ウラン235の半減期は何年ですか。 核兵器

(β −)
235 NP()
239Pu()

他の最も一般的なウラン同位体である 238 U とは異なり、235 U では自立的な核連鎖反応が可能です。 したがって、この同位体は原子炉や核兵器の燃料として使用されます。

形成と衰退

ウラン 235 は、次の崩壊の結果として形成されます。

ウラン 235 の崩壊は次の方向に起こります。

強制分割

ウラン 235 の核分裂生成物には、=30 (亜鉛) から Z=64 (ガドリニウム) まで、さまざまな元素の約 300 個の同位体が発見されました。 ウラン 235 に低速中性子を照射したときに形成される同位体の相対収量を質量数に基づいて示す曲線は対称であり、形状は文字「M」に似ています。 この曲線の 2 つの顕著な最大値は質量数 95 と 134 に対応し、最小値は質量数 110 から 125 の範囲で発生します。したがって、ウランの等しい質量の断片 (質量数 115 ～ 119) への分裂は次のように発生します。この傾向はすべての核分裂性同位体で観察され、原子核や粒子の個々の特性とは関係ありませんが、核分裂のメカニズム自体に固有のものです。 しかし、核分裂性原子核の励起エネルギーが増加するにつれて非対称性は減少し、中性子エネルギーが 100 MeV を超えると、核分裂破片の質量分布は核の対称核分裂に対応する 1 つの最大値を持ちます。 ウラン核の分裂中に形成された破片は放射性となり、一連のβ - 崩壊を起こし、その間に追加のエネルギーが長時間にわたって徐々に放出されます。 1 つのウラン 235 原子核の崩壊中に放出される平均エネルギーは、破片の崩壊を考慮すると、約 202.5 MeV = 3.244・10 -11 J、または 19.54 TJ/mol = 83.14 TJ/kg です。

核分裂は、中性子と原子核の相互作用中に起こり得る多くのプロセスの 1 つにすぎず、あらゆる原子炉の動作の基礎となるプロセスです。

核連鎖反応

1 つの 235 U 原子核の崩壊中に、通常 1 ～ 8 (平均 2.416) の自由中性子が放出されます。 235 U 原子核の崩壊中に生成される各中性子は、別の 235 U 原子核との相互作用を受けて、新たな崩壊イベントを引き起こす可能性があり、この現象はと呼ばれます。 核分裂連鎖反応.

仮説として、第 2 世代の中性子の数 (核崩壊の第 2 段階後) は 3² = 9 を超える可能性があります。核分裂反応の後続の各段階で、生成される中性子の数は雪崩のように増加する可能性があります。 実際の条件下では、自由中性子は新しい核分裂イベントを生成せず、235 U を捕捉する前にサンプルから離れるか、235 U 同位体自体によって捕捉されて 236 U に変換されるか、他の物質 (例えば、238 U、または 149 Sm や 135 Xe などの核分裂の結果として生じるフラグメント）。

実際の状況では、多くの要因が反応の経過に影響を与えるため、ウランの臨界状態に到達することはそれほど簡単ではありません。 たとえば、天然ウランはわずか 0.72% の 235 U で構成されており、99.2745% は 235 U 原子核の核分裂中に生成される中性子を吸収する 238 U であり、これは、天然ウランでは現在、核分裂連鎖反応が非常に早く減衰するという事実につながります。 連続的な核分裂連鎖反応は、いくつかの主な方法で実行できます。

• サンプルの体積を増やします（鉱石から分離されたウランの場合、体積を増やすことで臨界質量を達成できます）。
• サンプル中の 235 U の濃度を増加させて同位体分離を実行します。
• さまざまな種類の反射板を使用して、サンプルの表面を通過する自由中性子の損失を減らします。
• 中性子減速物質を使用して熱中性子の濃度を高めます。

異性体

• 過剰質量：40,920.6(1.8)keV
• 励起エネルギー: 76.5(4) eV
• 半減期: 26 分
• 核スピンとパリティ: 1/2 +

異性体状態の分解は、基底状態への異性体遷移を通じて発生します。

応用

• ウラン 235 は原子炉の燃料として使用されます。 制御された核分裂連鎖反応。
• 高濃縮ウランは核兵器の製造に使用されます。 この場合、大量のエネルギーを放出（爆発）するには、 制御不能な核連鎖反応。

こちらも参照

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ノート

1. G.アウディ、A.H. Wapstra、C. Thibault (2003)。 「」。 核物理学A 729 : 337-676。 DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003。 ビブコード:.
2. G. アウディ、O. ベルシヨン、J. ブラショー、A. H. ワプストラ (2003)。 「」。 核物理学A 729 ：3～128。 DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001。 ビブコード:.
3. ホフマン K.- 第 2 版 消去された - L.: 化学、1987。 - P. 130。 - 232 p。 - 50,000部。
5. フィアルコフ・ユウ・ヤ。化学および化学産業における同位体の応用。 - キエフ: テクニカ、1975。 - P. 87。 - 240 p。 - 2,000 部。
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ウラン 235 の特徴を示す抜粋

