Введение
Нуклиды с атомным номером 92, но с различными массовыми числами
Уран (U) — это природный радиоактивный элемент, не имеющий стабильных изотопов. Он имеет два первичных изотопа, уран-238 и уран-235, обладающих длительным периодом полураспада и встречающихся в значительном количестве в земной коре. Также обнаружен продукт распада уран-234. Другие изотопы, такие как уран-233, были получены в реакторах-размножителях. Помимо изотопов, встречающихся в природе или в ядерных реакторах, было произведено множество изотопов с гораздо более коротким периодом полураспада, от U до U (за исключением U). Стандартная атомная масса природного урана составляет 238,02891. Природный уран состоит из трех основных изотопов: U (99,2739–99,2752% природной распространенности), U (0,7198–0,7202%) и U (0,0050–0,0059%). Все три изотопа радиоактивны (то есть являются радиоизотопами), при этом наиболее распространенным и стабильным является уран-238 с периодом полураспада 4,4683e9 (примерно возраст Земли). Уран-238 является альфа-излучателем, распадающимся через 18-членную урановую серию в свинец-206. Серия распада урана-235 (исторически называемая актиноураном) состоит из 15 членов и заканчивается свинцом-207. Постоянные скорости распада в этих сериях делают сравнение соотношений родительских и дочерних элементов полезным при радиометрическом датировании. Уран-233 получают из тория-232 путем нейтронной бомбардировки. Уран-235 важен как для ядерных реакторов (производство энергии), так и для ядерного оружия, поскольку это единственный изотоп, существующий в природе в заметных количествах, который делится под воздействием тепловых нейтронов, то есть вероятность захвата теплового нейтрона и последующего деления высока. Цепная реакция может поддерживаться при достаточно большой (критической) массе урана-235. Уран-238 также важен, поскольку он является воспроизводимым: он поглощает нейтроны с образованием радиоактивного изотопа, который впоследствии распадается в изотоп плутония-239, который также является делящимся.
Уран-232
Уран-232 имеет период полураспада 68,9 лет и является побочным продуктом ториевого цикла. Его называют препятствием для ядерного распространения на основе урана, поскольку интенсивное гамма-излучение таллия (продукта распада урана-232, образующегося относительно быстро) затрудняет обращение с загрязненным им ураном-232. Уран-232 – редкий пример четно-четного изотопа, который делится как тепловыми, так и быстрыми нейтронами.
Уран-233
Уран-233 — это расщепляющийся изотоп урана, который образуется из тория-232 в рамках ториевого топливного цикла. Он исследовался на предмет использования в ядерном оружии и в качестве топлива для реакторов. Его время от времени испытывали, но он никогда не применялся в ядерном оружии и не использовался в коммерческих целях как ядерное топливо. Он успешно использовался в экспериментальных ядерных реакторах и предлагался для гораздо более широкого применения в качестве ядерного топлива. Его период полураспада составляет около 160 000 лет. Уран-233 производится путем облучения тория-232 нейтронами. Когда торий-232 поглощает нейтрон, он превращается в торий-233, период полураспада которого составляет всего 22 минуты. Торий-233 подвергается бета-распаду с образованием протактиния-233. Протактиний-233 имеет период полураспада 27 дней и также подвергается бета-распаду в уран-233; некоторые предлагаемые конструкции реакторов с расплавленной солью стремятся физически изолировать протактиний от дальнейшего захвата нейтронов до того, как произойдет бета-распад. Уран-233 обычно расщепляется при поглощении нейтрона, но иногда захватывает нейтрон, превращаясь в уран-234. Отношение захвата к делению меньше, чем у двух других основных расщепляющихся топлив — урана-235 и плутония-239; оно также ниже, чем у короткоживущего плутония-241, но выше, чем у очень труднопроизводимого нептуния-236.
Уран-234
Уран-238 встречается в природном уране как косвенный продукт распада, но составляет лишь 55 частей на миллион урана, поскольку его период полураспада, равный 245 500 лет, примерно в 18 000 раз меньше периода полураспада урана-238. Образуется уран-238 следующим образом: уран-238 альфа-распадается в торий-234. Затем торий-234 с коротким периодом полураспада бета-распадается в протактиний-234. И, наконец, протактиний-234 бета-распадается в уран-238. Это связано с тем, что уран-238 не является делящимся и склонен поглощать медленные нейтроны в ядерном реакторе, превращаясь в уран-239. Отношение числа делений к числу захватов нейтронов улучшается при использовании более быстрых нейтронов.
Уран-236
Уран-236 имеет период полураспада около 23 миллионов лет и не является делящимся под действием тепловых нейтронов, а также не очень хорошо подходит для воспроизводства плутония, однако обычно рассматривается как нежелательный продукт и долгоживущий радиоактивный отход. Он содержится в отработавшем ядерном топливе и в переработанном уране, полученном из отработавшего ядерного топлива.
Уран-237
Уран-237 имеет период полураспада около 6,75 дней. Он распадается в нептуний-237 посредством бета-распада. Он был открыт японским физиком Ёсио Нисиной в 1940 году, который, лишь немного не уловив успех, сделал вывод о создании элемента 93, но не смог выделить тогда неизвестный элемент или измерить его характеристики распада.
Уран-238
Уран-238 (U или U 238) является наиболее распространенным изотопом урана, встречающимся в природе. Он не делится, но является воспроизводимым: он может захватывать медленный нейтрон и после двух бета-распадов превращается в делящийся плутоний-239. Уран-238 делится под действием быстрых нейтронов, но не может поддерживать цепную реакцию, поскольку неэластичное рассеяние снижает энергию нейтронов ниже диапазона, в котором вероятно быстрое деление одного или нескольких ядер следующего поколения. Допплеровское уширение резонансов поглощения нейтронов ураном-238, увеличивающее поглощение с повышением температуры топлива, также является важным механизмом отрицательной обратной связи для управления реактором. Около 99,284% природного урана составляет уран-238, период полураспада которого составляет 1,41 × 10¹⁰ секунд (4,468 × 10⁹ лет). Обедненный уран имеет еще более высокую концентрацию урана-238, и даже низкообогащенный уран (LEU) по-прежнему в основном состоит из урана-238. Переработанный уран также в основном состоит из урана-238, с примерно таким же количеством урана-235, как и в природном уране, сопоставимой долей урана-236 и гораздо меньшим количеством других изотопов урана, таких как уран-234, уран-233 и уран-232.
Уран-239
Уран-239 обычно образуется при облучении урана нейтронным излучением в ядерном реакторе. Уран-239 имеет период полураспада около 23,45 минут и бета-распадается в нептуний-239, с общей энергией распада около 1,29 МэВ. Наиболее распространенный гамма-распад с энергией 74,660 кэВ объясняет разницу в энергии бета-излучения в двух основных каналах, составляющую 1,28 и 1,21 МэВ. Нептуний-239, с периодом полураспада около 2,356 дней, бета-распадается в плутоний-239.
Уран-241
В 2023 году в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, группа исследователей из Кореи сообщила об обнаружении урана-241 в эксперименте, включающем реакции многонуклонного переноса U+Pt. Период полураспада этого изотопа составляет около 40 минут.