Изотопы урана - Википедия - Isotopes of uranium

Основные изотопы уран  (92U)
ИзотопРазлагаться
изобилиепериод полураспада (т1/2)Режимпродукт
232Uсин68,9 годаSF–
α228Чт
233Uслед1.592×105 ySF–
α229Чт
234U0.005%2.455×105 ySF–
α230Чт
235U0.720%7.04×108 ySF–
α231Чт
236Uслед2.342×107 ySF–
α232Чт
238U99.274%4.468×109 yα234Чт
SF–
β−β−238Пу
Стандартный атомный вес Аr, стандарт(U)
  • 238.02891(3)[1]

Уран (92U) является естественным радиоактивный элемент, который не имеет стабильный изотоп. Имеет два первичные изотопы, уран-238 и уран-235, которые давно период полураспада и находятся в заметном количестве в земной коры. В продукт распада уран-234 тоже встречается. Другие изотопы, такие как уран-233 были произведены в реакторы-размножители. Помимо изотопов, встречающихся в природе или ядерных реакторах, были произведены многие изотопы с гораздо более короткими периодами полураспада, начиная от 215U к 242U (за исключением 220U и 241U). В стандартный атомный вес из природный уран является 238.02891(3).

Встречающийся в природе уран состоит из трех основных изотопы, уран-238 (99.2739–99.2752% природное изобилие ), уран-235 (0,7198–0,7202%), и уран-234 (0.0050–0.0059%).[2] Все три изотопа радиоактивный (т.е. они радиоизотопы ), а наиболее распространенным и стабильным является уран-238, имеющий период полураспада из 4.4683×109 годы (близко к возраст Земли ).

Уран-238 - это альфа-излучатель, распадаясь через 18-членный урановая серия в свинец-206. В ряд распада урана-235 (исторически называемый актиноураном) состоит из 15 членов и оканчивается на свинец-207. Постоянные скорости распада в этих рядах делают сравнение соотношений родительских и дочерних элементов полезным в радиометрическое датирование. Уран-233 сделан из торий-232 к нейтрон обстрел.

Уран-235 важен как для ядерные реакторы и ядерное оружие потому что это единственный изотоп, существующий в природе в сколько-нибудь заметной степени, делящийся в ответ на тепловые нейтроны. Уран-238 важен еще и потому, что он плодородный: он поглощает нейтроны, чтобы произвести радиоактивный изотоп, который впоследствии распадается на изотоп плутоний-239, который также является делящимся.