12年と13年ではクトゥーゾフが直接ミスを責められた。 皇帝は彼に不満を抱いていた。 そして、最高位の命令によって最近書かれた歴史では、クトゥーゾフはナポレオンの名を恐れた狡猾な宮廷嘘つきで、クラスノエとベレジナ付近での失敗でロシア軍の栄光を奪った、つまりナポレオンに対する完全な勝利を奪ったと言われている。フランス人。 [1812年のボグダノヴィチの歴史：クトゥーゾフの特徴とクラスネンスキーの戦いの不満足な結果についての推論。 （L.N.トルストイによる注記）]
これは、ロシア人の心が認識していない偉大な人々の運命ではなく、偉大なオムムではなく、摂理の意志を理解し、個人の意志をそれに従属させる稀で常に孤独な人々の運命です。 群衆の憎悪と軽蔑は、より高度な法に対する洞察力を理由にこれらの人々を罰します。
ロシアの歴史家にとって――言うのは奇妙で恐ろしいことだが――ナポレオンは歴史の最も取るに足らない人物である――亡命中でも人間としての尊厳を示さなかった人物は決していないし、どこにもいない――ナポレオンは賞賛と歓喜の対象である。 彼は偉大だ。 クトゥーゾフは、1812年の活動の最初から終わりまで、ボロディンからヴィルナに至るまで、一度も行動や言葉を変えることなく、将来の重要性を考慮した現在における自己犠牲と意識の歴史の中で並外れた例を示した男です。このイベントについて、 – クトゥーゾフは彼らにとって漠然とした哀れなもののように見え、クトゥーゾフと12年目のことについて話すとき、彼らはいつも少し恥ずかしいようです。
一方、歴史上の人物の活動がこれほど常に同じ目標に向けられているとは想像するのが困難です。 これほど価値があり、国民全体の意志と一致する目標を想像することは困難です。 歴史上の人物が自分自身に設定した目標が、1812 年にクトゥーゾフのすべての活動が向けられた目標ほど完全に達成された例を歴史上で見つけることはさらに困難です。
クトゥーゾフは、ピラミッドから見渡す40世紀について、祖国のために払った犠牲について、自分が何をしようとしているのか、何をしてきたのかについて決して語らなかった。彼は自分自身についてまったく何も語らず、何の役割も果たしなかった。 、いつも最も単純で最も普通の人のように見え、最も単純で最も普通のことを言いました。 彼は娘たちとスタールに手紙を書き、小説を読み、美しい女性との付き合いを愛し、将軍や将校、兵士たちと冗談を言い、自分に何かを証明しようとする人々に決して反論しませんでした。 ヤウスキー橋にいるラストプチン伯爵が、モスクワの死の責任は誰にあるのかを個人的に非難しながらクトゥーゾフに馬で乗り、こう言った。「戦わずしてモスクワを離れないとどうして約束したんだ？」 -クトゥーゾフは、モスクワがすでに放棄されていたという事実にもかかわらず、「戦闘なしにモスクワを離れるつもりはない」と答えた。 君主から彼のところに来たアラクチェエフがエルモロフを砲兵長に任命すべきだと言うと、クトゥーゾフは「はい、私は自分で言っただけです」と答えたが、1分後には全く違うことを言った。 彼を取り囲む愚かな群衆の中で、その出来事の巨大な意味全体を理解した唯一の人物である彼は、ロストプチン伯爵が首都の惨事の原因を自分に帰したのか、それとも彼のせいにしようと何を気にしていたのでしょうか？ 誰が砲兵長に任命されるかについては、さらに関心が薄いかもしれない。
このような場合に限らず、常に、この老人は、人生経験を通じて、その表現としての思考や言葉が人間の原動力ではないという確信に達しており、全く意味のない言葉、つまり最初に思いついた言葉を話していた。彼の心。
しかし、自分の言葉をあれほど無視したこの同じ男は、戦争中ずっと努力していたただ一つの目標に沿わない言葉を、その活動の中で一度も発しなかった。 明らかに、無意識のうちに、彼らは自分のことを理解してくれないだろうという強い自信を持って、彼はさまざまな状況で自分の考えを繰り返し表明しました。 周囲との確執が始まったボロジノの戦いに始まり、彼はただ一人、ボロジノの戦いは勝利だと言い、死ぬまで口頭、報告書、報告書でそれを繰り返した。 彼だけが、モスクワの喪失はロシアの喪失ではないと述べた。 ローリストンの平和への提案に対して、彼は、平和などありえない、なぜならそれが人々の意志だから、と答えた。 フランス軍の撤退中に彼だけが、我々の作戦は必要ない、すべては我々が望むよりも自然にうまくいくだろう、敵に金の橋を架けるべきだ、タルティーノ号もヴィャゼムスキー号もクラスネンスコエの戦いが必要だった。フランス人10人に対してロシア人1人を放棄しないために、いつか国境まで来なければならないのだ。
そして、私たちに描かれているこの法廷人は、主権者を喜ばせるためにアラクチェエフに嘘をついた男である彼だけが、ビルナで、それによって主権者の不興を買い、さらなる戦争をすると言うのです海外は有害で役に立たない。
しかし、言葉だけでは、当時彼がその出来事の重要性を理解していたことを証明することはできなかったでしょう。 彼の行動は、ほんの少しの退却もなく、すべて同じ目標に向けられており、次の 3 つの行動で表現されています。1) 全軍を緊張させてフランス軍と衝突する、2) フランス軍を破る、3) フランス軍をロシアから追放する、という 3 つの行動で表現されています。人々や軍隊に起こる可能性のある災害。
彼、忍耐と時間をモットーとするゆっくりとしたクトゥーゾフは、決定的な行動の敵であり、前例のない厳粛さでその準備を整えてボロジノの戦いを与えます。 彼、あのクトゥーゾフは、アウステルリッツの戦いが始まる前に、将軍たちが戦いに負けたと保証していたにも関わらず、ボロジノでは負けるだろうと言い、戦いに勝った後に戦いが終わったという歴史上前例のない例にも関わらず、ボロジノで負けると言いました。軍隊は退却しなければならないが、彼だけは皆とは反対に、死ぬまでボロジノの戦いは勝利であると主張した。 彼だけが、退却中ずっと、もはや無駄な戦いをしないこと、新たな戦争を始めないこと、そしてロシアの国境を越えないことを主張している。
さて、出来事の意味を理解するのは、十数人の心の中にあった大量の目標の活動に当てはめない限り、容易に理解できる。なぜなら、出来事全体とその結果が私たちの前にあるからである。
しかし、では、この老人は、どうして一人で、みんなの意見に反して、その出来事の一般的な意味の意味を推測し、それを非常に正確に推測し、すべての活動において決してそれを裏切ることができなかったのでしょうか？
起こっている現象の意味を洞察するこの並外れた力の源は、彼がその純粋さと強さのすべてで自分の中に抱いていた国民感情にありました。
彼の中のこの感情を認識しただけで、人々は、このような奇妙な方法で、老人の恥辱から、皇帝の意志に反して彼を人民戦争の代表者として選んだのです。 そしてこの感情だけが、最高司令官である彼を人間としての最高の高みへと導き、そこから人々を殺したり絶滅させたりするのではなく、人々を救い憐れむために全力を注いだのである。

ウランはどこから来たのですか?おそらく、超新星爆発の際に出現すると考えられます。 実際のところ、鉄より重い元素の元素合成には強力な中性子の流れが必要であり、それはまさに超新星爆発中に発生します。 そして、それによって形成された新しい星系の雲からの凝縮中に、原始惑星系の雲に集まり、非常に重いウランが惑星の深部に沈むはずであるように思われる。 しかし、そうではありません。 ウランは放射性元素であり、崩壊すると熱を放出します。 計算によると、ウランが少なくとも表面と同じ濃度で惑星の厚さ全体に均一に分布している場合、過剰な熱を放出することになります。 さらに、ウランが消費されるにつれて、その流れは弱まるはずです。 このようなことは何も観察されていないため、地質学者は、ウランの少なくとも 3 分の 1、おそらくはすべてが地殻に集中しており、その含有量は 2.5∙10 -4% であると考えています。 なぜこれが起こったのかについては議論されていません。

ウランはどこで採掘されますか?地球上のウランはそれほど少ないわけではなく、存在量の点で38位にあります。 そして、この元素の大部分は堆積岩、つまり炭素質頁岩と亜リン鉱に含まれており、それぞれ最大 8∙10 –3 および 2.5∙10 –2% 含まれています。 地殻には合計 10 ～ 14 トンのウランが含まれていますが、主な問題は、ウランが非常に分散しており、強力な堆積物を形成しないことです。 約 15 種類のウラン鉱物が産業上重要です。 これはウランタールです - その基礎は四価の酸化ウラン、ウラン雲母 - さまざまなケイ酸塩、リン酸塩、および六価のウランをベースにしたバナジウムまたはチタンとのより複雑な化合物です。

ベクレル線とは何ですか?ヴォルフガング・レントゲンによる X 線の発見後、フランスの物理学者アントワーヌ・アンリ・ベクレルは、太陽光の影響下で発生するウラン塩の輝きに興味を持ちました。 彼はここにも X 線があるかどうかを知りたかったのです。 確かに、それらは存在していました - 塩は黒い紙を通して写真乾板を照らしました。 しかし、実験の 1 つでは、塩は照らされませんでしたが、写真乾板は依然として暗くなりました。 金属の物体を塩と写真乾板の間に置くと、その下の黒ずみは少なくなりました。 したがって、光によるウランの励起によって新たな光線が発生することはなく、部分的に金属を通過することもありませんでした。 当初は「ベクレル光線」と呼ばれていました。 その後、これらは主にアルファ線にわずかにベータ線が加わったものであることが判明しました。実際、ウランの主要同位体は崩壊中にアルファ粒子を放出し、娘生成物もベータ崩壊を経験します。

ウランの放射性はどれくらいですか?ウランには安定同位体がなく、すべて放射性です。 最も寿命が長いのはウラン 238 で、半減期は 44 億年です。 次にウラン 235 が続きます - 7 億年です。 どちらもアルファ崩壊を受けて、トリウムの対応する同位体になります。 ウラン 238 は、すべての天然ウランの 99% 以上を占めます。 半減期が長いため、この元素の放射能は低く、さらにアルファ粒子は人体の表面の角質層に浸透できません。 彼らは、ウランを扱った後、I.V.クルチャトフはハンカチで手を拭いただけで、放射能に関連する病気に悩まされなかったと言います。

研究者らは、ウラン鉱山や加工工場の労働者の病気の統計に繰り返し目を向けてきた。 たとえば、ここにあるのは、1950 年から 1999 年にかけてカナダのサスカチュワン州にあるエルドラド鉱山で働いていた 1 万 7,000 人以上の労働者の健康データを分析した、カナダとアメリカの専門家による最近の記事です ( 環境研究、2014、130、43–50、DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002)。 彼らは、放射線が急速に増殖する血球に最も強い影響を及ぼし、対応する種類の癌を引き起こすという事実に基づいて研究を進めました。 統計によると、鉱山労働者はカナダの平均人口よりもさまざまなタイプの血液がんの発生率が低いことが示されています。 この場合、主な放射線源はウランそのものではなく、ウランが生成するガス状ラドンとその崩壊生成物とみなされ、肺から体内に侵入する可能性がある。

