A meia-vida do urânio 235 é quantos anos. Armas atômicas

(β −)
235 Np()
239Pu()

Ao contrário do outro isótopo mais comum do urânio 238 U, uma reação em cadeia nuclear autossustentável é possível em 235 U. Portanto, este isótopo é utilizado como combustível em reatores nucleares, bem como em armas nucleares.

Formação e decadência

O urânio-235 é formado como resultado dos seguintes decaimentos:

A decadência do urânio-235 ocorre nas seguintes direções:

Divisão forçada

Cerca de 300 isótopos de vários elementos foram descobertos nos produtos da fissão do urânio-235: de =30 (zinco) a Z=64 (gadolínio). A curva do rendimento relativo dos isótopos formados durante a irradiação do urânio-235 com nêutrons lentos no número de massa é simétrica e tem o formato da letra “M”. Os dois máximos pronunciados desta curva correspondem aos números de massa 95 e 134, e o mínimo ocorre na faixa dos números de massa de 110 a 125. Assim, a fissão do urânio em fragmentos de massa igual (com números de massa 115-119) ocorre com menos probabilidade do que a fissão assimétrica.Essa tendência é observada em todos os isótopos físseis e não está associada a nenhuma propriedade individual de núcleos ou partículas, mas é inerente ao próprio mecanismo de fissão nuclear. No entanto, a assimetria diminui com o aumento da energia de excitação do núcleo físsil e quando a energia dos nêutrons é superior a 100 MeV, a distribuição de massa dos fragmentos de fissão tem um máximo, correspondendo à fissão simétrica do núcleo. Os fragmentos formados durante a fissão de um núcleo de urânio são, por sua vez, radioativos e sofrem uma cadeia de decaimentos β, durante os quais energia adicional é liberada gradualmente ao longo de um longo período de tempo. A energia média liberada durante o decaimento de um núcleo de urânio-235, levando em consideração o decaimento dos fragmentos, é de aproximadamente 202,5 ​​MeV = 3,244·10 −11 J, ou 19,54 TJ/mol = 83,14 TJ/kg.

A fissão nuclear é apenas um dos muitos processos possíveis durante a interação dos nêutrons com os núcleos; é aquele que está subjacente à operação de qualquer reator nuclear.

Reação em cadeia nuclear

Durante o decaimento de um núcleo de 235 U, geralmente são emitidos de 1 a 8 (em média 2,416) nêutrons livres. Cada nêutron produzido durante o decaimento do núcleo de 235 U, sujeito à interação com outro núcleo de 235 U, pode causar um novo evento de decaimento, esse fenômeno é denominado reação em cadeia de fissão nuclear.

Hipoteticamente, o número de nêutrons de segunda geração (após o segundo estágio de decaimento nuclear) pode exceder 3² = 9. A cada estágio subsequente da reação de fissão, o número de nêutrons produzidos pode aumentar como uma avalanche. Em condições reais, os nêutrons livres podem não gerar um novo evento de fissão, saindo da amostra antes de capturar 235 U, ou serem capturados pelo próprio isótopo 235 U, transformando-o em 236 U, ou por outros materiais (por exemplo, 238 U, ou os fragmentos resultantes da fissão nuclear, como 149 Sm ou 135 Xe).

Em condições reais, não é tão fácil atingir um estado crítico do urânio, uma vez que vários fatores influenciam o curso da reação. Por exemplo, o urânio natural consiste em apenas 0,72% de 235 U, 99,2745% é 238 U, que absorve nêutrons produzidos durante a fissão de núcleos de 235 U. Isso leva ao fato de que no urânio natural a reação em cadeia de fissão atualmente desaparece muito rapidamente. Uma reação em cadeia de fissão contínua pode ser realizada de várias maneiras principais:

• Aumentar o volume da amostra (para o urânio isolado do minério é possível atingir massa crítica aumentando o volume);
• Realize a separação de isótopos aumentando a concentração de 235 U na amostra;
• Reduzir a perda de nêutrons livres através da superfície da amostra utilizando vários tipos de refletores;
• Use uma substância moderadora de nêutrons para aumentar a concentração de nêutrons térmicos.

Isômeros

• Excesso de massa: 40.920,6(1,8) keV
• Energia de excitação: 76,5(4) eV
• Meia-vida: 26 minutos
• Spin nuclear e paridade: 1/2 +

A decomposição do estado isomérico ocorre através de uma transição isomérica para o estado fundamental.

Aplicativo

• O urânio-235 é usado como combustível para reatores nucleares nos quais controlada reação em cadeia de fissão nuclear;
• O urânio altamente enriquecido é usado para criar armas nucleares. Neste caso, para liberar uma grande quantidade de energia (explosão), incontrolável reação nuclear em cadeia.

Veja também

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Notas

1. G. Audi, A.H. Wapstra e C. Thibault (2003). "". Física Nuclear A 729 : 337-676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. Código Bib:.
2. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot e AH Wapstra (2003). "". Física Nuclear A 729 : 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Código Bib:.
3. Hoffman K.- 2ª ed. apagado - L.: Química, 1987. - P. 130. - 232 p. - 50.000 cópias.
5. Fialkov Yu.Ya. Aplicação de isótopos na química e na indústria química. - Kiev: Tekhnika, 1975. - P. 87. - 240 p. - 2.000 exemplares.
6. . Kaye e Laby on-line. .
7. Bartolomey G. G., Baibakov V. D., Alkhutov M. S., Bat G. A. Fundamentos da teoria e métodos de cálculo de reatores nucleares. - M.: Energoatomizdat, 1982. - S. 512.