Список изотопов

Нуклид[3]
[n 1]		Исторический
имя		ZNИзотопная масса (Да )[4]
[n 2][n 3]		Период полураспада
Разлагаться
Режим
[n 4]		Дочь
изотоп
[n 5][n 6]		Вращение и
паритет
[n 7][n 8]		Природное изобилие (мольная доля)
Энергия возбуждения[n 8]Нормальная пропорцияДиапазон вариации
215U[5]92123215.026760(90)2,24 мсα211Чт5/2−#
216U[5][6]92124216.024760(30)4,3 мсα212Чт0+
216 кв.м.U[7]1,31 мс8+
217U92125217.02437(9)26 (14) мс
[16 (+ 21−6) мс]		α213Чт1/2−#
218U92126218.02354(3)6 (5) мсα214Чт0+
219U92127219.02492(6)55 (25) мкс
[42 (+ 34−13) мкс]		α215Чт9/2+#
221U[8]92129221.02640(11)#0,66 (14) мксα217Чт(9/2+)
222U92130222.02609(11)#1,4 (7) мкс
[1,0 (+ 10−4) мкс]		α218Чт0+
β+ (10−6%)222Па
223U92131223.02774(8)21 (8) мкс
[18 (+ 10−5) мкс]		α219Чт7/2+#
224U92132224.027605(27)940 (270) мксα220Чт0+
225U92133225.02939#61 (4) мсα221Чт(5/2+)#
226U92134226.029339(14)269 ​​(6) мсα222Чт0+
227U92135227.031156(18)1,1 (1) минα223Чт(3/2+)
β+ (.001%)227Па
228U92136228.031374(16)9,1 (2) минα (95%)224Чт0+
EC (5%)228Па
229U92137229.033506(6)58 (3) минβ+ (80%)229Па(3/2+)
α (20%)225Чт
230U92138230.033940(5)20,8 гα226Чт0+
SF (1.4×10−10%)(разные)
β+β+ (редкий)230Чт
231U92139231.036294(3)4,2 (1) гEC231Па(5/2)(+#)
α (0,004%)227Чт
232U92140232.0371562(24)68.9 (4) летα228Чт0+
CD (8.9×10−10%)208Pb
24Ne
CD (5 × 10−12%)204Hg
28Mg
SF (10−12%)(разные)
233U92141233.0396352(29)1.592(2)×105 yα229Чт5/2+След[n 9]
SF (6 × 10−9%)(разные)
CD (7,2 × 10−11%)209Pb
24Ne
CD (1,3 × 10−13%)205Hg
28Mg
234U[n 10][n 11]Уран II92142234.0409521(20)2.455(6)×105 yα230Чт0+[0.000054(5)][n 12]0.000050–
0.000059
SF (1,73 × 10−9%)(разные)
CD (1,4 × 10−11%)206Hg
28Mg
CD (9 × 10−12%)184Hf
26Ne
24Ne
234 кв.м.U1421.32 (10) кэВ33,5 (20) мс6−
235U[n 13][n 14][n 15]Актин уран
Актино-Уран		92143235.0439299(20)7.04(1)×108 yα231Чт7/2−[0.007204(6)]0.007198–
0.007207
SF (7 × 10−9%)(разные)
CD (8 × 10−10%)186Hf
25Ne
24Ne
235 кв.м.U0,0765 (4) кэВ~ 26 мин.ЭТО235U1/2+
236UТоруран[9]92144236.045568(2)2.342(3)×107 yα232Чт0+След[n 16]
SF (9,6 × 10−8%)(разные)
236м1U1052,89 (19) кэВ100 (4) нс(4)−
236м2U2750 (10) кэВ120 (2) нс(0+)
237U92145237.0487302(20)6,75 (1) дβ−237Np1/2+След[n 17]
238U[n 11][n 13][n 14]Уран I92146238.0507882(20)4.468(3)×109 yα234Чт0+[0.992742(10)]0.992739–
0.992752
SF (5,45 × 10−5%)(разные)
β−β− (2.19×10−10%)238Пу
238 кв.м.U2557,9 (5) кэВ280 (6) нс0+
239U92147239.0542933(21)23,45 (2) минβ−239Np5/2+
239м1U20 (20) # кэВ> 250 нс(5/2+)
239м2U133,7990 (10) кэВ780 (40) нс1/2+
240U92148240.056592(6)14,1 (1) чβ−240Np0+След[n 18]
α (10−10%)236Чт
242U92150242.06293(22)#16,8 (5) минβ−242Np0+
  1. ^ мU - Возбужден ядерный изомер.
  2. ^ () - Неопределенность (1σ) дается в сжатой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  3. ^ # - Атомная масса, отмеченная #: значение и погрешность, полученные не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из трендов массовой поверхности (ТМС ).
  4. ^ Режимы распада:
    CD:Распад кластера
    EC:Электронный захват
    SF:Самопроизвольное деление
  5. ^ Жирный курсив как дочь - Дочерний продукт почти стабилен.
  6. ^ Жирный символ как дочка - Дочерний продукт стабильный.
  7. ^ () значение вращения - указывает вращение со слабыми аргументами присваивания.
  8. ^ а б # - Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из трендов соседних нуклидов (TNN ).
  9. ^ Промежуточный продукт распада 237Np
  10. ^ Используется в уран-ториевое датирование
  11. ^ а б Используется в уран-урановое датирование
  12. ^ Средний продукт распада из 238U
  13. ^ а б Изначальный радионуклид
  14. ^ а б Используется в Уран-свинцовые датировки
  15. ^ Важно в ядерных реакторах
  16. ^ Промежуточный продукт распада 244Пу, также произведенный захват нейтронов из 235U
  17. ^ Продукт захвата нейтронов, родительский следовые количества 237Np
  18. ^ Промежуточный продукт распада 244Пу