なぜウランは有害なのでしょうか?? 他の重金属と同様に毒性が高く、腎不全や肝不全を引き起こす可能性があります。 一方、ウランは分散元素であるため水や土壌中に必然的に存在し、食物連鎖の中で濃縮されて人体に入ります。 進化の過程で、生物は自然濃度でウランを中和することを学習したと考えるのが合理的です。 ウランは水中で最も危険であるため、WHO は制限値を設定しました。当初は 15 μg/l でしたが、2011 年に基準は 30 μg/g に引き上げられました。 一般に、水中のウランははるかに少なく、米国では平均 6.7 μg/l、中国とフランスでは 2.2 μg/l です。 しかし、大きな偏りもあります。 したがって、カリフォルニアの一部の地域では基準値の100倍である2.5 mg / lがあり、南フィンランドでは7.8 mg / lに達します。 研究者らは動物に対するウランの影響を研究することで、WHOの基準が厳しすぎるかどうかを理解しようとしている。 典型的な仕事は次のとおりです ( バイオメッド・リサーチ・インターナショナル、2014、ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989)。 フランスの科学者らは、劣化ウラン添加物を比較的高濃度（0.2～120mg/l）加えた水をラットに9か月間与えた。 下の値は鉱山近くの水ですが、上の値はどこにも見つかりません。フィンランドで測定されたウランの最大濃度は 20 mg/l です。 著者らを驚かせたことに、この記事は「生理学的システムに対するウランの顕著な影響が予期せず存在しなかった...」と呼ばれています。ウランはラットの健康に実質的に影響を与えませんでした。 動物たちはよく食べ、適切に体重が増え、病気を訴えず、がんで死亡することもありませんでした。 当然のことながら、ウランは主に腎臓と骨に沈着し、肝臓にはその100倍少ない量が沈着し、その蓄積は水中の含有量に依存すると予想されていました。 しかし、これは腎不全を引き起こすことはなく、炎症の分子マーカーの顕著な出現さえも引き起こしませんでした。 著者らは、WHOの厳格なガイドラインの見直しを開始すべきだと提案した。 ただし、注意点が1つあります。それは脳への影響です。 ラットの脳には肝臓よりもウランの量が少なかったが、その含有量は水中の量には依存しなかった。 しかし、ウランは脳の抗酸化システムの機能に影響を及ぼしました。用量に関係なく、カタラーゼの活性は 20% 増加し、グルタチオンペルオキシダーゼの活性は 68 ～ 90% 増加し、スーパーオキシドジスムターゼの活性は 50% 減少しました。 これは、ウランが明らかに脳に酸化ストレスを引き起こし、体がそれに反応したことを意味します。 この効果、つまり、生殖器だけでなく脳内に蓄積がない場合の脳に対するウランの強い効果は、以前から注目されていました。 さらに、ネブラスカ大学の研究者らは、75～150 mg/lの濃度のウランを含む水をラットに6か月間与えた( 神経毒性学と奇形学、2005、27、1、135–144。 DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001)、野原に放たれた動物、主に雄の行動に影響を及ぼしました。動物は線を越え、後ろ足で立ち上がり、対照動物とは異なる毛繕いをしました。 ウランも動物の記憶障害を引き起こすという証拠があります。 行動の変化は脳内の脂質酸化レベルと相関していました。 ウラン水のせいでネズミは健康になったが、むしろ愚かになったことが判明した。 これらのデータは、いわゆる湾岸戦争症候群の分析に役立ちます。

ウランはシェールガス開発現場を汚染しますか?それは、ガスを含む岩石中にウランがどれだけ含まれているか、そしてそれがそれらとどのように結びついているかによって決まります。 たとえば、バッファロー大学のトレイシー・バンク准教授は、ニューヨーク西部からペンシルベニア、オハイオを経てウェストバージニアまで広がるマーセラス頁岩を研究しました。 ウランは炭化水素の供給源と化学的に正確に関連していることが判明しました（関連する炭素質頁岩が最も高いウラン含有量を持っていることを思い出してください）。 実験により、破砕中に使用される溶液はウランを完全に溶解することが示されました。 「これらの水域に含まれるウランが地表に到達すると、周囲の地域の汚染を引き起こす可能性があります。 これは放射線の危険性を引き起こすものではありませんが、ウランは有毒元素です」とトレーシー・バンクは2010年10月25日付の大学プレスリリースで述べている。 シェールガス生産中のウランやトリウムによる環境汚染のリスクに関する詳細な記事はまだ作成されていません。

なぜウランが必要なのでしょうか？以前は、陶器や色ガラスを作るための顔料として使用されていました。 現在、ウランは核エネルギーと核兵器の基礎となっています。 この場合、そのユニークな特性、つまり核の分裂能力が使用されます。

核分裂とは何ですか? 原子核が崩壊して 2 つの異なる大きな部分になること。 この性質のため、中性子照射による元素合成ではウランより重い原子核が非常に困難に生成されます。 現象の本質は次のとおりです。 原子核の中の中性子と陽子の数の比率が最適でないと、原子核は不安定になります。 通常、このような原子核は、2 つの陽子と 2 つの中性子であるアルファ粒子、または中性子の 1 つが陽子に変化する陽電子であるベータ粒子のいずれかを放出します。 最初のケースでは、周期表の要素が 2 セル後ろに取得され、2 番目のケースでは 1 セル前に取得されます。 しかし、ウラン核は、アルファ粒子とベータ粒子を放出することに加えて、新しい中性子を受け取ると、周期表の中央にある 2 つの元素 (バリウムとクリプトンなど) の核に分裂、崩壊する能力があります。 この現象は、放射能の発見直後、物理学者が新たに発見された放射線を可能な限り暴露したときに発見されました。 イベントの参加者であるオットー・フリッシュはこのことについて次のように書いています (「物理科学の進歩」、1968 年、96 巻、4)。 ベリリウム線 - 中性子 - の発見後、エンリコ フェルミは、特にベータ崩壊を引き起こすためにウランに照射しました。彼は、それを使用して、現在ネプツニウムと呼ばれている次の 93 番目の元素を入手したいと考えていました。 照射されたウラン中の新しいタイプの放射能を発見したのは彼であり、彼はそれを超ウラン元素の出現と関連付けました。 同時に、ベリリウム源をパラフィンの層で覆って中性子を減速させると、この誘導放射能が増加しました。 アメリカの放射化学者アリスティド・フォン・グロースは、これらの元素の一つがプロタクチニウムであると示唆しましたが、彼は間違っていました。 しかし、当時ウィーン大学に勤務しており、1917年に発見されたプロタクチニウムは自分の発案であると考えていたオットー・ハーンは、どのような元素が得られたのかを解明する義務があると判断した。 1938 年の初めに、ハーンはリーゼ・マイトナーとともに、実験結果に基づいて、ウラン 238 とその娘元素の中性子吸収核の複数のベータ崩壊によって放射性元素の鎖全体が形成されることを示唆しました。 間もなく、リーゼ・マイトナーはオーストリアのアンシュルス後のナチスからの報復を恐れてスウェーデンへの逃亡を余儀なくされた。 ハーンはフリッツ・シュトラスマンとともに実験を続け、生成物の中に元素番号56番のバリウムも含まれていることを発見しました。これは決してウランからは得られません。ウランのアルファ崩壊の連鎖はすべて、より重い鉛で終わります。 研究者らはこの結果に非常に驚いたので発表せず、友人、特にヨーテボリのリーゼ・マイトナーにのみ手紙を書いた。 1938年のクリスマスに、彼女の甥のオットー・フリッシュが彼女を訪ね、冬の街の近くを歩きながら、彼はスキーで、叔母は徒歩で、ウランの照射中にバリウムが発生する可能性について話し合った。核分裂の結果です (リーゼ・マイトナーについての詳細は、「化学と生命」、2013 年、第 4 号を参照)。 コペンハーゲンに戻ったフリッシュは、米国に向けて出発する船のタラップでニールス・ボーアを文字通り捕まえ、核分裂のアイデアについて語った。 ボーアは額を叩きながらこう言った。 私たちはこれにもっと早く気づくべきでした。」 1939 年 1 月、フリッシュとマイトナーは、中性子の影響下でのウラン原子核の分裂に関する論文を発表しました。 その時までに、ボーアからのメッセージを受け取った多くのアメリカのグループと同様に、オットー・フリッシュはすでに対照実験を実施していました。 彼らによれば、物理学者たちは、1939年1月26日にワシントンで開催された理論物理学年次会議での彼の報告の最中に、そのアイデアの本質を理解した直後に研究室に分散し始めたという。 核分裂の発見後、ハーンとストラスマンは実験を修正し、同僚と同様に、照射されたウランの放射能は超ウランではなく、周期表の中央からの核分裂中に形成される放射性元素の崩壊と関連していることを発見した。