Um trecho caracterizando o Urânio-235

Em 12 e 13, Kutuzov foi diretamente responsabilizado pelos erros. O imperador estava insatisfeito com ele. E na história, escrita recentemente por ordem do mais alto, diz-se que Kutuzov era um astuto mentiroso da corte que tinha medo do nome de Napoleão e com seus erros em Krasnoye e perto de Berezina privou as tropas russas de glória - uma vitória completa sobre o francês. [A história de Bogdanovich em 1812: características de Kutuzov e raciocínio sobre os resultados insatisfatórios das batalhas de Krasnensky. (Nota de L.N. Tolstoi.)]
Este não é o destino de grandes pessoas, não de grand homme, que a mente russa não reconhece, mas o destino daquelas pessoas raras, sempre solitárias, que, compreendendo a vontade da Providência, subordinam a ela a sua vontade pessoal. O ódio e o desprezo da multidão punem essas pessoas pela sua compreensão das leis superiores.
Para os historiadores russos - é estranho e assustador dizer - Napoleão é o instrumento mais insignificante da história - nunca e em lugar nenhum, mesmo no exílio, que não demonstrou dignidade humana - Napoleão é objeto de admiração e deleite; ele é ótimo. Kutuzov, o homem que, do início ao fim da sua actividade em 1812, de Borodin a Vilna, sem nunca mudar uma acção ou palavra, mostra um exemplo extraordinário na história de auto-sacrifício e consciência no presente do significado futuro do acontecimento, – Kutuzov parece-lhes algo vago e lamentável, e quando falam de Kutuzov e do 12º ano, parecem sempre um pouco envergonhados.
Entretanto, é difícil imaginar uma pessoa histórica cuja atividade fosse tão invariável e constantemente dirigida para o mesmo objetivo. É difícil imaginar uma meta mais digna e mais coerente com a vontade de todo o povo. É ainda mais difícil encontrar outro exemplo na história em que o objectivo que uma figura histórica estabeleceu para si mesmo fosse tão completamente alcançado como o objectivo para o qual todas as actividades de Kutuzov foram dirigidas em 1812.
Kutuzov nunca falou dos quarenta séculos que olham das pirâmides, dos sacrifícios que faz pela pátria, do que pretende fazer ou fez: não disse nada sobre si mesmo, não desempenhou nenhum papel , sempre pareceu ser a pessoa mais simples e comum e dizia as coisas mais simples e comuns. Ele escrevia cartas para suas filhas e para mim Stael, lia romances, adorava a companhia de mulheres bonitas, brincava com generais, oficiais e soldados e nunca contradizia aquelas pessoas que queriam provar algo para ele. Quando o conde Rastopchin, na ponte Yauzsky, foi até Kutuzov com censuras pessoais sobre quem era o culpado pela morte de Moscou e disse: “Como você prometeu não deixar Moscou sem lutar?” - Kutuzov respondeu: “Não deixarei Moscou sem batalha”, apesar de Moscou já ter sido abandonada. Quando Arakcheev, que veio até ele do soberano, disse que Yermolov deveria ser nomeado chefe da artilharia, Kutuzov respondeu: “Sim, eu mesmo disse isso”, embora um minuto depois ele tenha dito algo completamente diferente. O que lhe importava, o único que então compreendeu todo o enorme significado do acontecimento, entre a multidão estúpida que o rodeava, o que lhe importava se o conde Rostopchin atribuísse a si mesmo ou a ele o desastre da capital? Ele poderia estar ainda menos interessado em quem seria nomeado chefe da artilharia.
Não só nestes casos, mas constantemente, este velho, que através da experiência de vida chegou à convicção de que os pensamentos e as palavras que lhes servem de expressão não são as forças motrizes das pessoas, pronunciou palavras completamente sem sentido - as primeiras que vieram a a mente dele.
Mas este mesmo homem, que tanto negligenciou as suas palavras, nunca em toda a sua atividade pronunciou uma única palavra que não estivesse de acordo com o único objetivo pelo qual ele se esforçou durante toda a guerra. Obviamente, involuntariamente, com uma forte confiança de que não o entenderiam, ele expressou repetidamente seus pensamentos em uma ampla variedade de circunstâncias. A partir da Batalha de Borodino, a partir da qual começou a sua discórdia com os que o rodeavam, só ele disse que a Batalha de Borodino foi uma vitória, e repetiu isso oralmente, e em relatórios, e relatórios até à sua morte. Só ele disse que a perda de Moscou não é a perda da Rússia. Em resposta à proposta de paz de Lauriston, ele respondeu que não poderia haver paz, porque tal era a vontade do povo; só ele, durante a retirada francesa, disse que todas as nossas manobras não eram necessárias, que tudo ficaria melhor por si só do que desejávamos, que deveria ser dada ao inimigo uma ponte de ouro, que nem o Tarutino, nem o Vyazemsky, nem o As batalhas de Krasnenskoye eram necessárias, com o que algum dia você terá que chegar à fronteira, para que ele não desista de um russo por dez franceses.
E só ele, este homem da corte, como nos é retratado, o homem que mente a Arakcheev para agradar ao soberano - só ele, este homem da corte, em Vilna, ganhando assim o desfavor do soberano, diz que mais guerra no exterior é prejudicial e inútil.
Mas as palavras por si só não teriam provado que ele compreendeu o significado do evento. Suas ações - todas sem o menor recuo, foram todas direcionadas ao mesmo objetivo, expresso em três ações: 1) esforçar todas as suas forças para enfrentar os franceses, 2) derrotá-los e 3) expulsá-los da Rússia, tornando-o o mais fácil como possíveis desastres para o povo e as tropas.
Ele, aquele Kutuzov lento, cujo lema é paciência e tempo, é inimigo da ação decisiva, dá a Batalha de Borodino, vestindo os preparativos para ela com uma solenidade sem precedentes. Ele, aquele Kutuzov, que na Batalha de Austerlitz, antes de começar, disse que ela estaria perdida, em Borodino, apesar das garantias dos generais de que a batalha estava perdida, apesar do exemplo sem precedentes na história de que depois de uma batalha vencida o o exército deve recuar, só ele, ao contrário de todos, afirma até a sua morte que a Batalha de Borodino é uma vitória. Só ele, durante toda a retirada, insiste em não travar batalhas que agora são inúteis, em não iniciar uma nova guerra e em não cruzar as fronteiras da Rússia.
Agora é fácil compreender o significado de um evento, a menos que nos apliquemos às atividades de massas de objetivos que estavam na mente de uma dúzia de pessoas, uma vez que todo o evento com suas consequências está diante de nós.
Mas como poderia então este velho, sozinho, ao contrário da opinião de todos, adivinhar, e então adivinhar tão corretamente o significado do significado popular do acontecimento, que nunca o traiu em todas as suas atividades?
A fonte desse extraordinário poder de compreensão do significado dos fenômenos que ocorriam estava no sentimento nacional que ele carregava dentro de si em toda a sua pureza e força.
Só o reconhecimento deste sentimento nele fez com que o povo, de formas tão estranhas, desde a desgraça de um velho, o escolhesse contra a vontade do czar como representante da guerra popular. E só esse sentimento o levou àquela altura humana mais elevada, de onde ele, o comandante-em-chefe, dirigiu todas as suas forças não para matar e exterminar pessoas, mas para salvá-las e ter pena delas.

De onde veio o urânio? Muito provavelmente, aparece durante explosões de supernovas. O fato é que para a nucleossíntese de elementos mais pesados ​​que o ferro, deve haver um poderoso fluxo de nêutrons, que ocorre justamente durante uma explosão de supernova. Parece que então, durante a condensação da nuvem de novos sistemas estelares por ele formados, o urânio, tendo se coletado em uma nuvem protoplanetária e sendo muito pesado, deveria afundar nas profundezas dos planetas. Mas isso não é verdade. O urânio é um elemento radioativo e quando se decompõe libera calor. Os cálculos mostram que se o urânio fosse distribuído uniformemente por toda a espessura do planeta, pelo menos com a mesma concentração da superfície, emitiria muito calor. Além disso, o seu fluxo deverá enfraquecer à medida que o urânio for consumido. Como nada parecido foi observado, os geólogos acreditam que pelo menos um terço do urânio, e talvez todo ele, está concentrado na crosta terrestre, onde seu conteúdo é de 2,5∙10 –4%. Por que isso aconteceu não é discutido.

Onde o urânio é extraído? Não há tão pouco urânio na Terra - está em 38º lugar em termos de abundância. E a maior parte desse elemento é encontrada em rochas sedimentares - xistos carbonáceos e fosforitos: até 8∙10 –3 e 2,5∙10 –2%, respectivamente. No total, a crosta terrestre contém 10 14 toneladas de urânio, mas o principal problema é que ele está muito disperso e não forma depósitos poderosos. Aproximadamente 15 minerais de urânio são de importância industrial. Trata-se de alcatrão de urânio - sua base é óxido de urânio tetravalente, mica de urânio - vários silicatos, fosfatos e compostos mais complexos com vanádio ou titânio à base de urânio hexavalente.

