Urani 238

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Buớc tưới chuyển hướng Bước tới tìm kiếm
Urani 238
Uranium03.jpg

mẫu 10 gram

Thông tin chung
Tên, kí hiệu Urani 238,238U
Nơtron 146
Proton 92
Dữ liệu hạt nhân
Phân bố tự nhiên 99.284%
Bán rã 4,468 tỷ năm
Đồng vị mẹ 242Pu (α)
238Pa (β)
Sản phẩm phân rã 234Th
Khối lượng đồng vị 238.05078826 u
Cơ chế phân rã Năng lượng phân rã
phân rã alpha 4.267 MeV

Urani 238 (238U hoặc U-238) là đồng vị phổ biến nhất của urani có trong tự nhiên, chiếm khoảng 99,284% khối lượng Urani. Có hai đồng vị mẹ của Urani 238 là 242Pu và 238Pa. Đồng vị mẹ 242Pu khi phân rã α sẽ tạo ra đồng vị con 238U. Còn đồng vị mẹ 238Pa khi phân rã β- cũng tạo ra 238U. Urani 238 có 146 neutron và 92 proton. Khối lượng đồng vị của nó bằng 238.05078826 u.

Không giống như uranium-235 , nó không phải là phân hạch, có nghĩa là nó không thể duy trì phản ứng dây chuyền trong lò phản ứng neutron nhiệt . Tuy nhiên, nó có thể phân hạch bởi các neutron nhanh, và có khả năng sinh sản , có nghĩa là nó có thể được chuyển thành plutonium-239 phân hạch . 238 U không thể hỗ trợ phản ứng dây chuyền vì tán xạ không đàn hồi làm giảm năng lượng neutrondưới phạm vi mà sự phân hạch nhanh của một hoặc nhiều hạt nhân thế hệ tiếp theo có thể xảy ra. Doppler mở rộng cộng hưởng hấp thụ neutron của U-238 , tăng khả năng hấp thụ khi nhiệt độ nhiên liệu tăng, cũng là một cơ chế phản hồi tiêu cực thiết yếu để kiểm soát lò phản ứng.

Khoảng 99.286% khối lượng uranium tự nhiên là uranium-238, có chu kỳ bán rã 1,41 × 10 17 giây (4,468 × 10 9 năm, tương đương 4,468 tỷ năm).[1] Do sự phong phú tự nhiên và thời gian bán hủy so với các nguyên tố phóng xạ khác, 238 U tạo ra ~ 40% nhiệt lượng phóng xạ được tạo ra trong Trái đất.[2] Phân rã 238U đóng góp 6 electron chống neutrino mỗi phân rã (1 phân rã beta ), dẫn đến tín hiệu geoneutrino lớn có thể phát hiện được khi phân rã xảy ra trong Trái đất.[3] >Sự phân rã của 238Đồng vị từ U đến các đồng vị gần được sử dụng rộng rãi trong việc xác định niên đại bằng phương pháp đo phóng xạ , đặc biệt đối với vật liệu cũ hơn ~ 1 triệu năm.

Urani nghèo có một nồng độ cao hơn của đồng vị 238 U, và thậm chí uranium nghèo (LEU), trong khi có một tỷ lệ cao hơn của urani-235 đồng vị (so với uranium nghèo), vẫn chủ yếu là 238 U. uranium tái chế cũng chủ yếu là 238 U, với lượng uranium-235 tương đương với uranium tự nhiên, tỷ lệ tương đương với uranium-236 và một lượng nhỏ các đồng vị khác của uranium như uranium-234 , uranium-233 và uranium-232 .[4]

Ứng dụng năng lượng hạt nhân[sửa | sửa mã nguồn]

Trong lò phản ứng hạt nhân phân hạch , uranium-238 có thể được sử dụng để tạo ra 239 Pu, bản thân nó có thể được sử dụng trong vũ khí hạt nhân hoặc làm nguồn cung cấp nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân. Trong một lò phản ứng hạt nhân điển hình, có tới một phần ba năng lượng được tạo ra đến từ sự phân hạch của 239 Pu, không được cung cấp làm nhiên liệu cho lò phản ứng, mà là, được sản xuất từ 238 U.

