Ураниум-238

Ураниум-238 ( или U-238 ) — најчестиот изотоп на ураниумот пронајден во природата, со релативно изобилство од 99%. За разлика од ураниум-235, тој не се дели, што значи дека не може да одржи верижна реакција во топлинско-неутронски реактор. Сепак, тој може да се расцепи со брзи неутрони и е ''плоден'', што значи дека може да премине во плутониум-239. <sup>238</sup>U не може да поддржи верижна реакција бидејќи нееластичното расејување ја намалува енергијата на неутроните под опсегот каде што е веројатно брзо цепење на едно или повеќе јадра од следната генерација. Доплеровото проширување на резонанциите на неутронско впивање на <sup>238</sup>U, зголемувајќи ја апсорпцијата како што се зголемува температурата на горивото, е исто така суштински механизам за негативна повратна информација за контрола на реакторот.
Околу 99,284% од масата на природниот ураниум е ураниум-238, кој има полураспад од 1,41 секунди (4,468 години, или 4,468 милијарди години). Поради своето природно изобилство и полураспад во однос на другите радиоактивни елементи, <sup>238</sup>U произведува ~ 40% од радиоактивната топлина произведена во рамките на Земјата. Ланецот на распаѓање на <sup>238</sup>U придонесува со шест електронски антинеутрина на јадро од <sup>238</sup>U (еден на бета-распад), што резултира со голем забележлив геонеутрино сигнал кога се случуваат распаѓања во Земјата. Распаѓањето на изотопите од <sup>238</sup>U до ќерката е широко користено во радиометриското датирање, особено за материјал постар од приближно 1 милиони години.
Осиромашениот ураниум има уште поголема концентрација на изотопот <sup>238</sup>U, па дури и ниско збогатениот ураниум (LEU), додека има поголем дел од изотопот на ураниум-235 (во споредба со осиромашениот ураниум), сè уште е главно <sup>238</sup>U. Реобработениот ураниум е исто така главно <sup>238</sup>U, со приближно исто толку ураниум-235 како природен ураниум, споредлив дел од ураниум-236 и многу помали количини на други изотопи на ураниум како што се ураниум-234, ураниум-233 и ураниум-232.
1 Употреба за јадрена енергија
Во јадрен реактор со цепење, ураниум-238 може да се употребува за генерирање на плутониум-239, кој сам по себе може да се користи во јадрено оружје или како снабдување со гориво на јадрениот реактор. Во типичен јадрен реактор, до една третина од генерираната моќност доаѓа од цепењето на <sup>239</sup>Pu, која не се снабдува како гориво во реакторот, туку се произведува од <sup>238</sup>U. Одредена количина на производство од од е неизбежен секаде каде што е изложен на неутронско зрачење. Во зависност од согорувањето и температурата на неутроните, различни удели на се претвораат во , кој ја одредува „оценката“ на произведениот плутониум, почнувајќи од класата на оружје, преку степенот на реакторот, до плутониумот толку висок во дека не може да се употреби во тековните реактори кои работат со топлински неутронски спектар. Последново обично вклучува искористено „рециклирано“ MOX гориво кое влегло во реакторот што содржи значителни количини на плутониум.
1.1 Реактори за одгледување
<sup>238</sup>U може да произведе енергија преку „брзо“ цепење. Во овој процес, неутрон кој има кинетичка енергија поголема од 1 MeV може да предизвика расцепување на јадрото од <sup>238</sup>U. Во зависност од дизајнот, овој процес може да придонесе околу еден до десет проценти од сите реакции на јадрено цепење во реакторот, но премалку од просечните 2,5 неутрони произведени во секое цепење имаат доволно брзина за да продолжат со верижна реакција.