Quais são os raios de Becquerel? Após a descoberta dos raios X por Wolfgang Roentgen, o físico francês Antoine-Henri Becquerel interessou-se pelo brilho dos sais de urânio, que ocorre sob a influência da luz solar. Ele queria entender se havia raios X aqui também. Na verdade, eles estavam presentes – o sal iluminava a chapa fotográfica através do papel preto. Em um dos experimentos, porém, o sal não foi iluminado, mas a chapa fotográfica ainda escureceu. Quando um objeto de metal era colocado entre o sal e a chapa fotográfica, o escurecimento por baixo era menor. Portanto, novos raios não surgiram devido à excitação do urânio pela luz e não passaram parcialmente pelo metal. Eles foram inicialmente chamados de “raios de Becquerel”. Posteriormente, descobriu-se que se trata principalmente de raios alfa com uma pequena adição de raios beta: o fato é que os principais isótopos do urânio emitem uma partícula alfa durante o decaimento, e os produtos filhos também sofrem decaimento beta.

Quão radioativo é o urânio? O urânio não possui isótopos estáveis; todos são radioativos. O de vida mais longa é o urânio-238, com meia-vida de 4,4 bilhões de anos. Em seguida vem o urânio-235 - 0,7 bilhão de anos. Ambos sofrem decaimento alfa e se tornam os isótopos correspondentes do tório. O urânio-238 representa mais de 99% de todo o urânio natural. Devido à sua enorme meia-vida, a radioatividade desse elemento é baixa e, além disso, as partículas alfa não conseguem penetrar no estrato córneo da superfície do corpo humano. Dizem que depois de trabalhar com urânio, I. V. Kurchatov simplesmente enxugou as mãos com um lenço e não sofreu de nenhuma doença associada à radioatividade.

Os pesquisadores recorreram repetidamente às estatísticas de doenças de trabalhadores em minas de urânio e fábricas de processamento. Aqui, por exemplo, está um artigo recente de especialistas canadenses e americanos que analisaram dados de saúde de mais de 17 mil trabalhadores na mina Eldorado, na província canadense de Saskatchewan, durante os anos 1950-1999 ( Pesquisa Ambiental, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Eles partiram do fato de que a radiação tem o efeito mais forte nas células sanguíneas que se multiplicam rapidamente, levando aos tipos correspondentes de câncer. As estatísticas mostram que os mineiros têm uma incidência menor de vários tipos de câncer no sangue do que a média da população canadense. Nesse caso, a principal fonte de radiação não é considerada o urânio em si, mas o radônio gasoso que ele gera e seus produtos de decomposição, que podem entrar no corpo pelos pulmões.

Por que o urânio é prejudicial?? Tal como outros metais pesados, é altamente tóxico e pode causar insuficiência renal e hepática. Por outro lado, o urânio, sendo um elemento disperso, está inevitavelmente presente na água, no solo e, concentrando-se na cadeia alimentar, entra no corpo humano. É razoável supor que no processo de evolução os seres vivos aprenderam a neutralizar o urânio em concentrações naturais. O urânio é o mais perigoso na água, por isso a OMS estabeleceu um limite: inicialmente era de 15 µg/l, mas em 2011 o padrão foi aumentado para 30 µg/g. Via de regra, há muito menos urânio na água: nos EUA, em média, 6,7 µg/l, na China e na França - 2,2 µg/l. Mas também existem fortes desvios. Assim, em algumas áreas da Califórnia é cem vezes mais do que o padrão – 2,5 mg/l, e no sul da Finlândia chega a 7,8 mg/l. Os pesquisadores estão tentando entender se o padrão da OMS é muito rígido, estudando o efeito do urânio nos animais. Aqui está um trabalho típico ( Pesquisa BioMed Internacional, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Cientistas franceses alimentaram ratos com água durante nove meses com aditivos de urânio empobrecido e em concentrações relativamente altas - de 0,2 a 120 mg/l. O valor mais baixo é a água perto da mina, enquanto o valor mais alto não é encontrado em lugar nenhum - a concentração máxima de urânio, medida na Finlândia, é de 20 mg/l. Para surpresa dos autores - o artigo se chama: “A inesperada ausência de um efeito perceptível do urânio nos sistemas fisiológicos ...” - o urânio praticamente não teve efeito na saúde dos ratos. Os animais comeram bem, engordaram bem, não reclamaram de doenças e não morreram de câncer. O urânio, como não poderia deixar de ser, foi depositado principalmente nos rins e nos ossos e em quantidades cem vezes menores no fígado, e seu acúmulo dependia, como esperado, do conteúdo da água. No entanto, isso não levou à insuficiência renal ou mesmo ao aparecimento perceptível de quaisquer marcadores moleculares de inflamação. Os autores sugeriram que deveria começar uma revisão das diretrizes rígidas da OMS. No entanto, há uma ressalva: o efeito no cérebro. Havia menos urânio no cérebro dos ratos do que no fígado, mas o seu conteúdo não dependia da quantidade na água. Mas o urânio afetou o funcionamento do sistema antioxidante do cérebro: a atividade da catalase aumentou em 20%, a da glutationa peroxidase em 68-90% e a atividade da superóxido dismutase diminuiu em 50%, independentemente da dose. Isto significa que o urânio claramente causou estresse oxidativo no cérebro e o corpo respondeu a ele. Esse efeito - o forte efeito do urânio no cérebro na ausência de seu acúmulo nele, aliás, assim como nos órgãos genitais - já foi percebido antes. Além disso, água com urânio numa concentração de 75-150 mg/l, que pesquisadores da Universidade de Nebraska alimentaram ratos durante seis meses ( Neurotoxicologia e Teratologia, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), afetou o comportamento dos animais, principalmente machos, soltos no campo: eles cruzavam linhas, ficavam em pé sobre as patas traseiras e alisavam a pelagem de forma diferente dos animais controle. Há evidências de que o urânio também causa comprometimento da memória em animais. Mudanças comportamentais foram correlacionadas com níveis de oxidação lipídica no cérebro. Acontece que a água com urânio tornou os ratos saudáveis, mas um tanto estúpidos. Estes dados serão úteis para nós na análise da chamada Síndrome da Guerra do Golfo.

O urânio contamina locais de desenvolvimento de gás de xisto? Depende da quantidade de urânio existente nas rochas que contêm gás e de como ele está associado a elas. Por exemplo, a professora associada Tracy Bank, da Universidade de Buffalo, estudou o Marcellus Shale, que se estende do oeste de Nova York, passando pela Pensilvânia e Ohio, até a Virgínia Ocidental. Descobriu-se que o urânio está quimicamente relacionado precisamente à fonte de hidrocarbonetos (lembre-se de que os xistos carbonáceos relacionados têm o maior teor de urânio). Experimentos mostraram que a solução usada durante o fraturamento dissolve perfeitamente o urânio. “Quando o urânio dessas águas chega à superfície, pode causar contaminação do entorno. Isto não representa um risco de radiação, mas o urânio é um elemento venenoso”, observa Tracy Bank num comunicado de imprensa da universidade datado de 25 de outubro de 2010. Ainda não foram preparados artigos detalhados sobre o risco de contaminação ambiental com urânio ou tório durante a produção de gás de xisto.

Por que o urânio é necessário? Anteriormente, era utilizado como pigmento na fabricação de cerâmicas e vidros coloridos. Agora o urânio é a base da energia nuclear e das armas atômicas. Nesse caso, sua propriedade única é usada - a capacidade de divisão do núcleo.