Lò phản ứng của nhà tạo giống[sửa | sửa mã nguồn]

238 U không thể sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu hạt nhân , mặc dù nó có thể tạo ra năng lượng thông qua quá trình phân hạch "nhanh". Trong quá trình này, một neutron có động năng vượt quá 1 MeV có thể khiến hạt nhân 238 U bị tách làm hai. Tùy thuộc vào thiết kế, quá trình này có thể đóng góp khoảng một đến mười phần trăm của tất cả các phản ứng phân hạch trong lò phản ứng, nhưng quá ít 2,5 neutron trung bình [5] được tạo ra trong mỗi phân hạch có đủ tốc độ để tiếp tục phản ứng dây chuyền.

238 U có thể được sử dụng làm nguyên liệu gốc để tạo ra plutonium-239, lần lượt có thể được sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân. Các lò phản ứng của nhà tạo giống thực hiện quá trình biến đổi như vậy để chuyển đổi đồng vị màu mỡ 238 U thành Pu-239 phân hạch. Người ta ước tính rằng có khoảng từ 10.000 đến năm tỷ năm trị giá 238 U để sử dụng trong các nhà máy điện này . [6] Công nghệ tạo giống đã được sử dụng trong một số lò phản ứng hạt nhân thử nghiệm. [7]

Đến tháng 12 năm 2005, lò phản ứng tạo giống duy nhất sản xuất điện là lò phản ứng BN-600 600 megawatt tại Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk ở Nga. Nga đã lên kế hoạch xây dựng một đơn vị khác, BN-800, tại nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk. Ngoài ra, lò phản ứng của nhà tạo giống Monju của Nhật Bản dự kiến ​​sẽ được bắt đầu, đã ngừng hoạt động từ năm 1995, và cả Trung Quốc và Ấn Độ đã công bố kế hoạch xây dựng lò phản ứng của nhà tạo giống hạt nhân. Tuy nhiên, sau khi các mối nguy về an toàn và thiết kế được phát hiện, năm 2016, chính phủ Nhật Bản đã ra lệnh ngừng hoạt động lò phản ứng Monju có thể hoàn thành vào năm 2047.

Lò phản ứng của nhà tạo giống như tên gọi của nó tạo ra số lượng lớn hơn Pu-239 so với lò phản ứng hạt nhân phân hạch.

Các sạch và an toàn với môi trường Reactor nâng cao (CAESAR), một khái niệm lò phản ứng hạt nhân mà sẽ sử dụng hơi nước như một người điều hành để kiểm soát neutron chậm , có khả năng sẽ có thể sử dụng 238 U làm nhiên liệu một lần lò phản ứng được bắt đầu với LEU nhiên liệu . Thiết kế này vẫn đang trong giai đoạn đầu phát triển.

Che chắn bức xạ[sửa | sửa mã nguồn]

238 U cũng được sử dụng như một lá chắn bức xạ - nó bức xạ alpha có thể dễ dàng chặn lại bởi các phi phóng xạ vỏ của che chắn và cao của uranium trọng lượng nguyên tử và số lượng lớn các electron có hiệu quả cao trong việc hấp thụ tia gamma và tia X . Nó không hiệu quả như nước thông thường để ngăn chặn neutron nhanh . Cả uranium đã cạn kiệt kim loại và uranium dioxide đã cạn kiệt đều được sử dụng để che chắn bức xạ. Uranium tốt hơn khoảng năm lần so với lá chắn tia gamma so với chì , do đó, một lá chắn có cùng hiệu quả có thể được đóng gói thành một lớp mỏng hơn.

DUCRLEX , một loại bê tông được làm bằng cốt liệu uranium dioxide thay vì sỏi, đang được nghiên cứu làm vật liệu cho các hệ thống lưu trữ thùng khô để lưu trữ chất thải phóng xạ .

