鈾-235

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鈾-235

HEUraniumC.jpg

含有大量鈾-235的鈾金屬


全部


一般

名稱/符號
鈾-235,235U

中子數量
143

質子數量
92

核素數據

豐度
0.72%

半衰期
703,800,000年

母同位素

235Pa
235Np
239Pu

衰變產物

231Th

原子量
235.0439299 u

自旋
7/2-

过剩能量
40914.062 ± 1.970 keV

结合能
1783870.285 ± 1.996 keV

衰变类型

衰变能量

α衰变
4.679 MeV

鈾235(符号:235U),是鈾的三種同位素之一,當中只有鈾235能夠發生核分裂,引發連鎖核裂變反應,可用作核電及核彈。1935年由加拿大科學家鄧史達英语Arthur Jeffrey Dempster發現。根據國際原子能機構的定義,濃度為3%的鈾235為核電廠發電用低濃縮鈾,高於80%稱作高濃縮鈾,大於90%則叫作為武器級高濃縮鈾。




目录





  • 1 概述


  • 2 自然衰变链


  • 3 技術發展


  • 4 參看




概述


鈾是自然界的稀有化學元素,具有放射性。鈾主要含三種同位素,即鈾-238、鈾235和鈾-234,但只有鈾235是可裂變核元素。當最少一個中子撞擊鈾235時,連鎖核裂變將會產生。鈾235需要到達臨界質量,連鎖核裂變才會持續下去。


早在1934年,意大利物理學家費米(Fermi)以中子撞擊鈾元素,首次發現核分裂反應。幾經研究,科學家最初發現天然鈾含有鈾238及鈾235兩種同位素,只有後者受中子撞擊後,會發生分裂反應。


在過程中,一個中子撞擊鈾235原子核後,內部因吸收中子的能量,開始作劇烈的啞鈴狀震盪,結構終因震盪過劇而瓦解,產生出兩個質量較小的原子核及放出2到3個新的中子,這些中子又會撞擊附近的鈾235原子核,繼續發生分裂反應,此即所謂「連鎖反應」。


在這反應後,其產生的原子核及中子,總質量較未有反應前為低,損失質量會轉化成能量;按照相對論,質量變成能量時,其轉換關係為「能量=質量×光速的平方」(E=mc2),極小的質量即可變成極大的能量。1945年美軍投下的廣島原子彈,總重量為440公斤,鈾235含量為45公斤,當中只有1公斤鈾235發生核分裂,反應中又只有1克的質量轉化成能量,但已经可以把方圓1公里的地区夷為廢墟。



自然衰变链


U92235→7.038×108 yα90231Th→25.52 hβ−91231Pa→3.276×104 yα89227Ac→21.773 y98.62%β−90227Th→18.718 dα→21.773 y1.38%α87223Fr→21.8 minβ−Ra88223→11,434 dα86219RnRn86219→3.96 sα84215Po→1.778 msα82211Pb→36.1 minβ−83211Bi→2.13 min99.73%α81207Tl→4.77 minβ−→2.13 min0.27%β−84211Po→0.516 sαPb(stable)82207displaystyle beginarraylce ^235_92U->[alpha ][7.038times 10^8 ce y]_90^231Th->[beta ^-][25.52 ce h]_91^231Pa->[alpha ][3.276times 10^4 ce y]_89^227AcbeginBmatrixce ->[98.62%beta ^-][21.773 ce y]_90^227Th->[alpha ][18.718 ce d]\ce ->[1.38%alpha ][21.773 ce y]_87^223Fr->[beta ^-][21.8 ce min]endBmatrixce ^223_88Ra->[alpha ][11,434 ce d]_86^219Rn\ce ^219_86Rn->[alpha ][3.96 ce s]_84^215Po->[alpha ][1.778 ce ms]_82^211Pb->[beta ^-][36.1 ce min]_83^211BibeginBmatrixce ->[99.73%alpha ][2.13 ce min]_81^207Tl->[beta ^-][4.77 ce min]\ce ->[0.27%beta ^-][2.13 ce min]_84^211Po->[alpha ][0.516 ce s]endBmatrixce ^207_82Pb_(stable)endarraydisplaystyle beginarraylce ^235_92U->[alpha ][7.038times 10^8 ce y]_90^231Th->[beta ^-][25.52 ce h]_91^231Pa->[alpha ][3.276times 10^4 ce y]_89^227AcbeginBmatrixce ->[98.62%beta ^-][21.773 ce y]_90^227Th->[alpha ][18.718 ce d]\ce ->[1.38%alpha ][21.773 ce y]_87^223Fr->[beta ^-][21.8 ce min]endBmatrixce ^223_88Ra->[alpha ][11,434 ce d]_86^219Rn\ce ^219_86Rn->[alpha ][3.96 ce s]_84^215Po->[alpha ][1.778 ce ms]_82^211Pb->[beta ^-][36.1 ce min]_83^211BibeginBmatrixce ->[99.73%alpha ][2.13 ce min]_81^207Tl->[beta ^-][4.77 ce min]\ce ->[0.27%beta ^-][2.13 ce min]_84^211Po->[alpha ][0.516 ce s]endBmatrixce ^207_82Pb_(stable)endarray


技術發展


獲得鈾本身已涉及複雜程序,需要探礦、開礦、選礦、浸礦、煉礦、精煉等程序,但天然鈾所含鈾235的濃度只有0.7%,科學家會利用擴散法、氣體離心法和激光法等,令天然鈾的三種同位素分離,提高鈾235的濃度。目前國際間常觀察一國是否擁有氣體離心法設備,推算一國的核武器研究水平。1公斤武器級鈾235,就需要從200噸鈾礦石中提鍊。


1945年7月16日凌晨,美國新墨西哥州的阿拉莫可德沙漠上,人類第一枚原子彈試爆,當時鈾235是透過勞倫斯法分離。勞倫斯方法亦即電磁法,利用鈾235和鈾238品質上的差異令兩者分離,再抽出鈾235,美國當時在田納西州建立了巨型電磁鐵,直徑長達4.57米,生產出以千克計的鈾235。


另一方法由科學家哈羅德·尤里提出,名為氣體擴散法。氣體擴散法把鈾製成六氟化鈾氣體,使它通過4000次多孔障壁,能提鍊出濃度99%的鈾235,在很长一段时间内曾是全球最廣泛使用的鈾濃縮技術。美國為此建造了巨大的工廠,加熱後的六氟化鈾氣體要通過成千的多孔障壁,每一障壁有成百萬的小於百萬分之一釐米的孔,期間要用數月時間,使一定量的氣體從頭至尾通過工廠。


目前最多採用的則是氣體離心法,比擴散法要省能源。


鈾濃縮技術是國際間極為敏感技術。除了美、俄、中、法、英五个联合国安理会常任理事国外,德國、日本、印度、巴基斯坦、以色列、巴西、阿根廷等國家已確認掌握濃縮鈾技術。國際原子能機構2006年初指在伊朗境內發現濃縮鈾痕跡,2006年10月宣布完成核試的北韓亦被指擁有該技術。



參看



  • 濃縮鈾

  • 國際原子能機構

  • 核武器

  • 貧化鈾

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