Уран-238

Уран-238 Таблица нуклидов
Общие сведения
Название, символ	Уран-238, 238U
Альтернативные названия	ура́н оди́н, UI
Нейтронов	146
Протонов	92
Свойства нуклида
Атомная масса	238,0507882(20) а. е. м.
Избыток массы	47 308,9(19) кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	7 570,120(8) кэВ
Изотопная распространённость	99,2745(106) %
Период полураспада	4,468(3)·109 лет
Продукты распада	234Th, 238Pu
Родительские изотопы	238Pa (βв) 242Pu (α)
Спин и чётность ядра	0+
Канал распада	Энергия распада
α-распад	4,2697(29) МэВ
SF
ββ	1,1442(12) МэВ

Ура́н-238 (англ. uranium-238), историческое название ура́н оди́н (лат. Uranium I, обозначается символом U_I) в радиоактивный нуклид химического элемента урана с атомным номером 92 и массовым числом 238. Изотопная распространённость урана-238 в природе составляет 99,2745(106) %. Является родоначальником радиоактивного семейства 4n+2, называемого рядом радия.

Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 12,5 кБк.

Образование и распад

Образец урана-238

Уран-238 образуется в результате следующих распадов:

• β^в-распад нуклида ²³⁸Pa (период полураспада составляет 2,27(9) мин):

$\mathrm{^{238}_{91}Pa} \rightarrow \mathrm{^{238}_{92}U} + e^- + \bar{\nu}_e;$

• α-распад нуклида ²⁴²Pu (период полураспада составляет 3,75(2)·10⁵ лет):

$\mathrm{^{242}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm{^{238}_{92}U} + \mathrm{^{4}_{2}He}.$

Распад урана-238 происходит по следующим направлениям:

• α-распад в ²³⁴Th (вероятность 100 %, энергия распада 4 269,7(29) кэВ):

$\mathrm{^{238}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{234}_{90}Th} + \mathrm{^{4}_{2}He};$

энергия испускаемых α-частиц 4 151 кэВ (в 21 % случаев) и 4 198 кэВ (в 79 % случаев).

• Спонтанное деление (вероятность 5,45(7)·10^в5 %);
• Двойной β^в-распад в ²³⁸Pu (вероятность 2,2(7)·10^в10 %, энергия распада 1 144,2(12) кэВ)

$\mathrm{^{238}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{238}_{94}Pu} + 2e^- + 2 \bar{\nu}_e.$

Изомеры

Известен единственный изомер ²³⁸U^m со следующими характеристиками:

• Избыток массы: 49 866,8(20) кэВ
• Энергия возбуждения: 2 557,9(5) кэВ
• Период полураспада: 280(6) нc
• Спин и чётность ядра: 0⁺

Распад изомерного состояния осуществляется путём:

• изомерного перехода в основное состояние;
• спонтанного деления (вероятность 2,6(4) %);
• α-распада (вероятность менее 0,5 %).

Применение

Ядерное топливо

Изотоп U238 способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией). В результате захвата нейтрона с последующим ?-распадом 238U может превращаться в 239Pu, который затем используется как ядерное топливо. Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива, например Камини в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг). Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Геология

Основная отрасль использования урана в определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимаются Геохронология и Теоретическая геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках веществ. В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью. Это свойство используется при выделении горных пород геофизическими методами. Наиболее широко этот метод применяется в нефтяной геологии при геофизических исследованиях скважин, в этот комплекс входит, в частности, ? в каротаж или нейтронный гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж и т. д.

Ядерное оружие

Урановая бомба: Для того, чтобы реакция могла поддерживать сама себя, необходимо соответствующее «топливо», в качестве которого на первых этапах использовался изотоп урана. Уран в природе встречается в виде трех изотопов в уран-235, уран-234 и уран-238. При поглощении ураном-235 нейтрона в процессе распада выделяется от одного до трёх нейтронов. Уран-238, напротив, при поглощении нейтронов умеренных энергий не выделяет новые, препятствуя ядерной реакции. Он превращается в уран-239, затем в нептуний-239, и наконец, в относительно стабильный плутоний-239. Для обеспечения работоспособности ядерной бомбы содержание урана-235 в ядерном топливе должно быть не ниже 80 %, иначе уран-238 быстро погасит цепную ядерную реакцию. Природный же уран почти весь (около 99,3 %) состоит из урана-238. Поэтому при производстве ядерного топлива применяют сложный и многоступенчатый процесс обогащения урана, в результате которого доля урана-235 повышается. Бомба на основе урана стала первым ядерным оружием, использованным человеком в боевых условиях (бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму).

Обедненный уран

После извлечения 235U и 234U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234U. Из-за того, что основное использование урана в производство энергии, обеднённый уран в малополезный продукт с низкой экономической ценностью. В основном его использование связано с большой паллетный плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолёте «Боинг-747» содержится 1500 кг обеднённого урана для этих целей. Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших паллетных маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Сердечники бронебойных снарядов

Самое известное применение обеднённого урана в в качестве сердечников для бронебойных снарядов. При сплавлении с 2 % Mo или 0,75 % Ti и термической обработке (быстрая закалка разогретого до 850 °C металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °C 5 часов) металлический уран становится твёрже и прочнее стали (прочность на разрыв больше 1600 МПа, при том, что у чистого урана она равна 450 МПа). В сочетании с большой паллетный плотностью, это делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому вольфраму. Тяжёлый урановый наконечник также изменяет распределение масс в снаряде, улучшая его аэродинамическую устойчивость. Подобные сплавы типа «Стабилла» применяются в стреловидных оперенных снарядах танковых и противотанковых артиллерийских орудий. Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе с другой стороны брони Около 300 тонн обеднённого урана остались на поле боя во время операции «Буря в Пустыне» (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолётов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава). Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Югославии[12]. После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны. Впервые уран в качестве сердечника для снарядов был применен в Третьем рейхе. Обеднённый уран используется в современной танковой броне, например, танка M-1 «Абрамс».

Другие сферы применения

Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу. Уранат натрия Na₂U₂O₇ использовался как жёлтый пигмент в живописи.[11] Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).[11] Некоторые соединения урана светочувствительны.[11] В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.[11] Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело в водород + гексан). Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

См. также

• Изотопы урана
• Обеднённый уран

Примечания

Легче: уран-237	Уран-238 является изотопом урана	Тяжелее: уран-239
Изотопы элементов · Таблица нуклидов