Кіріспе
Атомдық нөмірі 92, бірақ массалық саны әртүрлі нуклидтер
Уран (U) – тұрақты изотопы жоқ, табиғи түрде кездесетін радиоактивті элемент. Оның екі бастапқы изотобы бар: уран-238 және уран-235, олардың жартылай ыдырау мерзімі ұзақ және Жер қыртысында мол мөлшерде кездеседі. Орамдалу нәтижесінде пайда болған уран-234 да табылады. Уран-233 сияқты басқа изотоптар да селекторлық реакторларда өндірілген. Табиғатта немесе ядролық реакторларда кездесетін изотоптардан басқа, U-ден U-ға дейін (U-дан басқа) жартылай ыдырау мерзімі әлдеқайда қысқа көптеген изотоптар өндірілген. Табиғи уранның стандартты атомдық массасы 238.02891-ге тең. Табиғи уран үш негізгі изотоптан тұрады: U (99.2739–99.2752% табиғи молдық), U (0.7198–0.7202%) және U (0.0050–0.0059%). Үш изотоптың барлығы радиоактивті (яғни, олар радиоизотоптар), ал ең көп таралған және тұрақтысы – уран-238, оның жартылай ыдырау мерзімі 4.4683e9 (Жер жасына жуық). Уран-238 – 18 элементтен тұратын уран тізбегі арқылы 206 қорғасынға ыдырайтын альфа-эмиттер. Уран-235 (тарихи атауы – актино-уран) ыдырау тізбегі 15 мүшеден тұрады және 207 қорғасынмен аяқталады. Бұл тізбектегі ыдыраудың тұрақты жылдамдығы радиометриялық талдау кезінде ата-аналық және қызметтік элементтердің қатынастарын салыстыруға мүмкіндік береді. Уран-233 торий-232-ні нейтрондық сәулелендіру арқылы жасалады. Уран-235 ядролық реакторлар (энергия өндіру) және ядролық қару үшін маңызды, себебі ол табиғатта кездесетін және термальды нейтрондарға жауап ретінде бөлінетін жалғыз изотоп, яғни термальды нейтрондарды сіңірудің бөлінуді тудыру ықтималдығы жоғары. Уран-235-тің жеткілікті үлкен (критикалық) массасымен тізбекті реакцияны жалғастыруға болады. Уран-238 да маңызды, себебі ол құнарлы: ол нейтрондарды сіңіріп, кейіннен плутоний-239 изотобына ыдырайтын радиоактивті изотопты өндіреді, ол да бөлінеді.
Уран-232
Уран-232-нің жартылай ыдырау периоды 68,9 жылды құрайды және ол торий циклының қосалқы өнімі болып табылады. Ол ядролық қару таратуына кедергі келтіретін фактор ретінде айтылған, себебі U-дың (шағын қызы, салыстырмалы түрде жылдам пайда болатын) Тl-ден шығатын күшті гамма сәулеленуі, онымен ластанған U-ды қолдануды қиындатады. Уран-232 – жылулық және жылдам нейтрондармен де бөліне алатын, жұп санмен атомдық массасы бар сирек кездесетін изотоптың мысалы.
Уран-233
Уран-233 – торий-232 отын циклының бір бөлігі ретінде торийден жасалатын уранның бөлінетін изотопы. Ол ядролық қаруда және реактор отыны ретінде пайдалану үшін зерттелді. Кейде сынақтан өткізілді, бірақ ешқашан ядролық қаруға қолданылмады және коммерциялық ядролық отын ретінде пайдаланылмады. Ол тәжірибелік ядролық реакторларда сәтті қолданылды және ядролық отын ретінде кеңінен қолдануға ұсынылған. Оның жартылай ыдырау периоды шамамен 160 000 жылды құрайды. Уран-233 торий-232-ні нейтронды сәулелендіру арқылы өндіріледі. Торий-232 нейтронды сіңірген кезде, ол торий-233-ке айналады, оның жартылай ыдырау периоды 22 минутты құрайды. Торий-233 бета-ыдырау арқылы протактиний-233-ке айналады. Протактиний-233-тің жартылай ыдырау периоды 27 күн, ол бета-ыдырау арқылы уран-233-ке айналады; кейбір балқытылған тұз реакторларының жобалары бета-ыдырау жүзеге аспастан бұрын протактинийді қосымша нейтрондарды ұстаудан физикалық түрде оқшаулауға тырысады. Уран-233 көбінесе нейтронды сіңіру арқылы бөлінеді, бірақ кейде нейтронды сақтап, уран-234-ке айналады. Нейтрондарды ұстау мен бөліну арақатынасы басқа екі маңызды бөлінетін отынға, яғни уран-235 пен плутоний-239-ға қарағанда кішірек; ол қысқа өмір сүретін плутоний-241-ге қарағанда да төмен, бірақ өндіруі өте қиын нептуний-236-дан жоғары.
Уран-234
Уран табиғи уранның 238 уранның жанама ыдырау өнімі ретінде кездеседі, бірақ уранның құрамында тек 55 миллионнан бір бөлігін құрайды, себебі оның жартылай ыдырау периоды 245 500 жыл ғана, ал U-ның жартылай ыдырау периодынан шамамен 1/18 000-нан кем. U пайда болу жолы былай: U альфа-ыдырау арқылы торий-234-ке айналады. Содан кейін, қысқа жартылай ыдырау периодынан кейін, Th бета-ыдырау арқылы протактиний-234-ке айналады. Соңында, Pa бета-ыдырау арқылы U-ға айналады. Бұл U бөлінуге қабілетсіз болғандықтан, ядролық реактордағы баяу нейтрондарды сіңіріп алып, U-ға айналады. Нейтрондардың жылдамдығы артқан сайын, бөліну мен сіңірілу арақатынасы жақсарады.
Уран-236
Уран-236-ның жартылай ыдырау периоды шамамен 23 миллион жылды құрайды; ол термиялық нейтрондармен бөліне қоймайды, сондай-ақ жақсы құнарлы материал да емес, бірақ көбінесе ол зиянды және ұзақ өмір сүретін радиоактивті қалдықтар деп есептеледі. Ол қолданылған ядролық отын мен қолданылған ядролық отыннан қайта өңделген уранда кездеседі.
Уран-237
Уран-237-нің жартылай ыдырау периоды шамамен 6,75 күнге жуық. Ол бета-ыдырау арқылы нептуний-237-ге ыдырайды. Оны 1940 жылы жапон физигі Ёсио Нишина ашқан. Ол жақын арадағы табысқа жетпегенімен, 93-элементтің пайда болуын болжады, бірақ сол кездегі белгісіз элементті бөліп алуға немесе оның ыдырау қасиеттерін өлшеуге мүмкіндік болмады.
Уран-238
Уран-238 (U немесе U 238) – табиғатта кездесетін уранның ең көп таралған изотопы. Ол бөлінуге қабілетсіз, бірақ құнарлы: ол баяу нейтронды сіңіріп алып, екі бета-ыдыраудан кейін бөлінуге қабілетті плутоний-239-ға айналады. Уран-238 жылдам нейтрондармен бөліне алады, бірақ тізбекті реакцияны қолдай алмайды, себебі серпімелі шашырау нейтрон энергиясын бір немесе бірнеше келесі буын ядроларының жылдам бөлінуі мүмкін болатын деңгейден төмендетеді. Отын температурасы жоғарылағанда сіңіруді күшейтетін U-дың нейтронды сіңіру резонанстарының допплерлік кеңеюі реакторды басқару үшін маңызды теріс кері байланыс механизмі болып табылады. Табиғи уранның шамамен 99,284%-ы уран-238, оның жартылай өмір шаруасы 1,41×10¹⁰ секунд (4,468×10⁹ жыл) құрайды. Кедейтілген уранда U концентрациясы одан да жоғары, тіпті аздап байытылған уранда (LEU) да басым бөлігі U. Қайта өңделген уран да негізінен U, оның құрамында табиғи уранға шамамен тең мөлшерде уран-235, салыстырмалы пропорцияда уран-236 және уран-234, уран-233 және уран-232 сияқты уранның басқа изотоптарының аз мөлшері бар.
Уран-239
Уран-239 әдетте ядролық реакторда U-ны нейтрондық сәулеленуге ұшырату арқылы өндіріледі. U-дың жартылай ыдырау периоды шамамен 23,45 минутты құрайды және ол бета-ыдырау арқылы нептуний-239-ға айналады, оның жалпы ыдырау энергиясы шамамен 1,29 МэВ-қа тең. 74,660 кэВ энергиялы ең көп кездесетін гамма-ыдырау, 1,28 және 1,21 МэВ энергиялы бета-эмиссияның екі басты арнасы арасындағы айырмашылықты түсіндіреді. Np, шамамен 2,356 күн жартылай ыдырау периодымен, бета-ыдырау арқылы плутоний-239-ға айналады.
Уран-241
2023 жылы Physical Review Letters журналында жарияланған мақалада Кореядағы зерттеушілер тобы U+Pt мультинуклеондық трансфер реакцияларына қатысты экспериментте уран-241 табылды деп хабарлады. Оның жартылай ыдырау периоды шамамен 40 минутты құрайды.