Xuống dốc[sửa | sửa mã nguồn]

Sự đối lập của làm giàu là đi xuống . Thặng dư uranium làm giàu cao có thể được hạ xuống bằng uranium cạn kiệt hoặc uranium tự nhiên để biến nó thành uranium làm giàu thấp phù hợp để sử dụng trong nhiên liệu hạt nhân thương mại .

238 U từ uranium cạn kiệt và uranium tự nhiên cũng được sử dụng với Pu-239 tái chế từ kho dự trữ vũ khí hạt nhân để sản xuất nhiên liệu oxit hỗn hợp (MOX), hiện đang được chuyển hướng để làm nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân. Sự pha loãng này, còn được gọi là giảm xuống, có nghĩa là bất kỳ quốc gia hoặc nhóm nào thu được nhiên liệu thành phẩm sẽ phải lặp lại quá trình phân tách hóa học rất phức tạp và phức tạp của quá trình uranium và plutonium trước khi lắp ráp vũ khí.

Vũ khí hạt nhân[sửa | sửa mã nguồn]

Hầu hết các vũ khí hạt nhân hiện đại sử dụng 238 U làm vật liệu "giả mạo" (xem thiết kế vũ khí hạt nhân ). Một bộ giả mạo bao quanh lõi phân hạch hoạt động để phản xạ neutron và thêm quán tính vào lực nén của điện tích Pu-239. Như vậy, nó làm tăng hiệu quả của vũ khí và giảm khối lượng quan trọng cần thiết. Trong trường hợp vũ khí nhiệt hạch 238 U có thể được sử dụng để bao bọc nhiên liệu nhiệt hạch, dòng neutron rất mạnh từ phản ứng nhiệt hạch kết quả gây ra 238Các hạt nhân U để phân tách và bổ sung thêm năng lượng cho "năng suất" của vũ khí. Những vũ khí như vậy được gọi là vũ khí phân hạch-phân hạch sau khi xảy ra mỗi phản ứng. Một ví dụ về vũ khí như vậy là Castle Bravo .

Phần lớn hơn của tổng sản lượng thuốc nổ trong thiết kế này đến từ giai đoạn phân hạch cuối cùng được cung cấp bởi 238 U, tạo ra một lượng lớn các sản phẩm phân hạch phóng xạ . Ví dụ, ước tính 77% sản lượng 10,4 megaton của thử nghiệm nhiệt hạch Ivy Mike năm 1952 đến từ sự phân hạch nhanh của máy xáo trộn uranium đã cạn kiệt . Do uranium cạn kiệt không có khối lượng tới hạn, nó có thể được thêm vào bom nhiệt hạch với số lượng gần như không giới hạn. Cuộc thử nghiệm " Tsar Bomba " của Liên Xô năm 1961 đã tạo ra "chỉ" 50 megatons năng lượng nổ, hơn 90% trong số đó đến từ phản ứng tổng hợp, bởi vì 238Giai đoạn cuối cùng đã được thay thế bằng chì. Nếu 238 U được sử dụng thay thế, năng suất của "Tsar Bomba" có thể cao hơn 100 megaton, và nó sẽ tạo ra bụi phóng xạ hạt nhân tương đương với một phần ba tổng số toàn cầu được sản xuất cho đến thời điểm đó.

Chuỗi radium (hoặc chuỗi uranium)[sửa | sửa mã nguồn]

Chuỗi phân rã 238 U thường được gọi là "chuỗi radium" (đôi khi là "chuỗi urani"). Bắt đầu với uranium -238 tự nhiên , loạt bài này bao gồm các yếu tố sau: astatine , bismuth , chì , polonium , protactinium , radium , radon , thallium , và thorium . Tất cả đều có mặt, ít nhất là thoáng qua, trong bất kỳ mẫu chứa uranium nào, dù là kim loại, hợp chất hay khoáng chất. Sự phân rã tiến hành như:

hạt nhân cha mẹ tên lịch sử (ngắn)[8] tên lịch sử (dài) khối lượng nguyên tử [RS 1] chế độ phân rã[RS 2] cơ hội chi nhánh[RS 2] Thời gian bán hủy[RS 2] năng lượng được giải phóng, MeV [RS 2] hạt nhân con gái[RS 2] Tổng phụ MeV
238 U Bạn tôi Uran I 238.051 α 100% 4.468 · 10 9 a 4.26975 234 Th 4.2698
234 Th UX 1 Urani X 1 234.044 β - 100% 24.10 d 0,273088 234m Pa 4.5428
234m Pa UX 2 , Bv Urani X 2 , Brevium 234.043 CNTT 0,16% 1.159 phút 0,07392 234 Pa 4.6168
234m Pa UX 2 , Bv Urani X 2 , Brevium 234.043 β - 99,84% 1.159 phút 2.268205 234 U 6.8110
234 Pa UZ Urani Z 234.043 β - 100% 6,70 h 2,194285 234 U 6.8110
234 U U II Urani II 234.041 α 100% 2.455 · 10 5 a 4,8598 230 Th 11.6708
230 Th Io Ion 230.033 α 100% 7,54 · 10 4 a 4.76975 226 Ra 16.4406
226 Ra Tăng Radium 226.025 α 100% 1600 một 4.87062 222 Rn 21,3112
222 Rn Rn Radon, Radium Emanation 222.018 α 100% 3.8235 d 5.59031 218 Po 26.9015
218 Po RaA Radium A 218.009 β - 0,020% 3.098 phút 0,259913 218 Tại 27.1614
218 Po RaA Radium A 218.009 α 99,980% 3.098 phút 6.11468 214 Pb 33,0162
218 Tại 218.009 β - 0,1% 1,5 giây 2.881314 218 Rn 30.0428
218 Tại 218.009 α 99,9% 1,5 giây 6.874 214 Bi 34.0354
218 Rn 218.006 α 100% 35 ms 7.26254 214 Po 37.3053
214 Pb RaB Radium B 214.000 β - 100% 26,8 phút 1.019237 214 Bi 34.0354
214 Bi RaC Radium C 213.999 β - 99,979% 19,9 phút 3.269857 214 Po 37.3053
214 Bi RaC Radium C 213.999 α 0,021% 19,9 phút 5,62119 210 Tl 39,6566
214 Po RaC ' Radium C ' 213.995 α 100% 164,3 μs 7.83346 210 Pb 45.1388
210 Tl RaC " Radium C " 209.990 β - 100% 1,30 phút 5.48213 210 Pb 45.1388
210 Pb RaD Radium D 209.984 β - 100% 22,20 0,063487 210 Bi 45.2022
210 Pb RaD Radium D 209.984 α 1,9 · 10 6 % 22,20 3.7923 206 Hg 48,9311
210 Bi RaE Radium E 209.984 β - 100% 5.012 d 1.161234 210 Po 46,3635
210 Bi RaE Radium E 209.984 α 13,2 · 10 5 % 5.012 d 5.03647 206 Tl 50.2387
210 Po RaF Radium F 209.983 α 100% 138.376 d 5.40745 206 Pb 51.7709
206 Hg 205.978 β - 100% 8,32 phút 1.307649 206 Tl 50.2387
206 Tl RaE " Radium E " 205.976 β - 100% 4.202 phút 1.532221 206 Pb 51.7709
206 Pb Giẻ Radium G 205.974 ổn định - - - - 51.7709

Các đời trung bình của 238 U là 1,41 × 10 17 giây chia cho 0,693 (hoặc nhân với 1,443), tức là ca. 2 × 10 17 giây, vì vậy 1 mol của 238 U phát ra 3 × 10 6 hạt alpha mỗi giây, sản xuất cùng một số thori-234 (Th-234) nguyên tử . Trong một hệ thống kín, sẽ đạt được trạng thái cân bằng, với tất cả các lượng ngoại trừ chì-206 và 238 U theo tỷ lệ cố định, với số lượng giảm dần. Lượng Pb-206 sẽ tăng tương ứng trong khi 238 U giảm; tất cả các bước trong chuỗi phân rã có cùng tỷ lệ 3× 10 6 hạt phân rã mỗi giây mỗi mol 238 U.

