Уран-238¶

Уран-238 — самый распространённый изотоп урана, входящий в состав природного урана с массовой долей около 99,274 %. Относится к радиоактивным элементам, является родоначальником радиоактивного семейства (ряда) 4n+2, которое завершается стабильным изотопом свинца-206. Ядро урана-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов, атомная масса изотопа составляет 238,05078826 а. е. м.

¶Физические свойства и радиоактивность

Уран-238 является альфа-излучателем с периодом полураспада 4,468 миллиарда лет, что сопоставимо с возрастом Земли. Именно благодаря столь длительному периоду полураспада значительное количество этого изотопа сохранилось в земной коре с момента образования планеты. Удельная активность урана-238 составляет 12 434 Бк/г. При распаде ядро испускает альфа-частицу с энергией 4,270 МэВ, превращаясь в торий-234, который, в свою очередь, быстро распадается через протактиний-234 в уран-234.

Цепочка распада урана-238 включает 14 последовательных превращений, среди которых присутствуют изотопы радона-222 (радиоактивный газ), полония, висмута и свинца. Конечным стабильным продуктом распада является свинец-206.

¶Получение и обогащение

В природном уране содержание урана-238 значительно превышает содержание урана-235, который является основным делящимся нуклидом для ядерной энергетики. Для использования урана в качестве ядерного топлива или в оружейных целях требуется процесс обогащения, в ходе которого концентрация урана-235 повышается. В процессе обогащения уран-238 остаётся в виде отвального (обеднённого) урана, содержание урана-235 в котором снижается до 0,2–0,3 %.

Основными методами обогащения являются газодиффузионный и газоцентрифужный способы, основанные на незначительной разнице масс молекул гексафторида урана. В России обогащение урана осуществляется на предприятиях госкорпорации «Росатом».

¶Применение

¶Ядерная энергетика

Уран-238 сам по себе не поддерживает цепную ядерную реакцию на тепловых нейтронах, однако он играет ключевую роль в ядерных реакторах. В реакторах на тепловых нейтронах уран-238 захватывает нейтроны и превращается в плутоний-239 — делящийся нуклид, который также участвует в поддержании цепной реакции. Таким образом, значительная часть энергии, вырабатываемой в ядерных реакторах, получается за счёт деления плутония-239, образованного из урана-238.

¶Быстрые реакторы

В реакторах на быстрых нейтронах уран-238 используется в качестве основного топливного материала. Благодаря высокой энергии нейтронов становится возможным прямое деление ядер урана-238, а также эффективное воспроизводство плутония-239. Такие реакторы позволяют значительно полнее использовать природные запасы урана.

¶Обеднённый уран

Обеднённый уран, состоящий преимущественно из урана-238, находит применение в различных отраслях. Благодаря высокой плотности (около 19,1 г/см³) он используется для изготовления противовесов в авиации, радиационной защиты в медицинских и промышленных установках, а также в военной промышленности для производства бронебойных снарядов и брони танков.

¶Уран-238 в природе

Уран-238 присутствует в земной коре в концентрации около 2,7–3 частей на миллион. Он содержится в таких минералах, как уранинит, карнотит, отенит и других. Морская вода содержит уран в концентрации около 3,3 мкг/л. Благодаря длительному периоду полураспада уран-238 используется в геохронологии для определения возраста горных пород и минералов. Уран-свинцовый метод датирования применяется для определения возраста древнейших пород Земли и метеоритов.

¶Значение для ядерного оружия

Хотя уран-238 не является непосредственно делящимся материалом для атомных бомб, он используется в термоядерных боеприпасах в качестве оболочки. Под воздействием быстрых нейтронов, образующихся при термоядерной реакции, ядра урана-238 могут делиться, что значительно увеличивает мощность взрыва. Кроме того, из урана-238 в реакторах нарабатывается плутоний-239, который является одним из основных материалов для создания ядерных зарядов.

¶Безопасность и экология

Уран-238 представляет опасность при попадании в организм в виде растворимых соединений, поскольку является альфа-излучателем. Основную радиационную опасность при работе с природным ураном представляют его дочерние продукты распада, особенно радон-222 и его короткоживущие изотопы. При добыче и переработке урановых руд требуется соблюдение строгих мер радиационной безопасности.

¶Источники

• Атомная и ядерная физика: учебник для вузов / под ред. А. С. Давыдова. — М.: Энергоатомиздат, 2004.
• Громов Б. В. Введение в химическую технологию урана. — М.: Атомиздат, 1978.
• Петров В. И. Ядерное топливо и ядерная энергетика. — СПб.: Наука, 2010.
• Данные Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ).