Uraniu-235

Uraniul-235 ( în engleză uraniu-235 ), denumirea istorică actinouran ( latină Actin Uranium , notat cu simbolul AcU ) este un nuclid radioactiv al elementului chimic uraniu cu număr atomic 92 și număr de masă 235. Abundența izotopică a uraniului-235 în natură este de 0,7200 (51) % [2] . Este strămoșul familiei radioactive 4n + 3, numită seria actiniului . Deschis în 1935 în SUA de Arthur Dempster ( ing. Arthur Jeffrey Dempster ) [3] [4] .

Spre deosebire de altul, cel mai comun izotop al uraniului 238 U , reacția nucleară în lanț auto-susținută este posibilă în 235 U. Prin urmare, acest izotop este folosit ca combustibil în reactoarele nucleare , precum și în armele nucleare .

Activitatea unui gram din acest nuclid este de aproximativ 80 kBq .

Acest uraniu a fost folosit în bombardamentul nuclear de la Hiroshima , în bomba " Kid " .

Formare și dezintegrare

Uraniul-235 se formează ca urmare a următoarelor descompunere:

β − -dezintegrarea nuclidului 235 Pa ( timpul de înjumătățire este de 24,44(11) [2] min):

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

Captarea K de către nuclidul 235 Np (timp de înjumătățire este de 396,1(12) [2] zile):

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

Dezintegrarea α a nuclidului 239 Pu (timp de înjumătățire este 2,411(3)⋅10 4 [2] ani):

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

Dezintegrarea uraniului-235 are loc în următoarele moduri:

α-degradare în 231 Th (probabilitate 100% [2] , energie de dezintegrare 4 678,3(7) keV [1] ):

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

Fisiune spontană (probabilitate 7(2)⋅10 −9 %) [2] ;
Dezintegrarea clusterelor cu formarea nuclizilor 20 Ne , 25 Ne și 28 Mg (probabilitățile sunt 8(4)⋅10 −10 %, 8⋅10 −10 %, respectiv 8⋅10 −10 % ) [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}}.

Împărțire forțată

La începutul anilor 1930, Enrico Fermi a efectuat iradierea uraniului cu neutroni , cu scopul de a obține elemente transuraniu în acest mod . Dar în 1939, O. Hahn și F. Strassmann au reușit să arate că atunci când un neutron este absorbit de un nucleu de uraniu, are loc o reacție de fisiune forțată. De regulă, nucleul este împărțit în două fragmente, cu eliberarea a 2-3 neutroni (vezi diagrama) [5] .

Aproximativ 300 de izotopi ai diferitelor elemente au fost găsiți în produsele de fisiune ai uraniului-235, variind de la Z =30 ( zinc ) la Z =64 ( gadoliniu ). Curba de dependență a randamentului relativ al izotopilor formați în timpul iradierii uraniului-235 cu neutroni lenți de numărul de masă este simetrică și seamănă cu forma literei „M”. Cele două maxime pronunțate ale acestei curbe corespund numerelor de masă 95 și 134, iar minimul se încadrează în intervalul numerelor de masă de la 110 la 125. Astfel, are loc fisiunea uraniului în fragmente de masă egală (cu numerele de masă 115-119). cu o probabilitate mai mică decât fisiunea asimetrică [ 5] , o astfel de tendință se observă la toți izotopii fisionali și nu este asociată cu nicio proprietate individuală a nucleelor sau particulelor, dar este inerentă în însuși mecanismul fisiunii nucleare. Cu toate acestea, asimetria scade odată cu creșterea energiei de excitație a nucleului fisionabil, iar la o energie neutronică mai mare de 100 MeV , distribuția de masă a fragmentelor de fisiune are un maxim corespunzător fisiunii simetrice a nucleului.

Fragmentele formate în timpul fisiunii nucleului de uraniu, la rândul lor, sunt radioactive și suferă un lanț de descompunere β , în care energie suplimentară este eliberată treptat pe o perioadă lungă de timp. Energia medie eliberată în timpul dezintegrarii unui nucleu de uraniu-235, ținând cont de dezintegrarea fragmentelor, este de aproximativ 202,5 MeV = 3,244⋅10 −11 J , sau 19,54 TJ/ mol = 83,14 TJ/kg [6] .

Fisiunea nucleară este doar unul dintre multele procese care sunt posibile în timpul interacțiunii neutronilor cu nucleele; acesta este procesul care stă la baza funcționării oricărui reactor nuclear [7] .

Reacție nucleară în lanț

În timpul dezintegrarii unui nucleu de 235 U, de la 1 la 8 (în medie - 2,416) neutroni liberi sunt de obicei emiși. Fiecare neutron format în timpul dezintegrarii nucleului de 235 U, supus interacțiunii cu un alt nucleu de 235 U, poate provoca un nou eveniment de dezintegrare, acest fenomen se numește reacție în lanț de fisiune nucleară .

Ipotetic, numărul de neutroni din a doua generație (după a doua etapă de dezintegrare nucleară) poate depăși 3² = 9. Cu fiecare etapă ulterioară a reacției de fisiune, numărul de neutroni produși poate crește ca o avalanșă. În condiții reale, este posibil ca neutronii liberi să nu genereze un nou eveniment de fisiune, părăsind proba înainte de captarea de 235 U, sau fiind capturați atât de izotopul de 235 U însuși cu transformarea sa în 236 U, cât și de alte materiale (de exemplu, 238 U). U, sau prin fragmentele de fisiune nucleară rezultate, cum ar fi 149 Sm sau 135 Xe).

Dacă, în medie, fiecare fisiune generează o altă fisiune nouă, atunci reacția devine auto-susținută; această stare se numește critică (vezi și factorul de multiplicare a neutronilor ).

În condiții reale, atingerea stării critice a uraniului nu este atât de ușoară, deoarece o serie de factori afectează cursul reacției. De exemplu, uraniul natural este format din doar 0,72% 235 U, 99,2745% este 238 U [2] , care absoarbe neutronii produși în timpul fisiunii nucleelor de 235 U. reacția de fisiune se descompune foarte repede. Există mai multe modalități principale de a efectua o reacție continuă în lanț de fisiune [5] :

mărirea volumului probei (pentru uraniul extras din minereu, este posibil să se realizeze o masă critică datorită creșterii volumului);
efectuați separarea izotopilor prin creșterea concentrației de 235 U în probă;
reduce pierderea de neutroni liberi prin suprafața probei prin utilizarea diferitelor tipuri de reflectoare;
utilizați o substanță moderatoare de neutroni pentru a crește concentrația de neutroni termici .

Izomeri

Singurul izomer 235m U este cunoscut cu următoarele caracteristici [2] :

Masa în exces: 40920,6(1,8) keV
Energia de excitare: 76,5(4) eV
Timp de înjumătățire: 26 min
Spinul și paritatea nucleului: 1/2 +

Dezintegrarea stării izomerice se realizează prin tranziția izomeră la starea fundamentală.

Aplicație

Uraniul-235 este folosit ca combustibil pentru reactoarele nucleare care efectuează o reacție controlată de fisiune în lanț;
Uraniul foarte îmbogățit este folosit pentru a crea arme nucleare . În acest caz, o reacție nucleară necontrolată în lanț este utilizată pentru a elibera o cantitate mare de energie (o explozie) .

Vezi și

Note

↑ 1 2 3 4 5 Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. Evaluarea masei atomice AME2003 (II). Tabele, grafice și referințe (engleză) // Fizica nucleară A . - 2003. - Vol. 729 . - P. 337-676 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . - Cod .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A . - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - Cod biblic .
↑ Hoffman K. Este posibil să faci aur? - Ed. a II-a. sters - L . : Chimie, 1987. - S. 130. - 232 p. — 50.000 de exemplare. Arhivat la 9 ianuarie 2009 la Wayback Machine . Copie arhivată (link indisponibil) . Data accesului: 26 decembrie 2009. Arhivat din original la 9 ianuarie 2009. (nedefinit)
↑ Astăzi în istoria științei . Consultat la 26 decembrie 2009. Arhivat din original pe 13 iunie 2002. (nedefinit)
↑ 1 2 3 Fialkov Yu. Ya. Aplicarea izotopilor în chimie și industria chimică. - Kiev: Tekhnika, 1975. - S. 87. - 240 p. - 2000 de exemplare.
↑ Tabelul constantelor fizice și chimice, Sec. 4.7.1: Fisiune nucleară (link indisponibil) . Kaye & Laby Online. Data accesului: 26 decembrie 2009. Arhivat din original pe 5 martie 2010. (nedefinit)
↑ Bartolomey G. G., Baibakov V. D., Alkhutov M. S., Bat G. A. Fundamentele teoriei și metodelor de calcul al reactoarelor nucleare. - M . : Energoatomizdat, 1982. - S. 512.