ウランではどのように連鎖反応が起こるのでしょうか?ウランとトリウムの核分裂の可能性が実験的に証明された直後（そして地球上には他に重大な量の核分裂性元素はない）、プリンストン大学で働いていたニールス・ボーアとジョン・ウィーラー、そして彼らとは独立して、ソ連の理論物理学者Ya. I. フレンケルとドイツ人のジークフリート・フリューゲとゴットフリート・フォン・ドロステは核分裂の理論を生み出しました。 そこから 2 つのメカニズムが派生しました。 1 つは高速中性子の吸収閾値に関連しています。 それによると、核分裂を開始するには、中性子がかなり高いエネルギーを持っていなければならず、主要な同位体であるウラン 238 とトリウム 232 の原子核に対して 1 MeV 以上のエネルギーが必要です。 より低いエネルギーでは、ウラン 238 による中性子吸収は共鳴特性を持ちます。 したがって、25 eV のエネルギーを持つ中性子は、他のエネルギーのものよりも数千倍大きい捕獲断面積を持ちます。 この場合、核分裂は起こらない。ウラン 238 はウラン 239 になり、半減期 23.54 分でネプツニウム 239 になり、半減期 2.33 日で長寿命のネプツニウム 239 になる。プルトニウム239。 トリウム232はウラン233になります。

2 番目のメカニズムは中性子の非閾値吸収であり、それに続いて 3 番目の多かれ少なかれ一般的な核分裂性同位体であるウラン 235 (および自然界には存在しないプルトニウム 239 とウラン 233) が続きます。熱運動に関与する分子と同様のエネルギー（0.025 eV）を持つ、遅いいわゆる熱中性子であっても、そのような原子核は分裂します。 これは非常に良いことです。熱中性子は、高速メガ電子ボルト中性子よりも 4 倍大きい捕獲断面積を持っています。 これが、その後の核エネルギーの歴史全体におけるウラン 235 の重要性です。天然ウラン内で中性子の増殖を確実にするのは、ウラン 235 です。 中性子が当たると、ウラン 235 原子核は不安定になり、すぐに 2 つの不均等な部分に分裂します。 その過程で、いくつか (平均 2.75 個) の新しい中性子が放出されます。 同じウランの原子核に衝突すると、中性子が指数関数的に増加し、連鎖反応が起こり、大量の熱が急速に放出されて爆発が起こります。 ウラン 238 もトリウム 232 もそのようには機能しません。結局のところ、核分裂中、中性子は 1 ～ 3 MeV の平均エネルギーで放出されます。つまり、1 MeV のエネルギー閾値がある場合、中性子はエネルギーの重要な部分を占めます。中性子は確かに反応を引き起こすことができず、再生もありません。 これは、これらの同位体は忘れるべきであり、中性子がウラン 235 の原子核と可能な限り効率的に相互作用するように熱エネルギーまで減速する必要があることを意味します。 同時に、ウラン238によるそれらの共鳴吸収は許されません。結局のところ、天然ウランではこの同位体は99.3％よりわずかに低く、中性子はターゲットのウラン235ではなく同位体と衝突することが多くなります。 そして、減速材として機能することで、中性子の増殖を一定レベルに維持し、爆発を防ぎ、連鎖反応を制御することが可能です。

同じ運命の年、1939年にYa. B. ZeldovichとYu. B. Kharitonによって実行された計算では、このためには重水または黒鉛の形の中性子減速材を使用し、天然ウランをウランで濃縮する必要があることが示されました。 235は少なくとも1.83倍。 そして、この考えは彼らにとって純粋な空想のように思えました。「連鎖爆発を実行するために必要な、かなり大量のウランの濃縮が約2倍になることに注意する必要があります。<...>非常に面倒な作業であり、現実的には不可能に近いです。」 現在、この問題は解決され、原子力産業は発電所用にウラン235を3.5%まで濃縮したウランを大量生産している。

自発核分裂とは何ですか? 1940 年、G. N. フレロフと K. A. ペトルジャクは、半減期は通常のアルファ崩壊よりもはるかに長いものの、ウランの核分裂は外部からの影響なしに自然発生する可能性があることを発見しました。 このような核分裂では中性子も生成されるため、中性子が反応領域から逃げることができない場合、中性子は連鎖反応の開始剤として機能します。 原子炉の作成にはこの現象が利用されます。

なぜ原子力が必要なのでしょうか？ゼルドビッチとハリトンは、原子力エネルギーの経済効果を最初に計算した一人である (Uspekhi Fizicheskikh Nauk、1940、23、4)。 「…現時点では、ウラン中で無限に分岐した鎖による核分裂反応が起こる可能性か不可能かについて最終的な結論を出すことはまだ不可能です。 このような反応が可能であれば、実験者が膨大な量のエネルギーを自由に使えるにもかかわらず、反応速度は自動的に調整され、反応がスムーズに進行するようになります。 この状況は、反応のエネルギー利用にとって非常に有利です。 そこで、これは殺されていないクマの皮膚の一部ではあるが、ウランのエネルギー利用の可能性を特徴づけるいくつかの数字を提示してみよう。 したがって、核分裂プロセスが高速中性子で進行すると、反応によってウランの主同位体 (U238) が捕捉され、<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>ウランの主同位体からのカロリーのコストは、石炭からのカロリーの約 4000 分の 1 であることが判明しています (もちろん、「燃焼」と熱除去のプロセスがウランの場合よりはるかに高価であることが判明した場合は別ですが)。石炭の場合）。 遅い中性子の場合、「ウラン」カロリーのコスト（上記の数字に基づく）は、U235同位体の存在量が0.007であり、すでに「石炭」カロリーよりもわずか30倍安いことを考慮すると、次のようになります。他のすべての条件が等しい場合。」

最初の制御された連鎖反応は 1942 年にシカゴ大学のエンリコ フェルミによって実行されました。反応器は手動で制御され、中性子束の変化に応じて黒鉛棒を押し込んだり押し出したりしました。 最初の発電所は 1954 年にオブニンスクに建設されました。 最初の原子炉は、エネルギーの生成に加えて、兵器級プルトニウムの生成にも機能しました。

原子力発電所はどのように動作するのですか?現在、ほとんどの原子炉は低速中性子で動作しています。 金属、アルミニウムなどの合金、または酸化物の形の濃縮ウランは、燃料要素と呼ばれる長いシリンダーの中に入れられます。 それらは反応器内に特定の方法で設置され、それらの間に減速材棒が挿入され、連鎖反応を制御します。 時間の経過とともに、原子炉毒は燃料要素、つまり中性子を吸収する能力のあるウラン核分裂生成物に蓄積します。 ウラン 235 の濃度が臨界レベルを下回ると、その元素は使用できなくなります。 しかし、強い放射能を持った核分裂破片が多く含まれており、年月とともに放射能が減少するため、元素は長期間にわたって多量の熱を放出します。 それらは冷却プールに保管され、その後、埋められるか、未燃のウラン235、生成されたプルトニウム（原子爆弾の製造に使用された）、および使用可能な他の同位体を抽出するために処理が試みられます。 未使用の部分は墓地に送られます。

いわゆる高速炉、または増殖炉では、ウラン 238 またはトリウム 232 で作られた反射板が要素の周囲に設置されます。 これらは速度を落とし、速すぎる中性子を反応ゾーンに送り返します。 共鳴速度まで減速された中性子はこれらの同位体を吸収し、それぞれプルトニウム 239 またはウラン 233 に変わり、原子力発電所の燃料として機能します。 高速中性子はウラン 235 と反応しにくいため、その濃度を大幅に高める必要がありますが、これはより強力な中性子束で報われます。 増殖炉は原子力の未来であると考えられているにもかかわらず、消費する核燃料よりも多くの核燃料を生産するため、管理が難しいことが実験で示されています。 現在、そのような原子炉は世界に 1 基だけ残っています - ベロヤルスク原子力発電所の第 4 発電所にあります。

原子力エネルギーはどのように批判されていますか?事故について話さないとすれば、今日の原子力反対派の議論の主な点は、発電所の廃止措置後および燃料を扱う際の環境保護のコストをその効率の計算に追加するという提案である。 どちらの場合も、放射性廃棄物を確実に処分するという課題が生じ、その費用は国が負担することになる。 これらをエネルギーのコストに換算すると、その経済的魅力は失われるという意見があります。

原子力推進者の間でも反対の声が上がっている。 その代表者らは、熱中性子によって核分裂する代替同位体であるプルトニウム239とウラン233は、その半減期が数千年であるため自然界には存在しないため、代替手段のないウラン235の特異性を指摘している。 そしてそれらはまさにウラン235の核分裂の結果として得られます。 それが枯渇すると、核連鎖反応のための素晴らしい天然中性子源が消滅してしまいます。 このような無駄の結果、人類は将来、埋蔵量がウランの数倍であるトリウム232をエネルギーサイクルに組み込む機会を失うことになる。

理論的には、粒子加速器を使用して、メガ電子ボルトのエネルギーを持つ高速中性子束を生成できます。 しかし、たとえば原子力エンジンによる惑星間飛行について話している場合、大型の加速器を備えた計画を実装することは非常に困難になります。 ウラン 235 の枯渇により、そのようなプロジェクトは終了します。