Актиниды против продуктов деления

Актиниды и продукты деления по периоду полураспада
Актиниды[10] к цепочка распадаПериод полураспада
классифицировать (а )		Продукты деления из 235U пользователем урожай[11]
4п4п+14п+24п+3
4.5–7%0.04–1.25%<0.001%
228Ра№4–6 а†155Европаþ
244Смƒ241Пуƒ250Cf227Ac№10–29 а90Sr85Kr113 кв.м.CDþ
232Uƒ238Пуƒ243Смƒ29–97 а137CS151Смþ121 мSn
248Bk[12]249Cfƒ242 кв.м.Являюсьƒ141–351 а

Нет продуктов деления
иметь период полураспада
в диапазоне
100–210 тыс. Лет ...

241Являюсьƒ251Cfƒ[13]430–900 а
226Ра№247Bk1,3–1,6 тыс. Лет назад
240Пу229Чт246Смƒ243Являюсьƒ4,7–7,4 тыс. Лет назад
245Смƒ250См8,3–8,5 тыс. Лет
239Пуƒ24,1 тыс. Лет назад
230Чт№231Па№32–76 тыс. Лет назад
236Npƒ233Uƒ234U№150–250 тыс. Лет назад‡99Tc₡126Sn
248См242Пу327–375 тыс. Лет назад79Se₡
1,53 млн лет93Zr
237Npƒ2,1–6,5 млн лет135CS₡107Pd
236U247Смƒ15–24 млн лет129я₡
244Пу80 млн лет

... не более 15,7 млн ​​лет[14]

232Чт№238U№235Uƒ№0,7–14,1 млрд лет

Легенда для надстрочных символов
₡ имеет тепловую захват нейтронов сечение в диапазоне 8–50 амбаров
ƒ делящийся
м метастабильный изомер
№ в первую очередь радиоактивный материал природного происхождения (НОРМА)
þ нейтронный яд (сечение захвата тепловых нейтронов более 3 тыс. барн)
† диапазон 4–97 а: Средноживущий продукт деления
‡ более 200 тыс .: Долгоживущий продукт деления

Уран-232

Основная статья: Уран-232

Уран-232 имеет период полураспада 68,9 лет и является побочным продуктом в ториевый цикл. Это упоминалось как препятствие для распространение ядерного оружия с помощью 233U как делящийся материал, потому что интенсивный гамма-излучение испускается 208Tl (дочь 232U, производится относительно быстро) делает 233U, загрязненный им, труднее обрабатывать. Уран-232 - редкий пример четно-четный изотоп то есть делящийся как с тепловыми, так и с быстрыми нейтронами.[15][16]

Уран-233

Основная статья: Уран-233

Уран-233 - делящийся изотоп урана, полученный из торий-232 как часть ториевого топливного цикла. Уран-233 исследовался для использования в ядерном оружии и в качестве реакторного топлива; однако он никогда не использовался в ядерном оружии или в коммерческих целях в качестве ядерного топлива.[17] Он успешно использовался в экспериментальных ядерных реакторах и был предложен для гораздо более широкого использования в качестве ядерного топлива. Период полураспада 159200 годы.

Уран-233 получают нейтронным облучением тория-232. Когда торий-232 поглощает нейтрон, это становится торий-233, период полураспада которого составляет всего 22 минуты. Торий-233 распадается на протактиний-233 через бета-распад. Протактиний-233 имеет период полураспада 27 дней, и бета-распад превращается в уран-233; Некоторые предлагаемые конструкции реакторов на расплаве солей пытаются физически изолировать протактиний от дальнейшего захвата нейтронов до того, как может произойти бета-распад.

