Уран-235

Ура́н-235 (Шаблон:Lang-en), историческое название актиноура́н (Шаблон:Lang-la, 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 в США Артуром Демпстером.

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

Активность одного грамма данного нуклида составляет приблизительно 80 кБк.

Именно этот изотоп использовался в бомбе «Малыш» при ядерной бомбардировке Хиросимы.

Образование и распад

Уран-235 образуется в результате следующих распадов:

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

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{1}}\mathrm{P}\mathrm{a}\to 7{}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}+e^{-}+{\overline{\nu }}_e;$

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

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p}+e^{-}\to {}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}+{\overline{\nu }}_e;$

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

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}\to {}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}+{}^{\mathrm{4}}{}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{e}.$

Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:

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

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}\to {}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{1}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{0}}\mathrm{T}\mathrm{h}+{}^{\mathrm{4}}{}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{e};$

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

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}\to {}^{\mathrm{2}\mathrm{1}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{8}\mathrm{2}}\mathrm{P}\mathrm{b}+{}^{\mathrm{2}\mathrm{0}}{}_{\mathrm{1}\mathrm{0}}\mathrm{N}\mathrm{e};$

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}\to {}^{\mathrm{2}\mathrm{1}\mathrm{0}}{}_{\mathrm{8}\mathrm{2}}\mathrm{P}\mathrm{b}+{}^{\mathrm{2}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{1}\mathrm{0}}\mathrm{N}\mathrm{e};$

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}\to {}^{\mathrm{2}\mathrm{0}\mathrm{7}}{}_{\mathrm{8}\mathrm{0}}\mathrm{H}\mathrm{g}+{}^{\mathrm{2}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{1}\mathrm{2}}\mathrm{M}\mathrm{g}.$

Вынужденное деление

Файл:Uranium-235 fission products yields log scale.png

Кривая выхода продуктов деления урана-235 для различных энергий делящих нейтронов

В начале 1930-х годов Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами, преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы. Но в 1939 году 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, такая тенденция наблюдается у всех делящихся изотопов и не связана с какими-то индивидуальными свойствами ядер или частиц, а присуща самому механизму деления ядра. Однако асимметрия уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра, и при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра.

Один из вариантов вынужденного деления урана-235 после поглощения нейтрона (схема)

Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и подвергаются цепочке β⁻-распадов, при которых постепенно в течение длительного времени выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244Шаблон:E Дж, или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг.

Деление ядер — лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора.

Цепная ядерная реакция

Шаблон:Main При распаде одного ядра ²³⁵U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем – 2,416) свободных нейтронов. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра ²³⁵U, при условии взаимодействия с другим ядром ²³⁵U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра.

Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата ²³⁵U, или будучи захваченными как самим изотопом ²³⁵U с превращением его в ²³⁶U, так и иными материалами (например, ²³⁸U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как ¹⁴⁹Sm или ¹³⁵Xe).

Если в среднем каждый акт деления порождает ещё один новый акт деления, то реакция становится самоподдерживающейся; это состояние называется критическим (см. также Коэффициент размножения нейтронов).

В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, поскольку на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из ²³⁵U, 99,2745 % составляет ²³⁸U, который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер ²³⁵U. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями:

• увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
• осуществить разделение изотопов, повысив концентрацию ²³⁵U в образце;
• уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
• использовать вещество — замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов.

Изомеры

Известен единственный изомер ^235mU 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
• Разделение изотопов