兵器級ウランとは何ですか?これは高濃縮ウラン235です。 その臨界質量（連鎖反応が自発的に起こる物質のサイズに相当）は、弾薬を製造するのに十分なほど小さい。 このようなウランは原子爆弾の製造に使用でき、熱核爆弾の信管としても使用できます。

ウランの使用に関連してどのような災害が発生しますか?核分裂性元素の核に蓄えられるエネルギーは膨大です。 このエネルギーが見落としや故意によって制御不能になると、多くの問題を引き起こす可能性があります。 最悪の 2 つの核災害は 1945 年 8 月 6 日と 8 日に発生し、米空軍が広島と長崎に原爆を投下し、数十万人の民間人が死傷しました。 小規模な災害は、原子力発電所や核サイクル事業の事故に関連しています。 最初の大事故は 1949 年にソ連のチェリャビンスク近くのマヤク工場で発生し、そこでプルトニウムが製造された。 液体放射性廃棄物はテチャ川に流れ着きました。 1957 年 9 月に爆発が起こり、大量の放射性物質が放出されました。 11日後、英国のウィンドスケールにあるプルトニウム製造炉が火災を起こし、爆発生成物を含む雲が西ヨーロッパ上空に飛散した。 1979年、ペンシルベニア州のスリーメールアイランド原子力発電所の原子炉が火災を起こした。 最も広範な影響は、チェルノブイリ原子力発電所 (1986 年) と福島原子力発電所 (2011 年) の事故によって引き起こされ、数百万人が放射線に被曝しました。 最初は広大な地域に散らばり、爆発の結果として8トンのウラン燃料と崩壊生成物が放出され、それはヨーロッパ全土に広がった。 2番目の汚染は、事故から3年が経過した現在も漁場で太平洋を汚染し続けている。 これらの事故の影響を取り除くには非常に費用がかかり、これらの費用を電気代に換算すると大幅に増加するでしょう。

別の問題は、人間の健康への影響です。 公式統計によると、原爆投下を生き延びた人や汚染地域に住んでいた人の多くは放射線の恩恵を受けており、前者は平均余命が長く、後者はがんが少なく、専門家は死亡率の増加の一部は社会的ストレスにあると考えている。 正確には事故の結果、あるいはその清算の結果として亡くなった人の数は数百人に達します。 原子力発電所の反対派は、この事故が欧州大陸で数百万人の早死にをもたらしているが、それらは統計的には目に見えないだけだと指摘している。

事故地帯の土地を人間の使用から取り除くと、興味深い結果がもたらされます。それは、生物多様性が育つ一種の自然保護区になるということです。 確かに、放射線関連の病気に苦しむ動物もいます。 バックグラウンドの増加にどれだけ早く適応できるかという問題は未解決のままだ。 慢性的な放射線照射の結果は「愚か者の選択」であるという意見もあります（「化学と生命」、2010年、第5号を参照）。胚の段階でも、より原始的な生物が生き残っています。 特に人間関係においては、事故直後に汚染地域で生まれた世代の精神能力の低下につながるはずだ。

劣化ウランとは何ですか？これはウラン 238 からウラン 235 を分離した後に残ったものです。 兵器級ウランおよび燃料要素の製造から生じる廃棄物の量は大量であり、米国だけでも、そのような六フッ化ウランが 60 万トン蓄積されている（それに関する問題については、『Chemistry and Life』、2008 年、第 5 号を参照） 。 ウラン235の含有量は0.2％です。 この廃棄物は、高速中性子炉が作られ、ウラン238をプルトニウムに加工できるようになる好機まで保管するか、何らかの方法で使用する必要がある。

彼らはそれの用途を見つけました。 ウランは、他の遷移元素と同様に触媒として使用されます。 たとえば、次の記事の著者は、 ACSナノ 2014年6月30日付けの論文では、酸素と過酸化水素を還元するためのグラフェンを備えたウランまたはトリウムで作られた触媒が「エネルギー分野で使用できる大きな可能性を秘めている」と書いている。 ウランは密度が高いため、船舶のバラストや航空機の釣合おもりとして機能します。 この金属は、放射線源を備えた医療機器の放射線防護にも適しています。

劣化ウランからどんな兵器が作れるの？徹甲弾の弾丸とコア。 ここでの計算は以下の通りです。 発射体が重ければ重いほど、その運動エネルギーは高くなります。 しかし、発射体が大きくなるほど、その衝撃は集中しなくなります。 これは、高密度の重金属が必要であることを意味します。 弾丸は鉛で作られており（かつてウラルの狩猟者は、それが貴金属であることに気づくまで、自然のプラチナも使用していました）、薬莢の芯はタングステン合金で作られています。 環境保護活動家らは、鉛は軍事作戦や狩猟の現場で土壌を汚染するので、鉛をより害の少ないもの、例えばタングステンに置き換えたほうが良いと指摘している。 しかし、タングステンは安くはなく、同様の密度のウランは有害な廃棄物です。 同時に、ウランによる土壌と水の許容汚染は鉛の約2倍です。 これは、劣化ウランの弱い放射能（天然ウランよりも 40% 低い）が無視され、真に危険な化学的要因が考慮されているために起こります。つまり、私たちが覚えているように、ウランは有毒です。 同時に、その密度は鉛の1.7倍であり、これはウラン弾のサイズを半分に減らすことができることを意味します。 ウランは鉛よりもはるかに耐火性が高く硬いため、発射時の蒸発が少なく、標的に当たったときに生成される微粒子の量も少なくなります。 一般に、ウラン弾は鉛弾よりも汚染が少ないですが、そのようなウランの使用については確実には知られていません。

しかし、劣化ウラン製のプレートがアメリカ戦車の装甲を強化するために使用され（これはその高密度と融点によって促進されます）、また装甲を貫通する発射体の核にタングステン合金の代わりに使用されていることは知られています。 ウランは発火性があるため、ウラン核も優れています。装甲との衝突時に形成された高温の小さな粒子が燃え上がり、周囲のものに火を付けます。 どちらのアプリケーションも放射線に対して安全であると考えられています。 したがって、計算によれば、ウラン弾を装填したウラン装甲を備えた戦車の中に 1 年間座っていたとしても、乗組員は許容線量の 4 分の 1 しか受けられないことが分かりました。 そして、年間許容線量を得るには、そのような弾薬を皮膚の表面に250時間ねじ込む必要があります。

ウラン核を備えた砲弾 - 30 mm 航空機砲または大砲の副口径用 - は、1991 年のイラク作戦をはじめとする最近の戦争でアメリカ人によって使用されてきました。 その年、彼らはクウェートのイラク機甲部隊に雨を降らせ、撤退中に300トンの劣化ウランが投下され、そのうち250トン、つまり78万発が航空機銃に向けて発射された。 ボスニア・ヘルツェゴビナでは、未承認のスルプスカ共和国軍の爆撃中に2.75トンのウランが費やされ、コソボとメトヒヤ地域でのユーゴスラビア軍の砲撃中には8.5トン、つまり3万1000発のウランが費やされた。 WHOはその時までにウラン使用の影響を懸念していたので、監視が行われた。 彼は、1回の斉射が約300発で構成され、その80％に劣化ウランが含まれていることを示した。 10％が標的に命中し、82％が標的から100メートル以内に落下した。 残りは1.85km以内に分散した。 戦車に命中した砲弾は燃え上がってエアロゾルとなり、ウラン砲弾は装甲兵員輸送車などの軽い標的を貫通した。 したがって、イラクではせいぜい1.5トンの砲弾がウラン粉塵になる可能性がある。 アメリカの戦略研究センター、ランド研究所の専門家によると、使用済みウランのさらに多く、10～35％がエアロゾルになったという。 リヤドのキング・ファイサル病院からワシントン・ウラン医学研究センターまで、さまざまな組織で活動してきたクロアチアの反ウラン弾活動家アサフ・デュラコビッチ氏は、1991年にイラク南部だけで3～6トンのサブミクロンのウラン粒子が形成されたと推定している。広範囲に散らばった、つまりチェルノブイリに匹敵するウラン汚染だ。

他の最も一般的なウラン同位体である 238U とは異なり、235U では自立的な核連鎖反応が可能です。 したがって、この同位体は原子炉や核兵器の燃料として使用されます。

この核種 1 グラムの放射能は約 80 kBq です。

• 1 形成と崩壊
• 2 強制分割
  • 2.1 核連鎖反応
• 3 異性体
• 4 アプリケーション
• 5 関連項目
• 6 ノート

形成と衰退

ウラン 235 は、次の崩壊の結果として形成されます。

• 核種 235Pa の β- 崩壊 (半減期は 24.44(11) 分):