Уран-233 обычно делится при поглощении нейтронов, но иногда сохраняет нейтрон, становясь уран-234. Отношение захвата к делению меньше, чем у двух других основных видов делящегося топлива. уран-235 и плутоний-239; он также ниже, чем у недолговечных плутоний-241, но уступает очень сложным в производстве нептуний-236.

Уран-234

Основная статья: Уран-234

Уран-234 - изотоп урана. В природном уране и в урановой руде, 234U присутствует как косвенный продукт распада урана-238, но составляет всего 0,0055% (55 частей на миллион ) сырых уран потому что это период полураспада всего 245500 лет - это всего лишь около 1/18000 от длины 238U. Путь производства 234U через ядерный распад выглядит следующим образом: 238Ядра U излучают альфа-частица стать торий-234. Далее с коротким период полураспада, а 234Ядро Th излучает бета-частица стать протактиний-234. Ну наконец то, 234Каждое из ядер Pa испускает еще одну бета-частицу, чтобы стать 234Ядра U.[18][19]

234Ядра U обычно существуют сотни тысяч лет, но затем они распадаются на альфа-излучение к торий-230, за исключением небольшого процента ядер, подвергающихся спонтанное деление.

Извлечение сравнительно небольших количеств 234U из природного урана можно было бы использовать разделение изотопов, аналогичный тому, который используется для обычного обогащения урана. Однако реального спроса на химия, физика, или инженерия для изоляции 234U. Очень маленькие чистые образцы 234U можно извлечь с помощью химического ионный обмен процесс - из образцов плутоний-238 которые были несколько состарены, чтобы позволить некоторому распаду 234U через альфа-излучение.

Обогащенный уран содержит больше 234U, чем природный уран в качестве побочного продукта процесса обогащения урана, направленного на получение уран-235, который концентрирует более легкие изотопы даже сильнее, чем 235U. Повышенный процент 234U в обогащенном природном уране приемлем в современных ядерных реакторах, но (повторно обогащенный) переработанный уран может содержать даже более высокие фракции 234U, что нежелательно.[20] Это потому что 234U не делящийся, и имеет тенденцию медленно впитывать нейтроны в ядерный реактор - становление 235U.[19][20]

234U имеет захват нейтронов сечение около 100 сараи за тепловые нейтроны, и около 700 амбаров для его резонансный интеграл - среднее по нейтронам с различными промежуточными энергиями. В ядерном реакторе неделящиеся изотопы захватывают нейтроны, воспроизводящие делящиеся изотопы. 234U преобразуется в 235U легче и, следовательно, с большей скоростью, чем уран-238 это к плутоний-239 (через нептуний-239 ), потому что 238U имеет гораздо меньший захват нейтронов поперечное сечение всего 2,7 амбара.

Уран-235

Основная статья: Уран-235

Уран-235 - это изотоп урана составляет около 0,72% природного урана. В отличие от преобладающего изотопа уран-238, это делящийся, т.е. может выдержать деление цепная реакция. Это единственный делящийся изотоп это первичный нуклид или обнаружены в значительном количестве в природе.

Уран-235 имеет период полураспада из 703,8 миллион лет. Он был открыт в 1935 г. Артур Джеффри Демпстер. Его (деление) ядерное поперечное сечение для медленных тепловой нейтрон составляет около 504,81 сараи. Для быстрого нейтроны это порядка 1 сарая. На уровнях тепловой энергии примерно 5 из 6 поглощений нейтронов приводят к делению, а 1 из 6 - к образованию захвата нейтронов. уран-236.[21] Отношение деления к захвату улучшается для более быстрых нейтронов.

Уран-236

Основная статья: Уран-236

Уран-236 - это изотоп из уран не делящийся с тепловыми нейтронами и не очень хороший фертильный материал, но обычно считается неприятным и долгоживущим радиоактивные отходы. Находится в потраченных ядерное топливо и в переработанном уране из отработавшего ядерного топлива.