<sup>238</sup>U може да се употреби како изворен материјал за создавање на плутониум-239, кој пак може да се употреби како јадрено гориво. Одгледувачките реактори спроведуваат таков процес на трансмутација за да го претворат плодниот изотоп <sup>238</sup>U во фисилен <sup>239</sup>Pu. Се проценува дека има некаде од 10.000 до пет милијарди години <sup>238</sup>U за употреба во овие електрани. Технологијата за одгледување е користена во неколку експериментални јадрени реактори.
До декември 2005 година, единствениот реактор кој произведувал моќност бил реакторот БН-600 од 600 мегавати во јадрената централа Белојарск во Русија. Русија подоцна изградила уште една единица, БН-800, во јадрената централа Белојарск, која станала целосно оперативна во ноември 2016 година. Исто така, јапонскиот реактот Монџу, кој бил нефункционален во поголемиот дел од времето откако бил првично изграден во 1986 година, бил нареден за деактивирање во 2016 година, откако биле откриени опасностите за безбедноста и дизајнот, а датумот на завршување бил одреден до 2047 година. И Кина и Индија најавиле планови за изградба на јадрени реактори.
Реакторот за одгледување, како што кажува неговото име, создава уште поголеми количини од <sup>239</sup>Pu или <sup>233</sup>U од јадрениот реактор за цепење.
Чистиот и еколошки безбеден напреден реактор (CAESAR), концепт на јадрен реактор кој ќе користи пареа како модератор за контрола на одложените неутрони, потенцијално ќе може да користи <sup>238</sup>U како гориво штом реакторот ќе започне со гориво со ниско збогатен ураниум (LEU). Овој дизајн е сè уште во раните фази на развој.
1.2 КАНДУ реактори
Природен ураниум, со 0,711% , може да се употребува како јадрено гориво во реактори дизајнирани специјално да користат ураниумот што се наоѓа природно, како што се реакторите CANDU. Со користење на незбогатен ураниум, ваквите дизајни на реактори и даваат на нацијата пристап до јадрена енергија за целите на производство на електрична енергија без потреба од развој на капацитети за збогатување гориво, кои често се гледаат како увертира за производство на оружје.
1.3 Заштита од радијација
<sup>238</sup>U исто така се употребува како заштитен штит - неговото алфа зрачење лесно се запира со нерадиактивната обвивка на заштитната обвивка, а високата атомска тежина на ураниумот и големиот број електрони се многу ефикасни во впивање на гама зраците и Х-зраците. Не е толку ефикасна како обичната вода за запирање на брзите неутрони. И метално осиромашениот ураниум и осиромашен ураниум диоксид се употребуваат за заштита од радијација. Ураниумот е околу пет пати подобар како штит од гама зраци од оловото, така што штитот со иста ефикасност може да се спакува во потенок слој.
DUCRETE, бетон направен со агрегат ураниум диоксид наместо чакал, се истражува како материјал за системи за складирање на отпадно јадрено гориво.
1.4 Намалување на мешање
Спротивно на збогатувањето е намалувањето на мешањето. Вишокот на високо збогатен ураниум може да се помеша со осиромашен ураниум или природен ураниум за да се претвори во ниско збогатен ураниум погоден за употреба во комерцијално јадрено гориво.
<sup>238</sup>U од осиромашениот ураниум и природниот ураниум се употребуваат и со рециклираните <sup>239</sup>Pu од резервите на јадрено оружје за производство на гориво со мешан оксид (MOX), кое потоа се пренасочува за да стане гориво за јадрени реактори. Ова разредување, значи дека секоја нација или група што го набавила ќе мора да го повтори многу скапото и сложено хемиско раздвојување на ураниум и плутониум пред да состави оружје.