O que é fissão nuclear? A decadência de um núcleo em dois grandes pedaços desiguais. É por causa dessa propriedade que durante a nucleossíntese devido à irradiação de nêutrons, núcleos mais pesados ​​que o urânio são formados com grande dificuldade. A essência do fenômeno é a seguinte. Se a proporção entre o número de nêutrons e prótons no núcleo não for ideal, ele se tornará instável. Normalmente, esse núcleo emite uma partícula alfa - dois prótons e dois nêutrons, ou uma partícula beta - um pósitron, que é acompanhada pela transformação de um dos nêutrons em um próton. No primeiro caso, obtém-se um elemento da tabela periódica, espaçado duas células para trás, no segundo - uma célula para frente. Porém, além de emitir partículas alfa e beta, o núcleo do urânio é capaz de fissão - decaindo nos núcleos de dois elementos no meio da tabela periódica, por exemplo, bário e criptônio, o que faz, tendo recebido um novo nêutron. Este fenômeno foi descoberto logo após a descoberta da radioatividade, quando os físicos expuseram a radiação recém-descoberta a tudo o que podiam. Eis como Otto Frisch, participante dos eventos, escreve sobre isso (“Advances in Physical Sciences”, 1968, 96, 4). Após a descoberta dos raios de berílio - nêutrons - Enrico Fermi irradiou urânio com eles, em particular, para causar decaimento beta - ele esperava usá-lo para obter o próximo 93º elemento, agora chamado neptúnio. Foi ele quem descobriu um novo tipo de radioatividade no urânio irradiado, que associou ao aparecimento de elementos transurânicos. Ao mesmo tempo, a desaceleração dos nêutrons, para os quais a fonte de berílio foi coberta com uma camada de parafina, aumentou a radioatividade induzida. O radioquímico americano Aristide von Grosse sugeriu que um desses elementos era o protactínio, mas estava errado. Mas Otto Hahn, que então trabalhava na Universidade de Viena e considerava o protactínio descoberto em 1917 como sua ideia, decidiu que era obrigado a descobrir quais elementos foram obtidos. Juntamente com Lise Meitner, no início de 1938, Hahn sugeriu, com base em resultados experimentais, que cadeias inteiras de elementos radioativos são formadas devido a múltiplos decaimentos beta de núcleos absorvedores de nêutrons de urânio-238 e seus elementos filhos. Logo Lise Meitner foi forçada a fugir para a Suécia, temendo possíveis represálias dos nazistas após o Anschluss da Áustria. Hahn, tendo continuado seus experimentos com Fritz Strassmann, descobriu que entre os produtos também havia bário, elemento número 56, que de forma alguma poderia ser obtido do urânio: todas as cadeias de decaimento alfa do urânio terminam com chumbo muito mais pesado. Os investigadores ficaram tão surpreendidos com o resultado que não o publicaram; apenas escreveram cartas a amigos, em particular a Lise Meitner em Gotemburgo. Lá, no Natal de 1938, seu sobrinho, Otto Frisch, a visitou e, caminhando pelas proximidades da cidade invernal - ele de esquis, a tia a pé - discutiram a possibilidade do aparecimento de bário durante a irradiação de urânio como resultado da fissão nuclear (para mais informações sobre Lise Meitner, ver “Chemistry and Life”, 2013, No. 4). Voltando a Copenhague, Frisch literalmente pegou Niels Bohr na passarela de um navio que partia para os Estados Unidos e contou-lhe sobre a ideia da fissão. Bohr, dando um tapa na testa, disse: “Oh, que idiotas éramos! Devíamos ter notado isso antes." Em janeiro de 1939, Frisch e Meitner publicaram um artigo sobre a fissão de núcleos de urânio sob a influência de nêutrons. Naquela época, Otto Frisch já havia realizado um experimento de controle, assim como muitos grupos americanos que receberam a mensagem de Bohr. Dizem que os físicos começaram a se dispersar para seus laboratórios logo durante seu relatório, em 26 de janeiro de 1939, em Washington, na conferência anual de física teórica, quando compreenderam a essência da ideia. Após a descoberta da fissão, Hahn e Strassmann revisaram seus experimentos e descobriram, assim como seus colegas, que a radioatividade do urânio irradiado está associada não aos transurânios, mas ao decaimento dos elementos radioativos formados durante a fissão no meio da tabela periódica.

Como ocorre uma reação em cadeia no urânio? Logo após a possibilidade de fissão dos núcleos de urânio e tório ter sido comprovada experimentalmente (e não existem outros elementos físseis na Terra em quantidade significativa), Niels Bohr e John Wheeler, que trabalharam em Princeton, bem como, independentemente deles, o O físico teórico soviético Ya. I. Frenkel e os alemães Siegfried Flügge e Gottfried von Droste criaram a teoria da fissão nuclear. Dois mecanismos se seguiram a isso. Um está associado ao limiar de absorção de nêutrons rápidos. Segundo ele, para iniciar a fissão, um nêutron deve ter uma energia bastante elevada, superior a 1 MeV para os núcleos dos principais isótopos - urânio-238 e tório-232. Em energias mais baixas, a absorção de nêutrons pelo urânio-238 tem caráter ressonante. Assim, um nêutron com energia de 25 eV possui uma área de seção transversal de captura milhares de vezes maior do que com outras energias. Nesse caso, não haverá fissão: o urânio-238 se transformará em urânio-239, que com meia-vida de 23,54 minutos se transformará em neptúnio-239, que com meia-vida de 2,33 dias se transformará em longevo plutônio-239. O tório-232 se tornará urânio-233.

O segundo mecanismo é a absorção sem limite de um nêutron, seguido pelo terceiro isótopo físsil mais ou menos comum - o urânio-235 (assim como o plutônio-239 e o urânio-233, que não são encontrados na natureza): por absorvendo qualquer nêutron, mesmo lento, chamado térmico, com energia como a das moléculas que participam do movimento térmico - 0,025 eV, tal núcleo se dividirá. E isso é muito bom: os nêutrons térmicos têm uma área de seção transversal de captura quatro vezes maior que os nêutrons rápidos de megaelétron-volt. Este é o significado do urânio-235 para toda a história subsequente da energia nuclear: é ele que garante a multiplicação dos nêutrons no urânio natural. Após ser atingido por um nêutron, o núcleo do urânio-235 torna-se instável e rapidamente se divide em duas partes desiguais. Ao longo do caminho, vários (em média 2,75) novos nêutrons são emitidos. Se atingirem os núcleos do mesmo urânio, farão com que os nêutrons se multipliquem exponencialmente - ocorrerá uma reação em cadeia, que levará a uma explosão devido à rápida liberação de uma enorme quantidade de calor. Nem o urânio-238 nem o tório-232 podem funcionar assim: afinal, durante a fissão, nêutrons são emitidos com energia média de 1–3 MeV, ou seja, se houver um limite de energia de 1 MeV, uma parte significativa do os nêutrons certamente não serão capazes de causar uma reação e não haverá reprodução. Isto significa que estes isótopos devem ser esquecidos e os nêutrons terão que ser desacelerados para energia térmica para que interajam da forma mais eficiente possível com os núcleos do urânio-235. Ao mesmo tempo, sua absorção ressonante pelo urânio-238 não pode ser permitida: afinal, no urânio natural esse isótopo é ligeiramente inferior a 99,3% e os nêutrons colidem com mais frequência com ele, e não com o urânio-235 alvo. E agindo como moderador, é possível manter a multiplicação de nêutrons em um nível constante e evitar uma explosão - controlar a reação em cadeia.