Уран-237

Уран-237 - изотоп уран. Его период полураспада составляет около 6,75 (1) дней. Он распадается на нептуний-237 к бета-распад.

Уран-238

Основная статья: Уран-238

Уран-238 (238U или U-238) является наиболее распространенным изотоп из уран найдено в природе. Это не так делящийся, но это плодородный материал: он может захватывать медленные нейтрон и через два бета-распад становиться делящимся плутоний-239. Уран-238 расщепляется быстрыми нейтронами, но не может поддерживать цепную реакцию, поскольку неупругое рассеяние уменьшает энергия нейтронов ниже диапазона вероятности быстрого деления одного или нескольких ядер следующего поколения. Доплеровское уширение 238Резонансы поглощения нейтронов U, увеличивающие поглощение при повышении температуры топлива, также являются важным механизмом отрицательной обратной связи для управления реактором.

Около 99,284% природного урана составляет уран-238 с периодом полураспада 1,41 × 1017 секунд (4,468 × 109 лет, или 4,468 миллиарда лет). Обедненный уран имеет еще более высокую концентрацию 238Изотоп урана и даже низкообогащенный уран (НОУ), хотя и имеет более высокую долю изотопа урана-235 (по сравнению с обедненным ураном), все еще в основном 238U. Переработанный уран также в основном 238U с примерно таким же количеством урана-235, как и в природном уране, сравнимой долей урана-236 и гораздо меньшими количествами других изотопов урана, таких как уран-234, уран-233, и уран-232.

Уран-239

Уран-239 является изотопом урана. Обычно его получают путем экспонирования 238U к нейтронное излучение в ядерном реакторе. 239U имеет период полураспада около 23,45 минут и распадается на нептуний-239 через бета-распад, с полной энергией распада около 1,29 МэВ.[22] Наиболее распространенный гамма-распад на 74,660 кэВ объясняет разницу в двух основных каналах энергии бета-излучения: 1,28 и 1,21 МэВ.[23]

239Далее Np распадается на плутоний-239 также через бета-распад (239Np имеет период полураспада около 2,356 дня) на втором важном этапе, который в конечном итоге приводит к образованию делящегося вещества. 239Pu (используется в оружии и для ядерной энергетики), от 238U в реакторах.