2 Јадрено оружје
Поголемиот број на јадрени оружја користат <sup>238</sup>U како материјал за „''прекинување''“. Прекршувањето што го опкружува разделеното јадро работи за да ги рефлектира неутроните и да додаде инерција на компресијата на полнењето на <sup>239</sup>Pu. Како таков, ја зголемува ефикасноста на оружјето и ја намалува потребната критична маса. Во случај на топлинскојадрено оружје, <sup>238</sup>U може да се користи за да се обложи горивото за соединување, високиот флукс на многу енергични неутрони од добиената реакција на фузија предизвикува <sup>238</sup>U јадра да се разделат и додава повеќе енергија на „''приносот''“ на оружјето. Таквите оружја се нарекуваат оружје за цепење-соединување-цепење според редоследот по кој се одвива секоја реакција. Пример за такво оружје е Касл Браво.
Поголемиот дел од вкупниот принос на експлозив во овој дизајн доаѓа од последната фаза на цепњење поттикнато од <sup>238</sup>U, произведувајќи огромни количини на радиоактивни производи за цепење. На пример, се проценува дека 77% од приносот од 10,4 мегатони на термонуклеарниот тест на Ајви Мајк во 1952 година дошол од брзото цепење на прекршувањето на осиромашен ураниум. Бидејќи осиромашениот ураниум нема критична маса, може да се додаде во термонуклеарните бомби во речиси неограничено количество. Тестот на Царската бомба на Советскиот Сојуз во 1961 година произвела „само“ 50 мегатони експлозивна моќ, од кои над 90% дошле преку цепење бидејќи последната фаза <sup>238</sup>U била заменета со олово. Ако наместо тоа се користело 238U, приносот на Царската бомба можело да биде многу над 100 мегатони и ќе произведе јадрен испад еквивалентен на една третина од глобалниот вкупен број кој бил произведен до тоа време.
3 Радиумска серија (или ураниумска серија)
Ланецот на распаѓање од <sup>238</sup>U вообичаено се нарекува „радиумска серија“ (понекогаш „ураниумска серија“). Започнувајќи со природниот ураниум-238, оваа серија ги вклучува следните елементи: астатин, бизмут, олово, полониум, протактиниум, радиум, радон, талиум и ториум. Сите распадни производи се присутни, барем привремено, во секој примерок што содржи ураниум, без разлика дали е метал, соединение или минерал. Распаѓањето се одвива како што следува:
:<math chem="">\begin{array}{l}{}\\
\ce{^{238}_{92}U->[\alpha][4.468 \times 10^9 \ \ce y] {^{234}_{90}Th} ->[\beta^-][24.1 \ \ce d] {^{234\!m}_{91}Pa
\begin{Bmatrix}
\ce{->[0.16\%][1.17 \ \ce{min}] {^{234}_{91}Pa} ->[\beta^-][6.7 \ \ce h]} \\
\ce{->[99.84\%\ \beta^-][1.17 \ \ce{min}]}
\end{Bmatrix}
\ce{^{234}_{92}U ->[\alpha][2.445 \times 10^5 \ \ce y] {^{230}_{90}Th} ->[\alpha][7.5 \times 10^4 \ \ce y] {^{226}_{88}Ra} ->[\alpha][1600 \ \ce y] {^{222}_{86}Rn
\\
\ce{^{222}_{86}Rn ->[\alpha][3.8235 \ \ce d] {^{218}_{84}Po} ->[\alpha][3.05 \ \ce{min}] {^{214}_{82}Pb} ->[\beta^-][26.8 \ \ce{min}] {^{214}_{83}Bi} ->[\beta^-][19.9 \ \ce{min}] {^{214}_{84}Po} ->[\alpha][164.3 \ \mu\ce{s}] {^{210}_{82}Pb} ->[\beta^-][22.26 \ \ce y] {^{210}_{83}Bi} ->[\beta^-][5.012 \ \ce d] {^{210}_{84}Po} ->[\alpha][138.38 \ \ce d] {^{206}_{82}Pb
\end{array}
</math>
Просечниот животен век на <sup>238</sup>U е 1,41×1017 секунди поделен со ln(2) ≈ 0,693 (или помножено со 1/ln(2) ≈ 1.443), односно околу. 2×1017 секунди, така што 1 мол од 238U емитира 3 ×106 алфа честички во секунда, произведувајќи ист број атоми на ториум-234. Во затворен систем би се постигнала рамнотежа, со сите количества освен олово-206 и <sup>238</sup>U во фиксни соодноси, во количества кои полека се намалуваат. Количината од <sup>206</sup>Pb соодветно ќе се зголеми додека онаа од <sup>238</sup>U се намалува; сите чекори во ланецот на распаѓање ја имаат истата брзина од 3×106 распаднати честички во секунда по мол <sup>238</sup>U.
