Уран-235

Діаграма атома U-235 із 92 протонами, 143 нейтронами та 92 електронами.

Уран 235 (Шаблон:Lang-la, Шаблон:Нуклід), історична назва актиноура́н (Шаблон:Lang-la, позначається символом AcU) — ізотоп урану з масовим числом 235. Ізотопна поширеність урану-235 в природі складає 0,7200(51) %. Є родоначальником радіоактивного сімейства 4n+3, який називається рядом актинію. Відкритий у 1935 році Шаблон:Нп (Шаблон:Lang-en).

На відміну від іншого, найбільш поширеного ізотопу урану Шаблон:Нуклід, в Шаблон:Нуклід можлива самопідтримувана ланцюгова ядерна реакція. Тому цей ізотоп використовується як паливо в ядерних реакторах, а також в ядерній зброї. Це єдиний розщеплювальний ізотоп, що присутній в природі у невеликій кількості.

Активність одного граму даного нукліду становить приблизно 80 кБк.

Утворення і розпад

Уран-235 утворюється в результаті наступних розпадів:

• β⁻-розпад нукліду Шаблон:Нуклід (період напіврозпаду складає 24,44(11) хв):

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

• K-захват, здійснюваний нуклідом Шаблон:Нуклід (період напіврозпаду складає 396,1(12) днів):

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

• α-розпад нукліду Шаблон:Нуклід (період напіврозпаду складає 2,411(3)Шаблон:E років):

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

Розпад урану-235 відбувається за наступними напрямками:

• α-розпад в Шаблон:Нуклід (ймовірність 100 %, енергія розпаду 4 678,3(7) кеВ):

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

• Спонтанний поділ (ймовірність 7(2)Шаблон:E %);
• Кластерний розпад з утворенням нуклідів [[Неон-20|Шаблон:Нуклід]], [[Неон-25|Шаблон:Нуклід]] і Шаблон:Нуклід (ймовірності відповідно складають 8(4)Шаблон:E %, 8Шаблон:E %, 8Шаблон:E %):

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

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

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

Вимушений поділ

Один з варіантів вимушеного поділу урану-235 після поглинання нейтрона (схема)

На початку 1930-х рр. Енріко Фермі проводив опромінення урану нейтронами, намагаючись отримати таким способом трансуранові елементи. Але в 1939 р. О. Ган і Ф. Штрасман змогли показати, що при поглинанні нейтрона ядром урану відбувається вимушена реакція поділу. Як правило, ядро ділиться на два уламки, при цьому вивільняється 2-3 нейтрона (див. схему).

В продуктах поділу урану-235 було виявлено близько 300 ізотопів різних елементів: від Z=30 (цинк) до Z=64 (гадоліній). Крива залежності відносного виходу ізотопів, що утворюються при опроміненні урану-235 повільними нейтронами, від масового числа — симетрична і за формою нагадує букву «M». Два виражених максимуми цієї кривої відповідають масовим числам 95 і 134, а мінімум припадає на діапазон масових чисел від 110 до 125. Таким чином, поділ урану на осколки рівної маси (з масовими числами 115-119) відбувається з меншою ймовірністю, ніж асиметричний поділ, така тенденція спостерігається у всіх ізотопів, що діляться, і не пов'язана з якими-небудь індивідуальними властивостями ядер або частинок, а властива самому механізму поділу ядра. Однак асиметрія зменшується при збільшенні енергії збудження ядра, яке ділиться, і при енергії нейтрона понад 100 МеВ розподіл осколків поділу за масами має один максимум, що відповідає симетричному поділу ядра.

Осколки, що утворюються при поділі ядра урану, в свою чергу є радіоактивними, і зазнають ряду β⁻-розпадів, при яких поступово протягом тривалого часу виділяється додаткова енергія. Середня енергія, яка виділяється при розпаді одного ядра урану-235 з врахуванням розпадів осколків, становить приблизно 202,5 МеВ = 3,244Шаблон:E Дж, або 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг.

Поділ ядер — лише один з багатьох процесів, можливих при взаємодії нейтронів з ядрами, саме він лежить в основі роботи будь-якого ядерного реактора.

Ланцюгова ядерна реакція

Шаблон:Main При розпаді одного ядра Шаблон:Нуклід зазвичай випускається від 1 до 8 (в середньому — 2.5) вільних нейтронів. Кожен нейтрон, що утворився при розпаді ядра Шаблон:Нуклід, за умови взаємодії з іншим ядром Шаблон:Нуклід, може викликати новий акт розпаду, це явище називається ланцюговою реакцією поділу ядра.

Гіпотетично, кількість нейтронів другого покоління (після другого етапу розпаду ядер) може перевищувати 3² = 9. З кожним наступним етапом реакції поділу кількість утворених нейтронів може наростати лавиноподібно. В реальних умовах вільні нейтрони можуть не породжувати новий акт поділу, покидаючи зразок до захоплення Шаблон:Нуклід, або будучи захопленими як самим ізотопом Шаблон:Нуклід з перетворенням його в Шаблон:Нуклід, так і іншими матеріалами (наприклад, Шаблон:Нуклід, або утвореними уламками поділу ядер, такими як Шаблон:Li або Шаблон:Li).

Якщо в середньому кожен акт поділу породжує ще один новий акт поділу, то реакція стає самопідтримуваною; цей стан називається критичним (див. також Коефіцієнт розмноження нейтронів).

В реальних умовах досягти критичного стану урану не так просто, оскільки на протікання реакції впливає ряд факторів. Наприклад, природний уран лише на 0,72 % складається з Шаблон:Нуклід, 99,2745 % складає Шаблон:Нуклід, який поглинає нейтрони, що утворюються при поділі ядер Шаблон:Нуклід. Це призводить до того, що в природному урані в даний час ланцюгова реакція поділу дуже швидко затухає. Здійснити незатухаючу ланцюгову реакцію поділу можна декількома основними шляхами:

• Збільшити об'єм зразка (для виділеного з руди урану можливе досягнення критичної маси за рахунок збільшення об'єму);
• Здійснити розділення ізотопів, підвищуючи концентрацію Шаблон:Нуклід у зразку;
• Зменшити втрату вільних нейтронів через поверхню взірця з допомогою застосування різних відбивачів;
• Використовувати речовину — сповільнювач нейтронів для підвищення концентрації теплових нейтронів.

Ізомери

Відомий єдиний ізомер Шаблон:Нуклід^m з наступними характеристиками:

• Надлишок маси: 40 920,6(1,8) кеВ
• Енергія збудження: 76,5(4) еВ
• Період напіврозпаду: 26 хв
• Спін і парність ядра: 1/2⁺

Розпад ізомерного стану здійснюється шляхом ізомерного переходу в основний стан.

Застосування

• Уран-235 використовується як паливо для ядерних реакторів, в яких здійснюється керована ланцюгова ядерна реакція поділу;
• Уран з високим ступенем збагачення застосовується для створення ядерної зброї. В цьому випадку для вивільнення великої кількості енергії (вибуху) використовується некерована ланцюгова ядерна реакція.

Див. також

• Збагачення урану
• ТВЕЛ
• Поділ ядра
• Ізотопи урану
• Розділення ізотопів