Уран-235

Уран-235 Таблица нуклидов
Общие сведения
Название, символ	Уран-235, 235U
Альтернативные названия	актиноура́н, AcU
Нейтронов	143
Протонов	92
Свойства нуклида
Атомная масса	235,0439299(20)[1] а. е. м.
Избыток массы	40 920,5(18)[1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	7 590,907(8)[1] кэВ
Изотопная распространённость	0,7200(51) %[2]
Период полураспада	7,04(1)·108[2] лет
Продукты распада	231Th
Родительские изотопы	ε) 239Pu (α)
Спин и чётность ядра	7/2−[2]
Канал распада	Энергия распада
α-распад	4,6783(7)[1] МэВ
SF
20Ne, 25Ne, 28Mg

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) %^[2]. Является родоначальником радиоактивного семейства 4n+3, называемого рядом актиния. Открыт в 1935 году Артуром Демпстером (англ. Arthur Jeffrey Dempster)^[3][4].

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.

Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 80 кБк.

Образование и распад

Уран-235 образуется в результате следующих распадов:

• β⁻-распад нуклида [2] мин):

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

• K-захват, осуществляемый нуклидом [2] дня):

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

• α-распад нуклида ²³⁹Pu (период полураспада составляет 2,411(3)·10^4[2] 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 %^[2], энергия распада 4 678,3(7) кэВ^[1]):

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

• Спонтанное деление (вероятность 7(2)·10⁻⁹ %)^[2];
• Кластерный распад с образованием нуклидов ²⁰Ne, [2]:

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

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

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

Вынужденное деление

Основная статья: Деление ядра

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

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)^[5].

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^[5], 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 = 3,244·10⁻¹¹ Дж, или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг^[6].

Деление ядер — лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора^[7].

Цепная ядерная реакция

Основная статья: Цепная ядерная реакция

При распаде одного ядра ²³⁵U обычно испускается 2-3 нейтрона (в среднем за акт деления возникает 2.5 свободных нейтрона). Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра ²³⁵U, при попадании в другое ядро ²³⁵U может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной ядерной реакцией.

Гипотетически, количество нейтронов после второго этапа распада ядер может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата ²³⁵U или будучи захвачены иными материалами (например, ²³⁸U).

Если в среднем каждый акт деления порождает 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^[2], который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер ²³⁵U. Кроме того, при распаде ²³⁵U образуются быстрые нейтроны, в силу особенностей соотношения сечений захвата ²³⁵U и ²³⁸U, при снижении скорости свободных нейтронов (образовании тепловых нейтронов) - реактивность материала возрастает. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию можно несколькими основными путями^[5]:

• Увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
• Осуществить разделение изотопов, повысив содержание ²³⁵U в образце;
• Сократить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
• Использовать замедлитель для повышения концентрации тепловых нейтронов.

Изомеры

Известен единственный изомер ²³⁵U^m со следующими характеристиками^[2]:

• 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

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4 5} G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references.». Nuclear Physics A 729: 337—676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
2. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12} G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
3. ↑ Гофман К. Можно ли сделать золото? — 2-е изд. стер. — Л.: Химия, 1987. — С. 130. — 232 с. — 50 000 экз.
4. ↑ Today in science history
5. ↑ ^{1 2 3} Фиалков Ю. Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности. — Киев: Техніка, 1975. — С. 87. — 240 с. — 2 000 экз.
6. ↑ Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission. Kaye & Laby Online. Архивировано из первоисточника 8 апреля 2012.
7. ↑ Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — М.: Энергоатомиздат, 1982. — С. 512.

Легче: уран-234	Уран-235 является изотопом урана	Тяжелее: уран-236
Изотопы элементов · Таблица нуклидов