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 Артуром Демпстером (англ. Arthur Jeffrey Dempster)^[3][4].

В отличие от другого, наиболее распространенного 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 этого нуклида составляет приблизительно 80 кБк.

Образование и распад

Уран-235 образуется в результате следующих распадов:

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

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

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

Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:

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

• 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]:

Вынужденное деление

В начале 1930-х гг. Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами, преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы. Но в 1939 г. 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)^[5].

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^[5], 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.

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^[6].

Деление ядер — лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора^[7].

Цепная ядерная реакция

При распаде одного ядра ²³⁵U обычно испускается 2-3 нейтрона (в среднем за акт деления возникает 2.5 свободных нейтрона). Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра ²³⁵U, при попадании в другое ядро ²³⁵U может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной ядерной реакцией.

Гипотетически, количество нейтронов после второго этапа распада ядер может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях, свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата ²³⁵U или будучи захвачены иными материалами (например ²³⁸U).

Если в среднем каждый акт деления порождает один новый акт деления, то реакция становится самоподдерживающейся и это состояние называется критическим . (см. также Коэффициент_размножения_нейтронов)

В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, ведь 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. Кроме того, при распаде ²³⁵U образуются быстрые нейтроны, в силу особенностей соотношения сечений захвата ²³⁵U и ²³⁸U, при снижении скорости свободных нейтронов(образовании тепловых нейтронов) - реактивность материала возрастает. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию можно несколькими основными путями^[5]:

• Увеличение объёма образца (для выделенного из руды урана, возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
• Осуществить разделение изотопов, повысив содержание ²³⁵U в образце;
• Сократить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
• Использование замедлителя для повышение концентрации тепловых нейтронов.

Изомеры

Известен единственный изомер ²³⁵U^m 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

Примечания