• 核種 235Np による K 捕捉 (半減期は 396.1(12) 日):

• 核種 239Pu の α 崩壊 (半減期は 2.411(3) · 104 年):

ウラン 235 の崩壊は次の方向に起こります。

• 231Th の α 崩壊 (確率 100%、崩壊エネルギー 4,678.3(7) keV):

• 自然核分裂 (確率 7(2)・10−9%)。
• 核種 20Ne、25Ne、28Mg の形成を伴うクラスター崩壊 (確率はそれぞれ 8(4)・10−10%、8・10−10%、8・10−10%):

強制分割

1930 年代初頭。 エンリコ・フェルミは超ウラン元素を得るためにウランに中性子を照射しました。 しかし 1939 年に、O. ハーンと F. ストラスマンは、中性子がウラン原子核に吸収されると強制核分裂反応が起こることを示すことができました。 原則として、原子核は2つの断片に分裂し、2〜3個の中性子が放出されます（図を参照）。

ウラン 235 の核分裂生成物では、Z=30 (亜鉛) から Z=64 (ガドリニウム) まで、さまざまな元素の約 300 個の同位体が発見されました。 ウラン 235 に低速中性子を照射したときに形成される同位体の相対収量を質量数に基づいて示す曲線は対称であり、形状は文字「M」に似ています。 この曲線の 2 つの顕著な最大値は質量数 95 と 134 に対応し、最小値は質量数 110 から 125 の範囲で発生します。したがって、ウランが同じ質量の破片 (質量数 115 ～ 119) に分裂します。不斉核分裂よりも確率は低いですが、この傾向はすべての核分裂性同位体で観察され、原子核や粒子の個々の特性とは関係ありませんが、核分裂のメカニズム自体に固有のものです。 しかし、核分裂性原子核の励起エネルギーが増加するにつれて非対称性は減少し、中性子エネルギーが 100 MeV を超えると、核分裂破片の質量分布は核の対称核分裂に対応する 1 つの最大値を持ちます。

中性子の吸収後のウラン235の強制核分裂の選択肢の1つ（図）

ウラン核の分裂中に形成された破片は放射性となり、一連のβ-崩壊を起こし、その間に追加のエネルギーが長期間にわたって徐々に放出されます。 1 つのウラン 235 原子核の崩壊中に放出される平均エネルギーは、破片の崩壊を考慮すると、約 202.5 MeV = 3.244・10−11 J、または 19.54 TJ/mol = 83.14 TJ/kg です。

核分裂は、中性子と原子核の相互作用中に起こり得る多くのプロセスの 1 つにすぎず、あらゆる原子炉の動作の基礎となるプロセスです。

核連鎖反応

1 つの 235U 原子核の崩壊中に、通常 1 ～ 8 (平均 2.5) 個の自由中性子が放出されます。 235U 原子核の崩壊中に生成される各中性子は、別の 235U 原子核との相互作用を受けて、新たな崩壊行為を引き起こす可能性があり、この現象は核分裂の連鎖反応と呼ばれます。

仮説として、第 2 世代の中性子の数 (核崩壊の第 2 段階後) は 3² = 9 を超える可能性があります。核分裂反応の後続の各段階で、生成される中性子の数は雪崩のように増加する可能性があります。 実際の条件下では、自由中性子は新たな核分裂現象を発生させず、235U を捕捉する前にサンプルから離れるか、235U 同位体自体によって捕捉されて 236U に変換されるか、他の物質 (例えば、238U や結果として生じる核物質) によって捕捉される可能性があります。 149Sm や 135Xe などの核分裂フラグメント）。

平均して、それぞれの核分裂作用が別の新しい核分裂作用を生成する場合、その反応は自立的になります。 この状態をクリティカルと呼びます。 (中性子増倍率も参照)

実際の状況では、多くの要因が反応の経過に影響を与えるため、ウランの臨界状態に到達することはそれほど簡単ではありません。 たとえば、天然ウランはわずか 0.72% の 235U で構成され、99.2745% は 238U であり、235U 原子核の核分裂中に生成される中性子を吸収します。 これは、現在、天然ウランの核分裂連鎖反応が非常に早く崩壊するという事実につながります。 連続的な核分裂連鎖反応は、いくつかの主な方法で実行できます。

• サンプルの体積を増やします（鉱石から分離されたウランの場合、体積を増やすことで臨界質量を達成できます）。
• サンプル中の 235U の濃度を高めることによって同位体分離を実行します。
• さまざまな種類の反射板を使用して、サンプルの表面を通過する自由中性子の損失を減らします。
• 中性子減速物質を使用して熱中性子の濃度を高めます。

異性体

唯一知られている異性体は 235Um で、次の特徴があります。

• 過剰質量：40,920.6(1.8)keV
• 励起エネルギー: 76.5(4) eV
• 半減期: 26 分
• 核スピンとパリティ: 1/2+

異性体状態の分解は、基底状態への異性体遷移を通じて発生します。

応用

• ウラン 235 は、制御された核分裂連鎖反応を実行する原子炉の燃料として使用されます。
• 高濃縮ウランは核兵器の製造に使用されます。 この場合、制御されていない核連鎖反応を利用して、大量のエネルギーが放出されます (爆発)。

こちらも参照

• ウランの同位体
• 同位体分離

ノート

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2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 G. アウディ、O. ベルシヨン、J. ブラショー、A. H. ワプストラ (2003)。 「核および崩壊特性の NUBASE 評価」 核物理学A 729 ：3～128。 DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001。 ビブコード: 2003NuPhA.729....3A。
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4. 科学史における今日
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ウラン 235 50、ウラン 235 75、ウラン 235 エリア、ウラン 235/75r15

ウランは、原子番号 92 のアクチニド族の化学元素です。最も重要な核燃料です。 地殻中のその濃度は約2ppmです。 重要なウラン鉱物には、酸化ウラン (U 3 O 8)、ウラン鉱 (UO 2)、カルノタイト (バナジン酸ウラニル カリウム)、オテナイト (リン酸ウラニル カリウム)、トルバーナイト (リン酸ウラニル含水銅) などがあります。 これらおよび他のウラン鉱石は核燃料の供給源であり、既知のすべての回収可能な化石燃料鉱床よりも何倍も多くのエネルギーを含んでいます。 1 kg のウラン 92 U は、300 万 kg の石炭と同じエネルギーを供給します。

発見の歴史

化学元素ウランは、銀白色の緻密で硬い金属です。 延性があり、展性があり、研磨可能です。 金属は空気中で酸化し、粉砕されると発火します。 比較的電気を通しにくい。 ウランの電子式は 7s2 6d1 5f3 です。

この元素は 1789 年にドイツの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロートによって発見され、最近発見された惑星天王星にちなんで命名されましたが、金属自体は 1841 年にフランスの化学者ウジェーヌ・メルヒオール・ペリゴによって四塩化ウラン (UCl 4) からの還元によって単離されました。カリウム。

放射能

1869年にロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフが周期表を作成したことにより、既知の元素の中で最も重いウランに注目が集まり、1940年にネプツニウムが発見されるまでウランはそのままでした。1896年、フランスの物理学者アンリ・ベクレルはウラン中の放射能現象を発見しました。 この特性は後に他の多くの物質でも発見されました。 すべての同位体が放射性のウランは、238 U (99.27%、半減期 - 45 億 1,000 万年)、235 U (0.72%、半減期 - 7 億 1,300 万年)、および 234 U (0.006 %、半減期 - 247,000年）。 これにより、たとえば、岩石や鉱物の年齢を決定して、地質学的プロセスや地球の年齢を研究することができます。 これを行うために、ウランの放射性崩壊の最終生成物である鉛の量を測定します。 この場合、238 U は初期要素であり、234 U は積の 1 つです。 235 U はアクチニウムの一連の崩壊を引き起こします。

連鎖反応の発見

化学元素ウランは、ドイツの化学者オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンが 1938 年末に遅い中性子を照射した際に核分裂を発見して以来、広く関心を集め、集中的な研究の対象となりました。 1939 年初頭、イタリア系アメリカ人の物理学者エンリコ フェルミは、原子分裂の生成物の中には連鎖反応を引き起こす素粒子が存在する可能性があると示唆しました。 1939 年、アメリカの物理学者レオ・シラードとハーバート・アンダーソン、そしてフランスの化学者フレデリック・ジョリオ＝キュリーとその同僚がこの予測を確認しました。 その後の研究では、原子が分裂するときに平均して 2.5 個の中性子が放出されることが示されました。 これらの発見は、最初の自立核連鎖反応 (1942 年 2 月 12 日)、最初の原子爆弾 (1945 年 7 月 16 日)、戦争での最初の使用 (1945 年 8 月 6 日)、最初の原子力潜水艦 ( 1955 年）と最初の本格的な原子力発電所（1957 年）。

