Уран-235

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 в США Артуром Демпстером^[3][4][5].

Уран-235
Название, символ	Уран-235, 235U
Альтернативные названия	актиноура́н, AcU
Нейтронов	143
Свойства нуклида
Атомная масса	235,0439299(20)[1] а. е. м.
Дефект 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	235Pa (β−) 235Np (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
Таблица нуклидов
Медиафайлы на Викискладе

В отличие от другого, наиболее распространённого 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 данного нуклида составляет приблизительно 80 кБк.

Именно этот изотоп использовался в бомбе «Малыш» при ядерной бомбардировке Хиросимы.

Образование и распад

Уран-235 образуется в результате следующих распадов:

• β⁻-распад нуклида ²³⁵Pa (период полураспада составляет 24,44(11)^[2] мин):

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{91}Pa} \rightarrow 7\mathrm {^{235}_{92}U} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}$

• K-захват, осуществляемый нуклидом ²³⁵Np (период полураспада составляет 396,1(12)^[2] дня):

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

• α-распад нуклида ²³⁹Pu (период полураспада составляет 2,411(3)⋅10^4[2] лет):

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

Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:

• α-распад в ²³¹Th (вероятность 100 %^[2], энергия распада 4 678,3(7) кэВ^[1]):

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

• Спонтанное деление (вероятность 7(2)⋅10⁻⁹ %)^[2];
• Кластерный распад с образованием нуклидов ²⁰Ne, ²⁵Ne и ²⁸Mg (вероятности соответственно составляют 8(4)⋅10⁻¹⁰ %, 8⋅10⁻¹⁰ %, 8⋅10⁻¹⁰ %)^[2]:

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

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

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

Вынужденное деление

Основная статья: Деление ядра

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

В начале 1930-х годов Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами, преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы. Но в 1939 году 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)^[6].

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^[6], 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^[7].

Деление ядер — лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора^[8].

Цепная ядерная реакция

Основная статья: Цепная ядерная реакция

При распаде одного ядра ²³⁵U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем – 2,416) свободных нейтронов. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра ²³⁵U, при условии взаимодействия с другим ядром ²³⁵U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра.

Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата ²³⁵U, или будучи захваченными как самим изотопом ²³⁵U с превращением его в ²³⁶U, так и иными материалами (например, ²³⁸U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как ¹⁴⁹Sm или ¹³⁵Xe).

Если в среднем каждый акт деления порождает ещё 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. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями^[6]:

• увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
• осуществить разделение изотопов, повысив концентрацию ²³⁵U в образце;
• уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
• использовать вещество — замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов.

Изомеры

Известен единственный изомер ^235mU 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