa wskazuje, wytwarza jeszcze większe ilości 239 Pu lub 233 U niż reaktor jądrowy z rozszczepieniem.
Czyste i ekologicznie bezpieczne zaawansowane Reactor (CEZAR), koncepcja reaktora jądrowego, które wykorzystują parę jako moderator kontrolować neutron opóźniony , będą potencjalnie być w stanie wykorzystać 238 U jako paliwo gdy reaktor zostanie uruchomiony z nisko wzbogaconego uranu (LEU) paliwo. Ten projekt jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju.
Ekranowanie przed promieniowaniem
238 U jest również używany jako osłona przed promieniowaniem – jego promieniowanie alfa jest łatwo zatrzymywane przez nieradioaktywną obudowę osłony, a duża masa atomowa uranu i duża liczba elektronów są bardzo skuteczne w pochłanianiu promieni gamma i rentgenowskich . Nie jest tak skuteczny jak zwykła woda do zatrzymywania prędkich neutronów . Do ochrony przed promieniowaniem stosuje się zarówno metaliczny zubożony uran, jak i zubożony dwutlenek uranu . Uran jest około pięć razy lepszy jako osłona przed promieniowaniem gamma niż ołów , więc osłona z taką samą skutecznością może być upakowana w cieńszą warstwę.
DUCRETE , beton wykonany z kruszywa z dwutlenku uranu zamiast żwiru, jest badany jako materiał do systemów przechowywania w suchych beczkach do przechowywania odpadów radioaktywnych .
Downblendowanie
Przeciwieństwem wzbogacania jest downblendowanie . Nadmiar wysoko wzbogaconego uranu można zmieszać ze zubożonym lub naturalnym uranem, aby przekształcić go w uran nisko wzbogacony nadający się do wykorzystania w komercyjnym paliwie jądrowym.
238 U ze zubożonego uranu i uranu naturalnego jest również używany z recyklowanym 239 Pu z zapasów broni jądrowej do produkcji paliwa mieszanego tlenkowego (MOX), które jest obecnie przerabiane na paliwo do reaktorów jądrowych. To rozcieńczenie, zwane również downblendowaniem, oznacza, że każdy naród lub grupa, która pozyskała gotowe paliwo, musiałaby powtórzyć bardzo kosztowny i złożony proces chemicznego oddzielania uranu i plutonu przed montażem broni.
Bronie nuklearne
Większość nowoczesnych broni jądrowych wykorzystuje 238 U jako materiał „sabotażowy” (patrz konstrukcja broni jądrowej ). Ubijak, który otacza rdzeń rozszczepialny, odbija neutrony i zwiększa bezwładność kompresji ładunku 239 Pu. Dzięki temu zwiększa skuteczność broni i zmniejsza wymaganą masę krytyczną . W przypadku broni termojądrowej , 238 U może być użyte do osłony paliwa fuzyjnego, wysoki strumień bardzo energetycznych neutronów z powstałej reakcji fuzji powoduje rozszczepienie jąder 238 U i dodaje więcej energii do „wydajności” broni. Taka broń jest określana jako broń rozszczepiania, syntezy i rozszczepiania, po kolejności, w jakiej ma miejsce każda reakcja. Przykładem takiej broni jest Zamek Bravo .
Większa część całkowitego uzysku materiału wybuchowego w tym projekcie pochodzi z końcowego etapu rozszczepienia napędzanego przez 238 jednostek, wytwarzając ogromne ilości radioaktywnych produktów rozszczepienia . Na przykład, szacunkowo 77% 10,4- megatonowej wydajności testu termojądrowego Ivy Mike'a w 1952 r. pochodziło z szybkiego rozszczepienia ubijaka ze zubożonego uranu . Ponieważ zubożony uran nie ma masy krytycznej, może być dodawany do bomb termojądrowych w niemal nieograniczonej ilości. ZSRR test „s z Car Bomba w 1961 roku produkowane«tylko»50 megaton siły wybuchowej, z czego ponad 90% pochodziło z rozszczepienia spowodowanego neutronów fuzyjnych dostarczone, ponieważ 238 końcowy etap U zostało zastąpione ołowiu. Gdyby zamiast tego użyto 238 U, wydajność Car Bomby mogłaby znacznie przekroczyć 100 megaton i wytworzyłaby ona opad jądrowy równy jednej trzeciej globalnej ilości wyprodukowanej do tego czasu.