酸化状態

化学元素ウランは強力な陽性金属であり、水と反応します。 酸には溶けますが、アルカリには溶けません。 重要な酸化状態は、+4 (酸化 UO 2、UCl 4 などの四ハロゲン化物、グリーンウォーター イオン U4+ など) および +6 (酸化 UO 3、六フッ化 UF 6、ウラニル イオン UO 2 2+ など) です。 水溶液中では、ウランは線状構造 [O = U = O] 2+ を持つウラニル イオンの組成で最も安定します。 この要素には状態 +3 および +5 もありますが、これらは不安定です。 Red U 3+ は、酸素を含まない水中でゆっくりと酸化します。 UO 2+ イオンは非常に希薄な溶液中でも不均化（UO 2+ は U 4+ に還元され、酸化されて UO 2 2+ になる）を受けるため、その色は不明です。

核燃料

遅い中性子にさらされると、ウラン原子の核分裂は比較的まれな同位体 235 U で発生します。これは天然に存在する唯一の核分裂性物質であり、同位体 238 U から分離する必要があります。ただし、ウランは吸収と負のベータ崩壊の後、 -238 は合成元素プルトニウムに変化し、低速中性子の影響で分裂します。 したがって、天然ウランは転炉や増殖炉で使用でき、そこでは希少な235 Uによって核分裂がサポートされ、238 Uの核変換と同時にプルトニウムが生成されます。 核分裂物質 233 U は、核燃料として使用するために、広く存在する天然同位体トリウム 232 から合成できます。 ウランは、合成超ウラン元素を得る主原料としても重要です。

ウランのその他の用途

この化学元素の化合物は、以前はセラミックの染料として使用されていました。 六フッ化物 (UF 6) は、25 °C で異常に高い蒸気圧 (0.15 atm = 15,300 Pa) を持つ固体です。 UF 6 は化学的に非常に反応性が高く、蒸気状態では腐食性があるにもかかわらず、濃縮ウランを製造するためのガス拡散法やガス遠心分離法に広く使用されています。

有機金属化合物は、金属-炭素結合によって金属が有機基に接続されている、興味深く重要な化合物群です。 ウラノセンは、シクロオクタテトラエン C 8 H 8 に関連する 2 層の有機環の間にウラン原子が挟まれた有機ラン化合物 U(C 8 H 8) 2 です。 1968 年の発見により、有機金属化学の新しい分野が開かれました。

劣化天然ウランは、徹甲弾や戦車の装甲の放射線防護、バラストとして使用されます。

リサイクル

この化学元素は非常に密度が高い (19.1 g/cm3) ものの、比較的弱く不燃性の物質です。 実際、ウランの金属的性質は、銀と他の真の金属および非金属の間のどこかに位置するように見えるため、構造材料としては使用されません。 ウランの主な価値は、その同位体の放射性特性と核分裂能力にあります。 自然界では、金属のほぼすべて (99.27%) は 238 U で構成されています。残りは 235 U (0.72%) と 234 U (0.006%) です。 これらの天然同位体のうち、中性子照射によって直接核分裂するのは 235 U だけです。 しかし、吸収されると 238 U は 239 U を形成し、最終的には原子力発電や核兵器にとって非常に重要な核分裂性物質である 239 Pu に崩壊します。 別の核分裂性同位体 233 U は、 232 Th の中性子照射によって生成されます。

結晶形態

ウランの特性により、通常の状態でも酸素や窒素と反応します。 高温では、広範囲の合金金属と反応して金属間化合物を形成します。 この元素の原子によって形成される特殊な結晶構造により、他の金属との固溶体の形成はまれです。 室温から融点 1132 °C までの間では、金属ウランはアルファ (α)、ベータ (β)、ガンマ (γ) として知られる 3 つの結晶形で存在します。 α状態からβ状態への転移は668℃で起こり、β状態からγ状態への転移は775℃で起こります。 γ-ウランは体心立方晶系の結晶構造を持ち、βは正方晶系の結晶構造を持ちます。 α相は、対称性の高い斜方晶系構造の原子層で構成されています。 この異方性の歪んだ構造により、合金化金属原子がウラン原子と置き換わったり、結晶格子内のウラン原子間の空間を占めたりすることが防止されます。 モリブデンとニオブのみが固溶体を形成することが判明した。

鉱石

地球の地殻には約2ppmのウランが含まれており、これは自然界にウランが広範囲に存在していることを示しています。 海洋にはこの化学元素が 4.5 × 10 9 トン含まれていると推定されています。 ウランは、150 以上の異なる鉱物の重要な構成成分であり、他の 50 種類の鉱物の微量成分です。マグマの熱水鉱脈とペグマタイトで見つかる主な鉱物には、ウラン鉱とその変種ピッチブレンドが含まれます。 これらの鉱石では、元素は二酸化物の形で存在し、酸化によりその濃度は UO 2 から UO 2.67 までの範囲になります。 ウラン鉱山からのその他の経済的に重要な生成物には、オーチュナイト (水和リン酸ウラニル カルシウム)、トーバーナイト (水和リン酸ウラニル銅)、コフィニット (黒色水和ケイ酸ウラン)、およびカルノタイト (水和ウラニル バナジン酸カリウム) があります。

既知の低価格ウラン埋蔵量の 90% 以上は、オーストラリア、カザフスタン、カナダ、ロシア、南アフリカ、ニジェール、ナミビア、ブラジル、中国、モンゴル、ウズベキスタンにあると推定されています。 大規模な鉱床は、カナダのオンタリオ州ヒューロン湖の北に位置するエリオット湖の礫岩層と南アフリカのウィットウォータースランド金鉱山で発見されています。 米国西部のコロラド高原とワイオミング盆地の砂地層にも、かなりのウラン埋蔵量が含まれています。

生産

ウラン鉱石は、地表近くと深部 (300 ～ 1200 m) の鉱床の両方で見つかります。 地下では、層の厚さは30メートルに達し、他の金属鉱石と同様に、ウランも地表で大型土木機械を使用して採掘され、深部鉱床の開発は伝統的な垂直および傾斜法で行われます。鉱山。 2013 年の世界のウラン精鉱生産量は 7 万トンに達し、最も生産性の高いウラン鉱山はカザフスタン (全生産量の 32%)、カナダ、オーストラリア、ニジェール、ナミビア、ウズベキスタン、ロシアにあります。

ウラン鉱石には通常、少量のウラン含有鉱物しか含まれておらず、直接乾式冶金法では製錬できません。 代わりに、湿式冶金手順を使用してウランを抽出および精製する必要があります。 濃度を上げると処理回路の負荷は大幅に軽減されますが、重力選別、浮遊選別、静電選別、さらには手動選別など、鉱物処理に一般的に使用される従来の選鉱方法はどれも適用できません。 いくつかの例外を除いて、これらの方法では大幅なウランの損失が発生します。

燃焼

ウラン鉱石の湿式製錬処理には、多くの場合、高温焼成段階が先行します。 焼成により粘土が脱水され、炭素質物質が除去され、硫黄化合物が無害な硫酸塩に酸化され、その後の加工を妨げる可能性のあるその他の還元剤が酸化されます。

浸出

ウランは、酸性とアルカリ性の水溶液の両方によって焙煎鉱石から抽出されます。 すべての浸出システムが正常に機能するには、化学元素が最初はより安定した六価の形態で存在するか、処理中にこの状態に酸化される必要があります。

酸浸出は通常、鉱石と浸出剤の混合物を周囲温度で 4 ～ 48 時間撹拌することによって行われます。 特別な場合を除き、硫酸を使用します。 それは、ｐＨ１．５の最終液を得るのに十分な量で供給される。 硫酸浸出スキームでは通常、二酸化マンガンまたは塩素酸塩のいずれかを使用して、四価の U4+ を六価のウラニル (UO22+) に酸化します。 通常、U 4+ の酸化には、1 トンあたり約 5 kg の二酸化マンガンまたは 1.5 kg の塩素酸ナトリウムで十分です。 いずれの場合も、酸化ウランは硫酸と反応して硫酸ウラニル錯体アニオン 4- を形成します。