Um cálculo realizado por Ya. B. Zeldovich e Yu. B. Khariton no mesmo fatídico ano de 1939 mostrou que para isso é necessário usar um moderador de nêutrons na forma de água pesada ou grafite e enriquecer o urânio natural com urânio- 235 pelo menos 1,83 vezes. Então esta ideia lhes pareceu pura fantasia: “Deve-se notar que aproximadamente o dobro do enriquecimento daquelas quantidades bastante significativas de urânio que são necessárias para realizar uma explosão em cadeia,<...>é uma tarefa extremamente complicada, próxima da impossibilidade prática.” Agora este problema foi resolvido e a indústria nuclear está a produzir em massa urânio enriquecido com urânio-235 a 3,5% para centrais eléctricas.

O que é fissão nuclear espontânea? Em 1940, G. N. Flerov e K. A. Petrzhak descobriram que a fissão do urânio pode ocorrer espontaneamente, sem qualquer influência externa, embora a meia-vida seja muito mais longa do que com o decaimento alfa comum. Dado que tal fissão também produz neutrões, se não lhes for permitido escapar da zona de reacção, servirão como iniciadores da reacção em cadeia. É esse fenômeno que é utilizado na criação de reatores nucleares.

Por que a energia nuclear é necessária? Zeldovich e Khariton estiveram entre os primeiros a calcular o efeito económico da energia nuclear (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). “...No momento, ainda é impossível tirar conclusões definitivas sobre a possibilidade ou impossibilidade de realizar uma reação de fissão nuclear com cadeias infinitamente ramificadas em urânio. Se tal reação for viável, então a taxa de reação é ajustada automaticamente para garantir seu progresso suave, apesar da enorme quantidade de energia à disposição do experimentador. Esta circunstância é extremamente favorável para o aproveitamento energético da reação. Apresentamos, portanto - embora se trate de uma divisão da pele de um urso não abatido - alguns números que caracterizam as possibilidades de aproveitamento energético do urânio. Se o processo de fissão prossegue com nêutrons rápidos, portanto, a reação captura o principal isótopo do urânio (U238), então<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>o custo de uma caloria do isótopo principal do urânio acaba sendo aproximadamente 4.000 vezes mais barato do que o do carvão (a menos, é claro, que os processos de “combustão” e remoção de calor sejam muito mais caros no caso do urânio do que no caso do carvão). No caso dos nêutrons lentos, o custo de uma caloria de “urânio” (com base nos números acima) será, levando em conta que a abundância do isótopo U235 é de 0,007, já apenas 30 vezes mais barato que uma caloria de “carvão”, todas as outras coisas sendo iguais.”

A primeira reação em cadeia controlada foi realizada em 1942 por Enrico Fermi, na Universidade de Chicago, e o reator foi controlado manualmente - empurrando hastes de grafite para dentro e para fora conforme o fluxo de nêutrons mudava. A primeira usina foi construída em Obninsk em 1954. Além de gerar energia, os primeiros reatores também funcionaram para produzir plutônio para uso militar.

Como funciona uma usina nuclear? Hoje em dia, a maioria dos reatores opera com nêutrons lentos. O urânio enriquecido na forma de um metal, uma liga como o alumínio ou um óxido é colocado em longos cilindros chamados elementos combustíveis. Eles são instalados de uma determinada maneira no reator, e entre eles são inseridas hastes moderadoras que controlam a reação em cadeia. Com o tempo, os venenos do reator se acumulam no elemento combustível - produtos da fissão do urânio, que também são capazes de absorver nêutrons. Quando a concentração de urânio-235 cai abaixo de um nível crítico, o elemento é retirado de serviço. Porém, contém muitos fragmentos de fissão com forte radioatividade, que diminui com o passar dos anos, fazendo com que os elementos emitam uma quantidade significativa de calor por muito tempo. Eles são mantidos em piscinas de resfriamento e depois enterrados ou tentados a serem processados ​​- para extrair urânio-235 não queimado, plutônio produzido (era usado para fazer bombas atômicas) e outros isótopos que podem ser usados. A parte não utilizada é enviada para cemitérios.

Nos chamados reatores rápidos, ou reatores reprodutores, refletores feitos de urânio-238 ou tório-232 são instalados ao redor dos elementos. Eles diminuem a velocidade e enviam de volta para a zona de reação nêutrons que são muito rápidos. Os nêutrons desacelerados para velocidades ressonantes absorvem esses isótopos, transformando-se em plutônio-239 ou urânio-233, respectivamente, que podem servir de combustível para uma usina nuclear. Como os nêutrons rápidos reagem mal com o urânio-235, sua concentração deve ser aumentada significativamente, mas isso compensa com um fluxo de nêutrons mais forte. Apesar de os reactores reprodutores serem considerados o futuro da energia nuclear, uma vez que produzem mais combustível nuclear do que consomem, as experiências têm demonstrado que são difíceis de gerir. Agora resta apenas um reator desse tipo no mundo - na quarta unidade de energia da central nuclear de Beloyarsk.

Como a energia nuclear é criticada? Se não falamos de acidentes, então o ponto principal nos argumentos dos adversários da energia nuclear hoje é a proposta de adicionar ao cálculo da sua eficiência os custos de protecção do ambiente após o desmantelamento da estação e no trabalho com combustível. Em ambos os casos, surgem os desafios da eliminação fiável dos resíduos radioactivos, e estes são custos suportados pelo Estado. Existe a opinião de que se você transferi-los para o custo da energia, sua atratividade econômica desaparecerá.

Também há oposição entre os defensores da energia nuclear. Seus representantes apontam a singularidade do urânio-235, que não tem substituto, pois isótopos alternativos físseis por nêutrons térmicos - plutônio-239 e urânio-233 - devido às suas meias-vidas de milhares de anos, não são encontrados na natureza. E são obtidos justamente como resultado da fissão do urânio-235. Se acabar, uma maravilhosa fonte natural de nêutrons para uma reação nuclear em cadeia desaparecerá. Como resultado de tal desperdício, a humanidade perderá no futuro a oportunidade de envolver o tório-232, cujas reservas são várias vezes maiores que as do urânio, no ciclo energético.

Teoricamente, aceleradores de partículas podem ser usados ​​para produzir um fluxo de nêutrons rápidos com energias de megaelétron-volts. No entanto, se estamos falando, por exemplo, de voos interplanetários com motor nuclear, então será muito difícil implementar um esquema com um acelerador volumoso. O esgotamento do urânio-235 põe fim a tais projetos.

O que é urânio para armas? Este é o urânio-235 altamente enriquecido. Sua massa crítica - corresponde ao tamanho de um pedaço de substância no qual ocorre uma reação em cadeia espontaneamente - é pequena o suficiente para produzir munição. Esse urânio pode ser usado para fazer uma bomba atômica e também como fusível para uma bomba termonuclear.

Que desastres estão associados ao uso de urânio? A energia armazenada nos núcleos dos elementos físseis é enorme. Se ficar fora de controle por descuido ou intencionalmente, essa energia pode causar muitos problemas. Os dois piores desastres nucleares ocorreram em 6 e 8 de agosto de 1945, quando a Força Aérea dos EUA lançou bombas atômicas sobre Hiroshima e Nagasaki, matando e ferindo centenas de milhares de civis. Os desastres de menor escala estão associados a acidentes em centrais nucleares e empresas do ciclo nuclear. O primeiro grande acidente ocorreu em 1949 na URSS, na fábrica de Mayak, perto de Chelyabinsk, onde foi produzido plutônio; Os resíduos radioativos líquidos acabaram no rio Techa. Em setembro de 1957, ocorreu uma explosão, liberando grande quantidade de material radioativo. Onze dias depois, o reator britânico de produção de plutônio em Windscale pegou fogo e a nuvem com os produtos da explosão se dispersou pela Europa Ocidental. Em 1979, um reator da Usina Nuclear Three Mail Island, na Pensilvânia, pegou fogo. As consequências mais generalizadas foram causadas pelos acidentes na central nuclear de Chernobyl (1986) e na central nuclear de Fukushima (2011), quando milhões de pessoas foram expostas à radiação. O primeiro espalhou-se por vastas áreas, libertando 8 toneladas de combustível de urânio e produtos de decomposição como resultado da explosão, que se espalhou por toda a Europa. O segundo poluiu e, três anos após o acidente, continua a poluir o Oceano Pacífico nas zonas de pesca. Eliminar as consequências destes acidentes era muito caro e, se esses custos fossem decompostos no custo da electricidade, aumentariam significativamente.