Seria radowa (lub seria uranowa)
Łańcuch rozpad od 238 U jest powszechnie nazywany „ serii rad ” (czasami „seria uran”). Począwszy od naturalnie występującego uranu-238, seria ta obejmuje następujące pierwiastki: astat , bizmut , ołów , polon , protaktyn , rad , radon , tal i tor . Wszystkie produkty rozpadu są obecne, przynajmniej przejściowo, w dowolnej próbce zawierającej uran, metal, związek lub minerał. Rozpad przebiega jako:
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Średni czas od 238 U wynosi 1,41 x 10 17 sekund podzielone przez 0,693 (lub) pomnożone przez 1,443, czyli ok 2 x 10 17 sekund, dlatego 1 mol z 238 U wysyła 3 x 10 6 cząstki alfa na sekundę, do tego samego numeru toru-234 węgla . W układzie zamkniętym równowaga zostałaby osiągnięta ze wszystkimi ilościami z wyjątkiem ołowiu-206 i 238 U w stałych proporcjach, w powoli malejących ilościach. Ilość 206 Pb odpowiednio wzrośnie, podczas gdy ilość 238 U zmniejszy się; Wszystkie etapy w wyniku rozpadu mieć tę samą szybkość 3 x 10 6 rozpadających się cząstek na sekundę na mol 238 U.
Tor-234 ma średnią żywotność 3 x 10 6 sekund, więc istnieje równowaga, jeżeli jeden mol 238 U zawiera 9 x 10 12 atomów toru-234, który wynosi 1,5 x 10 - 11 mol (stosunek dwóch pół -zyje). Podobnie w równowadze w układzie zamkniętym ilość każdego produktu rozpadu, z wyjątkiem ołowiu produktu końcowego, jest proporcjonalna do jego okresu półtrwania.
Podczas gdy 238 U jest minimalnie radioaktywne, jego produkty rozpadu, tor-234 i protaktyn-234, są emiterami cząstek beta z okresami półtrwania wynoszącymi odpowiednio około 20 dni i jedną minutę. Protaktyn-234 rozpada się na uran-234, którego okres półtrwania wynosi setki tysiącleci, a izotop ten przez bardzo długi czas nie osiąga stężenia równowagi. Kiedy dwa pierwsze izotopy w łańcuchu rozpadu osiągną stosunkowo niewielkie stężenia w równowadze, próbka początkowo czystego 238 U wyemituje promieniowanie trzykrotnie większe od samego 238 U, a większość tego promieniowania to cząstki beta.
Jak już wspomniano powyżej, zaczynając od czystego 238 U, w ludzkiej skali czasu równowaga dotyczy tylko pierwszych trzech stopni w łańcuchu rozpadu. Tak więc, na jeden mol 238 U, 3 x 10 6 razy w jednym drugim alfa i dwie promieniowanie beta i gamma, promieniowania wytwarza się razem 6,7 MeV, stopień 3 uW. Ekstrapolowana w ciągu 2 × 10 17 sekund jest to 600 gigadżuli, całkowita energia uwolniona w pierwszych trzech etapach łańcucha rozpadu.
Radioaktywne randki
238 Obfitość U i jej rozpad na izotopy potomne obejmuje wiele technik „datowania uranowego” i jest jednym z najpowszechniej stosowanych izotopów promieniotwórczych w datowaniu radiometrycznym . Najpopularniejszą metodą datowania jest datowanie uranowo-ołowiowe , które służy do datowania skał starszych niż 1 milion lat i podaje wiek najstarszych skał na Ziemi, mających 4,4 miliarda lat.
Zależność między 238 U i 234 U wskazuje na wiek osadów i wody morskiej w wieku od 100 000 do 1 200 000 lat.
Produkt potomny 238 U, 206 Pb, jest integralną częścią datowania ołowiowo-ołowiowego , które jest najbardziej znane z określania wieku Ziemi .
The Voyager Program kosmiczny carry małe ilości początkowo czystego 238 U na okładkach swoich złotych płyt w celu ułatwienia randki w ten sam sposób.
Zobacz też
Bibliografia
Zewnętrzne linki