方解石やドロマイトなどの必須ミネラルを大量に含む鉱石は、0.5 ～ 1 モルの炭酸ナトリウム溶液で浸出します。 さまざまな試薬が研究され、テストされていますが、ウランの主な酸化剤は酸素です。 通常、鉱石は大気圧、75 ～ 80 °C の温度で、特定の化学組成に応じた期間、空気中で浸出されます。 アルカリはウランと反応して、易溶性の錯イオン 4- を形成します。

酸または炭酸塩の浸出によって生じた溶液は、さらに処理する前に清澄する必要があります。 粘土やその他の鉱石スラリーの大規模な分離は、ポリアクリルアミド、グアーガム、膠などの効果的な凝集剤を使用することで実現されます。

抽出

4- および 4- 錯体イオンは、それぞれのイオン交換樹脂浸出溶液から吸着できます。 これらの特殊樹脂は、吸着と溶出の速度論、粒子サイズ、安定性、および水硬性を特徴としており、固定床、移動床、バスケット樹脂、連続樹脂などのさまざまな加工技術で使用できます。 通常、吸着ウランを溶出するには、塩化ナトリウムとアンモニアまたは硝酸塩の溶液が使用されます。

ウランは、溶媒抽出によって酸性鉱石液から単離できます。 アルキルリン酸は、第二級および第三級アルキルアミンと同様に工業的に使用されています。 一般に、1 g/L を超えるウランを含む酸濾液の場合は、イオン交換法よりも溶媒抽出の方が適しています。 ただし、この方法は炭酸塩浸出には適用できません。

次いで、ウランを硝酸に溶解して硝酸ウラニルを形成することにより精製し、抽出、結晶化、焼成して三酸化ＵＯ ３ を形成する。 還元された二酸化物 UO2 はフッ化水素と反応してθフッ化物 UF4 を形成し、そこから 1300 °C の温度でマグネシウムまたはカルシウムによって金属ウランが還元されます。

四フッ化物は 350 °C でフッ素化されて UF 6 六フッ化物を形成することができ、これはガス拡散、ガス遠心分離、または液体熱拡散によって濃縮ウラン 235 を分離するために使用されます。

天王星。天然ウランは、ウラン 234、ウラン 235、ウラン 238 の 3 つの同位体の混合物で構成されています。 人工放射性物質 - 質量数 227 ～ 240。 ウラン 235 の半減期は 7x108 年、ウラン 238 は 4.5x109 年です。 ウランとその娘放射性核種の崩壊中に、ガンマ線だけでなくアルファ線とベータ線も放出されます。 ウランは、皮膚を含むさまざまな方法で身体に浸透します。 可溶性化合物はすぐに血液に吸収され、臓器や組織に分配され、腎臓、骨、肝臓、脾臓に蓄積します。 肺からの生物学的半減期は118〜150日、骨格からは450日です。 ウランとその崩壊生成物により、年間の発生率は 1.34 ミリシーベルトです。

トリウム。 トリウム 232 は不活性ガスです。 その崩壊生成物は固体の放射性物質です。 半減期は 1.4x1010 年です。 トリウムとその崩壊生成物の変化中に、アルファ - ベータ粒子とガンマ量子が放出されます。 鉱物トリアナイトには最大 45 ～ 88% のトリウムが含まれています。 燃料棒はトリウムと濃縮ウランの合金から作られます。 肺、胃腸管、皮膚を通って体内に入ります。 骨髄と脾臓に蓄積します。 ほとんどの臓器からの排出の生物学的半減期は 700 日、骨格からの排出は 68 年です。

ラジウム。 ラジウム 226 は、ウラン 238 の最も重要な放射性崩壊生成物です。 半減期は1622年。 銀白色の金属です。 放射線治療用のアルファ粒子源として医療で広く使用されています。 呼吸器系、消化管、皮膚を通って体内に侵入します。 入ってくるラジウムのほとんどは骨格に沈着します。 骨からの生物学的半減期は約17年、肺からは180日、他の臓器からは最初の2日で除去されます。 人体に入ると、骨組織や赤色骨髄に損傷を与え、造血障害、骨折、腫瘍の発生を引き起こします。 1 日かけて、1 g のラジウムが崩壊すると 1 mm3 のラドンが生成されます。

ラドン。ラドン 222 は無色無臭の気体です。 半減期は3.83日。 ラジウム 226 の崩壊生成物。 ラドンはアルファ線放射体です。 天然ガス、地下水などに含まれる放射性鉱石のウラン鉱床で形成されます。 岩石の亀裂から漏れることもあり、換気の悪い鉱山や鉱山では濃度が大きな値に達する可能性があります。 ラドンは多くの建築材料に含まれています。 また、火山活動中、リン酸塩の生成中、および地熱発電所の運転中にも大気中に侵入します。

医療目的では、関節、骨、末梢神経系、慢性婦人科疾患などの治療にラドン浴の形で使用されます。また、吸入、洗浄、水の摂取の形でも使用されます。ラドンを含む。 主に呼吸器系を介して体内に侵入します。 体内からの半減期は24時間以内です。 ラドンは、地上放射線源からの年間等価線量の 3/4 を提供し、すべての自然放射線源からの線量の約 1/2 を提供します。

カリウム。カリウム 40 は銀白色の金属であり、化学的に非常に活性が高いため、遊離形では存在しません。 人生の半分
1.32 x 109 年。 崩壊する際にはベータ粒子を放出します。 それは典型的な生物学的要素です。 人が必要とするカリウムの量は、1 日あたり体重 1 kg あたり 2 ～ 3 mg です。 カリウムはジャガイモ、ビート、トマトに多く含まれています。 体は入ってくるカリウムを 100% 吸収し、すべての臓器に均等に分配しますが、比較的多くのカリウムが肝臓と脾臓に分布します。 半減期は約60日です。

ヨウ素。ヨウ素 131 は、ウランとプルトニウムの核分裂反応中、およびテルルの中性子照射中に生成されます。 半減期は8.05日。 呼吸器系、消化管（入ってくるヨウ素は 100% 吸収される）、皮膚を通って体内に入ります。 それは主に甲状腺に蓄積し、甲状腺内の濃度は他の組織よりも 200 倍高くなります。 ヨウ素が崩壊すると、1 つのベータ粒子と 2 つのガンマ量子が放出されます。 甲状腺からの半減期は 138 日、他の臓器からの半減期は 10 ～ 15 日です。 妊婦の体から、ヨウ素は胎盤を通って胎児に到達します。

セシウム。セシウム 137 は、総等価放射線量に決定的に寄与します。 セシウムは銀白色の金属です。 それはベータ線とガンマ線の発生源です。 セシウム137の半減期 -
30年。 チェルノブイリ事故以前は、環境中に入るセシウムの主な発生源は核爆発でした。 沈着したセシウムのほとんどは吸収されやすい形です。 植物では主に藁や頂部に蓄積します。 摂取されたセシウムは100％腸で吸収されます。 主に筋肉組織に蓄積します。 筋肉からの半減期は140日です。

ストロンチウム。 ストロンチウム 90 - 半減期 - 28.6 年 (ストロンチウム 89 の場合 - 50.5 日)。 ストロンチウム 90 はベータ線放出体です。 ストロンチウムは、植物、動物、人間に容易に吸収されます。 ストロンチウムを濃縮するのはトウモロコシであり、その中のストロンチウム含有量は土壌中のストロンチウムの 5 ～ 20 倍です。 人間の体では、食事に応じて、入ってくるストロンチウムの 5% ～ 100% が胃腸管で吸収されます (平均 30%)。 主に骨格に蓄積します。 最大濃度は1歳未満の子供に観察されます。 軟組織からのストロンチウムの半減期は最大10日、骨からは最大8〜10年です。

プルトニウム。 プルトニウム 239 はアルファ線放出体です。 その半減期は24,360年です。 銀白色の金属です。 プルトニウムの発生源は、核爆発のほか、原子力発電所の原子炉、特に緊急放出です。 土壌では、水域の表層および底質に存在します。 肺および胃腸管を通って体内に入り、胃腸管から吸収されるのは 1% 未満です。 肺、肝臓、骨組織に蓄積します。 骨格からの排出の半減期は100年、肝臓からの排出は40年です。

アメリシウム。 アメリシウム 241 はプルトニウム 241 の崩壊生成物です (241Pu の半減期は 14.4 年です)。 アメリシウム 241 の半減期は 432.2 年で、崩壊中にアルファ粒子を放出します。 アメリシウムはプルトニウムよりもはるかによく水に溶けるため、より大きな移行能力を持っています。 アメリシウムの 99% は土壌の表層に蓄積し、10% は溶解した形で存在し、植物に容易に吸収されます。 人間の骨格、肝臓、腎臓に集中しています。 骨格からの半減期は最大30年、肝臓からの半減期は最大5年です。