Uma questão separada são as consequências para a saúde humana. De acordo com estatísticas oficiais, muitas pessoas que sobreviveram aos bombardeamentos ou que vivem em áreas contaminadas beneficiaram da radiação – as primeiras têm uma esperança de vida mais elevada, as últimas têm menos cancro e os especialistas atribuem algum aumento na mortalidade ao stress social. O número de pessoas que morreram justamente em consequência de acidentes ou em consequência da sua liquidação chega a centenas de pessoas. Os opositores às centrais nucleares salientam que os acidentes causaram vários milhões de mortes prematuras no continente europeu, mas são simplesmente invisíveis no contexto estatístico.

A retirada de terras do uso humano em zonas acidentadas leva a um resultado interessante: elas se tornam uma espécie de reservas naturais onde cresce a biodiversidade. É verdade que alguns animais sofrem de doenças relacionadas com a radiação. A questão de quão rapidamente eles se adaptarão ao contexto cada vez maior permanece em aberto. Também existe a opinião de que a consequência da irradiação crônica é a “seleção de tolos” (ver “Química e Vida”, 2010, nº 5): mesmo na fase embrionária, organismos mais primitivos sobrevivem. Em particular, em relação às pessoas, isto deverá levar a uma diminuição das capacidades mentais na geração nascida em áreas contaminadas logo após o acidente.

O que é urânio empobrecido? Este é o urânio-238, remanescente após a separação do urânio-235 dele. Os volumes de resíduos da produção de urânio para armas e elementos combustíveis são grandes - somente nos Estados Unidos, 600 mil toneladas desse hexafluoreto de urânio foram acumuladas (para problemas com ele, consulte Chemistry and Life, 2008, No. 5) . O conteúdo de urânio-235 é de 0,2%. Esses resíduos devem ser armazenados até tempos melhores, quando serão criados reatores rápidos de nêutrons e será possível processar o urânio-238 em plutônio, ou utilizados de alguma forma.

Eles encontraram uma utilidade para isso. O urânio, como outros elementos de transição, é usado como catalisador. Por exemplo, os autores do artigo em ACS Nano datado de 30 de junho de 2014, eles escrevem que um catalisador feito de urânio ou tório com grafeno para a redução de oxigênio e peróxido de hidrogênio “tem um enorme potencial para uso no setor energético”. Por ter alta densidade, o urânio serve como lastro para navios e contrapeso para aeronaves. Este metal também é adequado para proteção contra radiação em dispositivos médicos com fontes de radiação.

Que armas podem ser feitas com urânio empobrecido? Balas e núcleos para projéteis perfurantes. O cálculo aqui é o seguinte. Quanto mais pesado o projétil, maior será sua energia cinética. Mas quanto maior o projétil, menos concentrado será o seu impacto. Isso significa que são necessários metais pesados ​​com alta densidade. As balas são feitas de chumbo (os caçadores dos Urais também usavam platina nativa, até perceberem que era um metal precioso), enquanto os núcleos das conchas são feitos de liga de tungstênio. Ambientalistas apontam que o chumbo contamina o solo em locais de operações militares ou de caça e seria melhor substituí-lo por algo menos prejudicial, por exemplo, o tungstênio. Mas o tungstênio não é barato e o urânio, de densidade semelhante, é um resíduo prejudicial. Ao mesmo tempo, a contaminação permitida do solo e da água com urânio é aproximadamente duas vezes maior que a do chumbo. Isto acontece porque a radioatividade fraca do urânio empobrecido (e também é 40% menor que a do urânio natural) é negligenciada e um fator químico verdadeiramente perigoso é levado em consideração: o urânio, como lembramos, é venenoso. Ao mesmo tempo, a sua densidade é 1,7 vezes maior que a do chumbo, o que significa que o tamanho das balas de urânio pode ser reduzido pela metade; o urânio é muito mais refratário e duro que o chumbo - evapora menos quando disparado e, quando atinge um alvo, produz menos micropartículas. Em geral, uma bala de urânio é menos poluente do que uma bala de chumbo, embora não se saiba ao certo tal uso de urânio.

Mas sabe-se que placas feitas de urânio empobrecido são usadas para fortalecer a blindagem dos tanques americanos (isso é facilitado por sua alta densidade e ponto de fusão), e também em vez de liga de tungstênio em núcleos de projéteis perfurantes. O núcleo de urânio também é bom porque o urânio é pirofórico: suas pequenas partículas quentes formadas no impacto com a armadura se inflamam e incendeiam tudo ao seu redor. Ambas as aplicações são consideradas seguras contra radiação. Assim, o cálculo mostrou que mesmo depois de ficar um ano sentado em um tanque com blindagem de urânio carregado com munição de urânio, a tripulação receberia apenas um quarto da dose permitida. E para obter a dose anual permitida, é necessário aparafusar essa munição na superfície da pele por 250 horas.

Projéteis com núcleos de urânio – para canhões de aeronaves de 30 mm ou subcalibres de artilharia – têm sido usados ​​pelos americanos em guerras recentes, começando com a campanha do Iraque em 1991. Naquele ano choveram sobre unidades blindadas iraquianas no Kuwait e durante a sua retirada, 300 toneladas de urânio empobrecido, das quais 250 toneladas, ou 780 mil tiros, foram disparadas contra canhões de aeronaves. Na Bósnia e Herzegovina, durante o bombardeio do exército da não reconhecida Republika Srpska, foram gastas 2,75 toneladas de urânio, e durante o bombardeio do exército iugoslavo na região de Kosovo e Metohija - 8,5 toneladas, ou 31 mil tiros. Como a OMS já estava preocupada com as consequências do uso do urânio, foi realizado um monitoramento. Ele mostrou que uma salva consistia em aproximadamente 300 tiros, dos quais 80% continham urânio empobrecido. 10% atingiram alvos e 82% caíram a 100 metros deles. O restante se dispersou em 1,85 km. Um projétil que atingiu um tanque queimou e se transformou em aerossol; o projétil de urânio perfurou alvos leves, como veículos blindados de transporte de pessoal. Assim, no máximo uma tonelada e meia de obuses poderia transformar-se em pó de urânio no Iraque. Segundo especialistas do centro de pesquisa estratégica americano RAND Corporation, mais de 10 a 35% do urânio usado se transformou em aerossol. O ativista croata de munições anti-urânio Asaf Durakovic, que trabalhou em diversas organizações, desde o Hospital King Faisal de Riad até o Centro de Pesquisa Médica de Urânio de Washington, estima que somente no sul do Iraque, em 1991, foram formadas de 3 a 6 toneladas de partículas submicrométricas de urânio. que estavam espalhados por uma ampla área, ou seja, a contaminação por urânio ali é comparável à de Chernobyl.