Ториум-234 има просечен животен век од 3×106 секунди, така што постои рамнотежа доколку еден мол од <sup>238</sup>U содржи 9 ×1012 атоми ториум-234, што е 1,5×10−11 мол (односот на двата полураспади). Слично на тоа, во рамнотежа во затворен систем, количината на секој распаден производ, освен олово на крајниот производ, е пропорционална со неговиот полураспад.
Додека <sup>238</sup>U е минимално радиоактивен, неговите распадни производи, ториум-234 и протактиниум-234, се емитери на бета честички со полураспад од околу 20 дена и една минута, соодветно. Протактиниум-234 се распаѓа до ураниум-234, кој има полураспад од стотици милениуми, а овој изотоп не достигнува рамнотежна концентрација многу долго време. Кога двата први изотопи во ланецот на распаѓање ќе ги достигнат своите релативно мали концентрации на рамнотежа, примерок од првично чисти <sup>238</sup>U ќе емитира три пати поголемо од зрачењето поради самиот <sup>238</sup>U, а најголемиот дел од ова зрачење се бета честички.
Како што веќе е напшано погоре, кога се започнува со чисти <sup>238</sup>U, во рамките на човечкиот временски распоред, рамнотежата се применува единствено за првите три чекори во ланецот на распаѓање. Така, за еден мол од <sup>238</sup>U, 3×106 пати во секунда се произведуваат една алфа и две бета честички и гама зрак, заедно 6,7 MeV, брзина од 3 μW.
Атомот <sup>238</sup>U сам по себе е гама емитер на 49,55 keV со веројатност 0,084%, но тоа е многу слаба гама линија, така што активноста се мери преку неговите ќерки нуклиди во серијата на распаѓање.
4 Радиоактивно датирање
Изобилството од <sup>238</sup>U и неговото распаѓање до ќерките изотопи опфаќа повеќе техники за ураниумско датирање и е еден од најчестите радиоактивни изотопи кои се употребуваат во радиометриското датирање. Најчестиот метод на датирање е ураниумското, кој се употребува за датира карпи постари од 1 милион години и обезбеди старост за најстарите карпи на Земјата стари 4,4 милијарди години.
Врската помеѓу <sup>238</sup>U и <sup>234</sup>U дава индикација за староста на седиментите и морската вода кои се стари помеѓу 100.000 години и 1.200.000 години.
Производот ќерка <sup>238</sup>U, <sup>206</sup>Pb, е составен дел на оловно-оловното датирање, кое е најпознато по одредувањето на староста на Земјата.
Вселенското летало на програмата „Војаџер“ носи мали количини на првично чисти <sup>238</sup>U на кориците на нивните златни записи за да го олеснат датирањето на ист начин.
5 Здравствени грижи
Ураниумот емитира алфа честички преку процесот на алфа-распад. Надворешната изложеност има ограничен ефект. Значајната внатрешна изложеност на ситни честички на ураниум или производи од негово распаѓање, како што се ториум-230, радиум-226 и радон-222, може да предизвика сериозни здравствени ефекти, како што е рак на коските или црниот дроб.
Ураниумот е исто така отровна хемикалија, што значи дека голтањето ураниум може да предизвика оштетување на бубрезите поради неговите хемиски својства многу порано отколку што неговите радиоактивни својства би предизвикале рак на коските или црниот дроб.