Thorium-234 có tuổi thọ trung bình là 3 × 10 6 giây, do đó, sẽ có trạng thái cân bằng nếu một mol 238 U chứa 9 × 10 12 nguyên tử thorium-234, là 1,5 × 10 - 11 mol (tỷ lệ của hai nửa -lives). Tương tự, ở trạng thái cân bằng trong một hệ kín, lượng của mỗi sản phẩm phân rã, ngoại trừ chì của sản phẩm cuối, tỷ lệ với thời gian bán hủy của nó.

Như đã đề cập ở trên, khi bắt đầu với 238 U thuần túy , trong một khoảng thời gian của con người, trạng thái cân bằng chỉ áp dụng cho ba bước đầu tiên trong chuỗi phân rã. Do đó, đối với một mol 238 U, 3 ×10 6 lần mỗi giây, một hạt alpha và hai hạt beta và tia gamma được tạo ra, cùng với 6,7 MeV, tỷ lệ 3 PhaW. Ngoại suy trên 2 × 10 17 giây, đây là 600 gigajoules, tổng năng lượng được giải phóng trong ba bước đầu tiên trong chuỗi phân rã.

Phân rã phóng xạ [ sửa ][sửa | sửa mã nguồn]

Sự phong phú của 238 U và sự phân rã của nó đối với các đồng vị con bao gồm nhiều kỹ thuật "niên đại urani" và là một trong những đồng vị phóng xạ phổ biến nhất được sử dụng trong việc xác định bằng phép đo phóng xạ . Phương pháp bán rã phổ biến nhất là bán rã uranium , được sử dụng để xác định niên đại những tảng đá cũ hơn 1 triệu năm tuổi và đã cung cấp tuổi cho những tảng đá lâu đời nhất trên Trái đất khi 4,4 tỷ năm tuổi. [9]

Mối quan hệ giữa 238 U và 234 U cho thấy tuổi của trầm tích và nước biển có độ tuổi từ 100.000 đến 1.200.000 năm. [10]

Các 238 U sản phẩm ( 206 Pb) là một phần không thể thiếu của bán rã uranium-chì , đó là nổi tiếng nhất cho việc xác định tuổi của Trái Đất . [11]

Các Voyager tàu vũ trụ mang một lượng nhỏ ban đầu tinh khiết 238 U trên trang bìa của họ ghi chép vàng để tạo điều kiện hẹn hò theo cách tương tự.

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

PlutoniNeptuni

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Mcclain, D. E.; Miller, A. C.; Kalinich, J. F. (20 tháng 12 năm 2007). “Status of Health Concerns about Military Use of Depleted Uranium and Surrogate Metals in Armor-Penetrating Munitions” (PDF). NATO. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 19 tháng 4 năm 2011. Truy cập ngày 14 tháng 11 năm 2010.  Đã bỏ qua tham số không rõ |df= (trợ giúp)
  2. ^ Arevalo, Ricardo; McDonough, William F.; Luong, Mario (2009). “The K-U ratio of the silicate Earth: Insights into mantle composition, structure and thermal evolution”. Earth and Planetary Science Letters 278 (3–4): 361–369. Bibcode:2009E&PSL.278..361A. doi:10.1016/j.epsl.2008.12.023. 
  3. ^ Araki, T.; Enomoto, S.; Furuno, K.; Gando, Y.; Ichimura, K.; Ikeda, H.; Inoue, K.; Kishimoto, Y.; Koga, M. (2005). “Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND”. Nature 436 (7050): 499–503. Bibcode:2005Natur.436..499A. PMID 16049478. doi:10.1038/nature03980. 
  4. ^ Nuclear France: Materials and sites. “Uranium from reprocessing”. Bản gốc lưu trữ ngày 19 tháng 10 năm 2007. Truy cập ngày 29 tháng 3 năm 2013.