Ao contrário do outro isótopo mais comum do urânio 238U, uma reação nuclear autossustentável em cadeia é possível no 235U. Portanto, este isótopo é utilizado como combustível em reatores nucleares, bem como em armas nucleares.

A atividade de um grama deste nuclídeo é de aproximadamente 80 kBq.

• 1 Formação e colapso
• 2 Divisão forçada
  • 2.1 Reação nuclear em cadeia
• 3 isômeros
• 4 Aplicação
• 5 Veja também
• 6 notas

Formação e decadência

O urânio-235 é formado como resultado dos seguintes decaimentos:

• β− decaimento do nuclídeo 235Pa (a meia-vida é 24,44(11) min):

• Captura K realizada pelo nuclídeo 235Np (meia-vida é 396,1(12) dias):

• decaimento α do nuclídeo 239Pu (a meia-vida é 2,411(3)·104 anos):

A decadência do urânio-235 ocorre nas seguintes direções:

• decaimento α em 231Th (100% de probabilidade, energia de decaimento 4.678,3(7) keV):

• Fissão espontânea (probabilidade 7(2)·10−9%);
• Decaimento do cluster com a formação dos nuclídeos 20Ne, 25Ne e 28Mg (as probabilidades são 8(4)·10−10%, 8·10−10%, 8·10−10%, respectivamente):

Divisão forçada

No início da década de 1930. Enrico Fermi irradiou urânio com nêutrons para obter elementos transurânicos. Mas em 1939, O. Hahn e F. Strassmann conseguiram mostrar que quando um nêutron é absorvido por um núcleo de urânio, ocorre uma reação de fissão forçada. Via de regra, o núcleo se divide em dois fragmentos e 2-3 nêutrons são liberados (ver diagrama).

Cerca de 300 isótopos de vários elementos foram descobertos nos produtos da fissão do urânio-235: de Z=30 (zinco) a Z=64 (gadolínio). A curva do rendimento relativo dos isótopos formados durante a irradiação do urânio-235 com nêutrons lentos no número de massa é simétrica e tem o formato da letra “M”. Os dois máximos pronunciados desta curva correspondem aos números de massa 95 e 134, e o mínimo ocorre na faixa dos números de massa de 110 a 125. Assim, ocorre a fissão do urânio em fragmentos de massa igual (com números de massa 115-119). com menos probabilidade do que a fissão assimétrica. Essa tendência é observada em todos os isótopos físseis e não está associada a nenhuma propriedade individual de núcleos ou partículas, mas é inerente ao próprio mecanismo de fissão nuclear. No entanto, a assimetria diminui com o aumento da energia de excitação do núcleo físsil e quando a energia dos nêutrons é superior a 100 MeV, a distribuição de massa dos fragmentos de fissão tem um máximo, correspondendo à fissão simétrica do núcleo.

Uma das opções para a fissão forçada do urânio-235 após a absorção de um nêutron (diagrama)

Os fragmentos formados durante a fissão de um núcleo de urânio são, por sua vez, radioativos e sofrem uma cadeia de decaimentos β, durante os quais energia adicional é liberada gradualmente durante um longo período de tempo. A energia média liberada durante o decaimento de um núcleo de urânio-235, levando em consideração o decaimento dos fragmentos, é de aproximadamente 202,5 ​​MeV = 3,244·10−11 J, ou 19,54 TJ/mol = 83,14 TJ/kg.

A fissão nuclear é apenas um dos muitos processos possíveis durante a interação dos nêutrons com os núcleos; é aquele que está subjacente à operação de qualquer reator nuclear.

Reação em cadeia nuclear

Durante o decaimento de um núcleo de 235U, geralmente são emitidos de 1 a 8 (em média 2,5) nêutrons livres. Cada nêutron produzido durante o decaimento de um núcleo de 235U, sujeito à interação com outro núcleo de 235U, pode causar um novo ato de decaimento; esse fenômeno é chamado de reação em cadeia de fissão nuclear.

Hipoteticamente, o número de nêutrons de segunda geração (após o segundo estágio de decaimento nuclear) pode exceder 3² = 9. A cada estágio subsequente da reação de fissão, o número de nêutrons produzidos pode aumentar como uma avalanche. Em condições reais, os nêutrons livres podem não gerar um novo evento de fissão, saindo da amostra antes de capturar o 235U, ou serem capturados pelo próprio isótopo 235U, transformando-o em 236U, ou por outros materiais (por exemplo, 238U, ou o isótopo nuclear resultante). fragmentos de fissão, como 149Sm ou 135Xe).

Se, em média, cada ato de fissão gera outro novo ato de fissão, então a reação torna-se autossustentável; esta condição é chamada de crítica. (veja também fator de multiplicação de nêutrons)

Em condições reais, não é tão fácil atingir um estado crítico do urânio, uma vez que vários fatores influenciam o curso da reação. Por exemplo, o urânio natural consiste em apenas 0,72% de 235U, 99,2745% é 238U, que absorve nêutrons produzidos durante a fissão dos núcleos de 235U. Isto leva ao facto de que a reacção em cadeia de fissão no urânio natural decai actualmente muito rapidamente. Uma reação em cadeia de fissão contínua pode ser realizada de várias maneiras principais:

• Aumentar o volume da amostra (para o urânio isolado do minério é possível atingir massa crítica aumentando o volume);
• Realizar a separação isotópica aumentando a concentração de 235U na amostra;
• Reduzir a perda de nêutrons livres através da superfície da amostra utilizando vários tipos de refletores;
• Use uma substância moderadora de nêutrons para aumentar a concentração de nêutrons térmicos.

Isômeros

O único isômero conhecido é o 235Um com as seguintes características:

• Excesso de massa: 40.920,6(1,8) keV
• Energia de excitação: 76,5(4) eV
• Meia-vida: 26 minutos
• Spin nuclear e paridade: 1/2+

A decomposição do estado isomérico ocorre através de uma transição isomérica para o estado fundamental.

Aplicativo

• O urânio-235 é usado como combustível para reatores nucleares, que realizam uma reação em cadeia de fissão nuclear controlada;
• O urânio altamente enriquecido é usado para criar armas nucleares. Neste caso, uma reação nuclear em cadeia descontrolada é usada para liberar uma grande quantidade de energia (explosão).

Veja também

• Isótopos de urânio
• Separação isotópica

Notas

1. 1 2 3 4 5 G. Audi, A.H. Wapstra e C. Thibault (2003). “A avaliação da massa atômica AME2003 (II). Tabelas, gráficos e referências." Física Nuclear A 729 : 337-676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.
2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot e AH Wapstra (2003). "A avaliação NUBASE das propriedades nucleares e de decaimento." Física Nuclear A 729 : 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.
3. Hoffman K. É possível fazer ouro? - 2ª ed. apagado - L.: Química, 1987. - P. 130. - 232 p. - 50.000 cópias.
4. Hoje na história da ciência
5. 1 2 3 Fialkov Yu. Ya. Aplicação de isótopos em química e indústria química. - Kiev: Tekhnika, 1975. - P. 87. - 240 p. - 2.000 exemplares.
6. Tabela de Constantes Físicas e Químicas, Seção 4.7.1: Fissão Nuclear. Kaye e Laby on-line. Arquivado do original em 8 de abril de 2012.
7. Bartolomei G. G., Baibakov V. D., Alkhutov M. S., Bat G. A. Fundamentos da teoria e métodos para cálculo de reatores nucleares. - M.: Energoatomizdat, 1982. - S. 512.

urânio 235 50, urânio 235 75, área de urânio 235, urânio 235/75r15

O urânio é um elemento químico da família dos actinídeos com número atômico 92. É o combustível nuclear mais importante. Sua concentração na crosta terrestre é de cerca de 2 partes por milhão. Minerais de urânio importantes incluem óxido de urânio (U 3 O 8), uraninita (UO 2), carnotita (uranila vanadato de potássio), otenita (uranila fosfato de potássio) e torbernita (uranila fosfato de cobre hidratado). Estes e outros minérios de urânio são fontes de combustível nuclear e contêm muitas vezes mais energia do que todos os depósitos recuperáveis ​​de combustíveis fósseis conhecidos. 1 kg de urânio 92 U fornece a mesma energia que 3 milhões de kg de carvão.

