Изотопы урана

Ученые считают, что уран появился вследствие взрывов сверхновых. Как известно, для нуклеосинтеза элементов, которые обладают массой больше железа, необходим мощный поток нейтронов, а он формируется исключительно в процессе взрыва сверхновой. Далее, конденсировавшись из образованного ею облака новых звездных систем, уран, находясь в протопланетном облаке и имея существенную массу, должен бы тонуть в глубинах планет. Однако, все совсем по-другому.
Уран является радиоактивным элементом. Процесс его распада сопряжен с выделением большого количества тепла. Ученые подсчитали, что если бы уран равномерно находится по всей толще планеты, даже с той незначительной концентрацией как на поверхности, то он выделял бы довольно много тепла. Кроме этого, его поток в процессе расходования урана должен угасать. Так как, данного явления не наблюдается, геологи уверенны, что как минимум 30% всего урана, а может быть, и весь он находится в земной коре, где его количество достигает 2,5∙10–4 %. Причины такого явление не известны.

Где добывают уран?

Месторождений урана на нашей планете довольно много. Наибольшее количество этого элемента сосредоточено в осадочных породах — углистых сланцах и фосфоритах: до 8∙10–3 и 2,5∙10–2 % соответственно. Вся земная кора вмещает в себя 1014 тонн урана, однако главной проблемой является его рассеянность и отсутствие крупных месторождений. Промышленным значением отличаются 15 минералов урана.

Распад изотопа урана

Согласно теории деления ядра, существует два механизма его деления. Первый связан с пороговым поглощением быстрых нейтронов. Для инициации деления у нейтрона должно быть большое количество энергии, свыше 1 МэВ для ядра главных изотопов — урана-238 и тория-232. Если энергии меньше, то поглощение нейтрона ураном-238 будет носить резонансный характер. Ведь у нейтрона с энергией 25 эВ в тысячи раз больше площадь сечения захвата. Таким образом, деления происходить не будет: уран-238 превратится в изотоп урана-239, имеющий период полураспада 23,54 минуты, после чего он станет нептунием-239. Последний в свою очередь, имея период полураспада 2,33 дня, станет долгоживущим плутонием-239, а торий-232 превратится в уран-233.
Ядро изотопа урана распадается тремя способами:

• альфа-распад становится причиной выделения атома гелия, который состоит из пары протонов и пары нейтронов, — его называют альфа-частицей. Каким становится изотоп урана? Альфа-распад сопряжен с понижением количества положительно заряженных протонов в атоме на два. Таким образом, ядро, испустившее альфа-частицу, становится ядром элемента, отстоящего на две позиции ниже от нее в периодической системе Менделеева
• бета-распад изотопа урана приводит к испусканию электрона. Следовательно, элемент передвигается на одну позицию вперед по периодической таблице. Фактически нейтрон становится протоном, излучая этот самый электрон
• гамма-распад. При этом изотопы урана распадаются, излучая фотоны высоких энергий, которые называют гамма-лучами. Во время этого процесса ядро теряет часть энергии, однако химический элемент не видоизменяется.

Изотоп урана- 235

В составе природного урана присутствует лишь один изотоп, подходящий для изготовления ядра атомной бомбы или поддержания реакции в энергетическом реакторе. Объем обогащения по 235U в ядерном топливе для АЭС находится на уровне 2-4.5%, для оружейного применения – не менее 80%, а лучше 90%. На территории США 235U оружейного качества обогащают до 93.5%, но максимальный уровень обогащения такого урана составляет 97.65%. Его применяют в реакторах для нужд военно-морского флота.
Высокообогащенный 235U имеет в своем составе 1.5-2.0% 234U. Показатель интенсивности спонтанного деления 235U составляет 0.16 делений/с*кг. Чистая масса 235U весом 60 килограмм выдает лишь 9.6 делений/с. Таким образом, пушечная схема является довольно простой в исполнении.
Показатель удельной активности 235U составляет 2.1 микрокюри/г.

Изотоп урана 238

Несмотря на то, что уран-238 нельзя применять в качестве первичного делящегося материала, вследствие высокой энергии его нейтронов, он все же занимает не последнее место в ядерной отрасли. Обладая высоким уровнем плотности и атомным весом, 238U подходит для создания из него оболочек заряда/рефлектора в устройствах синтеза и деления.
Его способность делится быстрыми нейтронами, повышает энерговыход заряда: в какой-то мере, вследствие размножения отраженных нейтронов; прямо в процессе деления ядер оболочки быстрыми нейтронами (при синтезе). Около 40% нейтронов, полученных в процессе деления, а также все нейтроны синтеза имеют достаточную для деления 238U энергию.
238U обладает в 35 раз более высокой интенсивностью спонтанного деления, в сравнении с 235U, 5.51 делений/с*кг. По этой причине его нельзя использовать как оболочку заряда/рефлектора в пушечных бомбах, ибо подходящий вес на уровне 200-300 кг, создает крайне высокий нейтронный фон.
Чистый 238U обладает удельной радиоактивностью 0.333 микрокюри/г. Довольно важной сферой использования данного изотопа можно назвать создание 239Pu. Радиоактивный изотоп урана превращается в плутоний вследствие нескольких реакций, которые начинаются после захвата атомом 238U нейтрона. Любой вид реакторного топлива, в составе которого содержится природный или частично обогащенный по 235-му изотопу уран, по окончанию топливного цикла имеет в своем составе небольшое количество плутония.