Рекомендации

  1. ^ Мейя, Юрис; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)». Чистая и прикладная химия. 88 (3): 265–91. Дои:10.1515 / pac-2015-0305.
  2. ^ «Изотопы урана». GlobalSecurity.org. Получено 14 марта 2012.
  3. ^ Период полураспада, мода распада, ядерный спин и изотопный состав происходят из:
    Audi, G .; Кондев, Ф. Г .; Wang, M .; Huang, W. J .; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF). Китайская физика C. 41 (3): 030001. Bibcode:2017ЧФЦ..41с0001А. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  4. ^ Wang, M .; Audi, G .; Кондев, Ф. Г .; Huang, W. J .; Naimi, S .; Сюй, X. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF). Китайская физика C. 41 (3): 030003-1–030003-442. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030003.
  5. ^ а б Ю. Вакабаяси; К. Моримото; Д. Каджи; Х. Хаба; М. Такеяма; С. Ямаки; К. Танака; К. Нишио; М. Асаи; М. Хуанг; Дж. Канайя; М. Мураками; А. Йонеда; К. Фудзита; Ю. Нарикиё; T.Tanaka; С.Ямамото; К. Морита (2014). "Новые кандидаты в изотопы, 215U и 216U " (PDF). RIKEN Accel. Прог. Представитель. 47: xxii.
  6. ^ Х. М. Девараджа; С. Хайнц; О. Белюскина; В. Комас; С. Хофманн; К. Хорнунг; Г. Мюнценберг; К. Нишио; Д. Аккерманн; Ю. К. Гамбхир; М. Гупта; Р. А. Хендерсон; Ф. П. Хессбергер; Дж. Хуягбаатар; Б. Киндлер; Б. Ломмель; К. Дж. Муди; Дж. Маурер; Р. Манн; Попеко А.Г .; Д. А. Шонесси; М. А. Стойер; Еремин А.В. (2015). «Обнаружение новых нейтронодефицитных изотопов с Z ≥ 92 в реакциях многонуклонного переноса» (PDF). Письма по физике B. 748: 199–203. Bibcode:2015ФЛБ..748..199Д. Дои:10.1016 / j.physletb.2015.07.006.
  7. ^ [1]
  8. ^ Khuyagbaatar, J .; и другие. (11 декабря 2015 г.). "Новый короткоживущий изотоп 221U и массовая поверхность вблизи N = 126" (PDF). Письма с физическими проверками. 115 (24): 242502. Bibcode:2015ПхРвЛ.115х2502К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.115.242502. PMID  26705628.
  9. ^ Тренн, Таддеус Дж. (1978). «Торуран (U-236) как вымерший естественный родитель тория: преждевременная фальсификация существенно правильной теории». Анналы науки. 35 (6): 581–97. Дои:10.1080/00033797800200441.
  10. ^ Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле он является субактинидом, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным разрывом нестабильности после полоний (84) где нет нуклидов с периодом полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке радон-222 с периодом полураспада менее четырех дней). Самый долгоживущий изотоп радия, 1600 лет, поэтому заслуживает включения этого элемента в этот список.
  11. ^ Конкретно из тепловой нейтрон деление U-235, например в типичном ядерный реактор.
  12. ^ Milsted, J .; Фридман, А. М .; Стивенс, К. М. (1965). «Альфа-период полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248». Ядерная физика. 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. Дои:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    «Изотопные анализы выявили вид с массой 248 в постоянной численности в трех образцах, проанализированных в течение примерно 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk248 с периодом полураспада более 9 [лет]. Нет роста Cf248 был обнаружен, и нижний предел для β− период полураспада можно установить примерно на 104 [годы]. Альфа-активность нового изомера не обнаружена; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет] ».
  13. ^ Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до "Море нестабильности ".
  14. ^ Исключая "классически стабильный «нуклиды с периодом полураспада, значительно превышающим 232Чт; например, в то время как 113 кв.м.Cd имеет период полураспада всего четырнадцать лет, 113CD почти восемь квадриллион годы.
  15. ^ «Уран 232». Атомная энергия. В архиве из оригинала 26 февраля 2019 г.. Получено 3 июн 2019.
  16. ^ http://atom.kaeri.re.kr/nuchart/getEvaf.jsp?mat=9219&lib=endfb7.1
  17. ^ К. В. Форсбург; Л. К. Льюис (1999-09-24). «Использование урана-233: что следует сохранить для будущих нужд?» (PDF). Орнл-6952. Национальная лаборатория Ок-Ридж.
  18. ^ Audi, G .; Кондев, Ф. Г .; Wang, M .; Huang, W. J .; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF). Китайская физика C. 41 (3): 030001. Bibcode:2017ЧФЦ..41с0001А. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  19. ^ а б Ронен, Ю., изд. (1990). Реакторы с высокой конверсией воды. CRC Press. п. 212. ISBN  0-8493-6081-1. LCCN  89-25332.
  20. ^ а б Использование переработанного урана (PDF). Технический документ. Вена: Международное агентство по атомной энергии. 2009. ISBN  978-92-0-157109-0. ISSN  1684-2073.
  21. ^ Б. С. Дивен; Дж. Террелл; А. Хеммендингер (1 января 1958 г.). «Коэффициенты захвата и деления быстрых нейтронов в U235». Письма с физическими проверками. 109 (1): 144–150. Bibcode:1958ПхРв..109..144Д. Дои:10.1103 / PhysRev.109.144.
  22. ^ CRC Справочник по химии и физике, 57-е изд. п. В-345
  23. ^ CRC Справочник по химии и физике, 57-е изд. п. В-423