História da descoberta

O elemento químico urânio é um metal denso e duro de cor branco prateado. É dúctil, maleável e polidor. No ar, o metal oxida e, quando esmagado, inflama. Conduz eletricidade relativamente mal. A fórmula eletrônica do urânio é 7s2 6d1 5f3.

Embora o elemento tenha sido descoberto em 1789 pelo químico alemão Martin Heinrich Klaproth, que o batizou em homenagem ao planeta recentemente descoberto Urano, o próprio metal foi isolado em 1841 pelo químico francês Eugene-Melchior Peligot por redução do tetracloreto de urânio (UCl 4) com potássio.

Radioatividade

A criação da tabela periódica pelo químico russo Dmitri Mendeleev em 1869 chamou a atenção para o urânio como o elemento mais pesado conhecido, que permaneceu até a descoberta do neptúnio em 1940. Em 1896, o físico francês Henri Becquerel descobriu nele o fenômeno da radioatividade. Esta propriedade foi posteriormente encontrada em muitas outras substâncias. Sabe-se agora que o urânio, radioativo em todos os seus isótopos, consiste em uma mistura de 238 U (99,27%, meia-vida - 4.510.000.000 anos), 235 U (0,72%, meia-vida - 713.000.000 anos) e 234 U (0,006 %, meia-vida - 247.000 anos). Isto permite, por exemplo, determinar a idade das rochas e minerais para estudar os processos geológicos e a idade da Terra. Para isso, medem a quantidade de chumbo, produto final do decaimento radioativo do urânio. Neste caso, 238 U é o elemento inicial e 234 U é um dos produtos. 235 U dá origem à série de decaimento do actínio.

Descoberta de uma reação em cadeia

O elemento químico urânio tornou-se objeto de amplo interesse e estudo intensivo depois que os químicos alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann descobriram nele a fissão nuclear no final de 1938, quando foi bombardeado com nêutrons lentos. No início de 1939, o físico ítalo-americano Enrico Fermi sugeriu que entre os produtos da fissão atômica poderiam existir partículas elementares capazes de gerar uma reação em cadeia. Em 1939, os físicos americanos Leo Szilard e Herbert Anderson, bem como o químico francês Frederic Joliot-Curie e seus colegas confirmaram esta previsão. Estudos subsequentes mostraram que, em média, 2,5 nêutrons são liberados quando um átomo se fissiona. Essas descobertas levaram à primeira reação nuclear em cadeia autossustentável (02/12/1942), à primeira bomba atômica (16/07/1945), ao seu primeiro uso na guerra (06/08/1945), ao primeiro submarino nuclear ( 1955) e a primeira usina nuclear em grande escala (1957).

Estados de oxidação

O elemento químico urânio, sendo um metal eletropositivo forte, reage com a água. Dissolve-se em ácidos, mas não em álcalis. Estados de oxidação importantes são +4 (como no óxido de UO 2, tetrahaletos como UCl 4 e o íon de água verde U4+) e +6 (como no óxido de UO 3, hexafluoreto de UF 6 e o ​​íon uranila UO 2 2+). Em solução aquosa, o urânio é mais estável na composição do íon uranila, que possui uma estrutura linear [O = U = O] 2+. O elemento também possui estados +3 e +5, mas são instáveis. O Red U 3+ oxida lentamente em água, que não contém oxigênio. A cor do íon UO 2+ é desconhecida porque ele sofre desproporção (UO 2+ é reduzido a U 4+ e oxidado a UO 2 2+) mesmo em soluções muito diluídas.

Combustível nuclear

Quando exposto a nêutrons lentos, a fissão do átomo de urânio ocorre no isótopo relativamente raro 235 U. Este é o único material físsil que ocorre naturalmente e deve ser separado do isótopo 238 U. No entanto, após absorção e decaimento beta negativo, o urânio -238 se transforma no elemento sintético plutônio, que é dividido sob a influência de nêutrons lentos. Portanto, o urânio natural pode ser usado em reatores conversores e reprodutores, nos quais a fissão é suportada pelo raro 235 U e o plutônio é produzido simultaneamente com a transmutação do 238 U. O físsil 233 U pode ser sintetizado a partir do isótopo tório-232, amplamente encontrado na natureza, para uso como combustível nuclear. O urânio também é importante como material primário a partir do qual os elementos transurânicos sintéticos são obtidos.

Outros usos do urânio

Compostos do elemento químico eram anteriormente utilizados como corantes para cerâmicas. O hexafluoreto (UF 6) é um sólido com uma pressão de vapor excepcionalmente alta (0,15 atm = 15.300 Pa) a 25 °C. O UF 6 é quimicamente muito reativo, mas apesar de sua natureza corrosiva no estado de vapor, o UF 6 é amplamente utilizado em métodos de difusão gasosa e centrífuga de gás para a produção de urânio enriquecido.

Os compostos organometálicos são um grupo interessante e importante de compostos nos quais as ligações metal-carbono conectam o metal a grupos orgânicos. Uranoceno é um composto organurânico U(C 8 H 8) 2 no qual o átomo de urânio está imprensado entre duas camadas de anéis orgânicos associados ao ciclooctatetraeno C 8 H 8. Sua descoberta em 1968 abriu um novo campo da química organometálica.

O urânio natural empobrecido é usado como proteção contra radiação, lastro, em projéteis perfurantes e blindagens de tanques.

Reciclando

O elemento químico, embora muito denso (19,1 g/cm3), é uma substância relativamente fraca e não inflamável. Na verdade, as propriedades metálicas do urânio parecem colocá-lo algures entre a prata e outros metais e não metais verdadeiros, pelo que não é utilizado como material estrutural. O principal valor do urânio reside nas propriedades radioativas de seus isótopos e na sua capacidade de fissão. Na natureza, quase todo (99,27%) o metal consiste em 238 U. O restante é 235 U (0,72%) e 234 U (0,006%). Destes isótopos naturais, apenas 235 U são diretamente fissionados por irradiação de nêutrons. No entanto, quando é absorvido, o 238 U forma o 239 U, que acaba decaindo em 239 Pu, um material físsil de grande importância para a energia nuclear e para as armas nucleares. Outro isótopo físsil, 233 U, pode ser formado pela irradiação de nêutrons de 232 Th.

Formas de cristal

As características do urânio fazem com que ele reaja com o oxigênio e o nitrogênio mesmo em condições normais. Em temperaturas mais altas, reage com uma ampla gama de metais de liga para formar compostos intermetálicos. A formação de soluções sólidas com outros metais é rara devido às estruturas cristalinas especiais formadas pelos átomos do elemento. Entre a temperatura ambiente e o ponto de fusão de 1132 °C, o urânio metálico existe em 3 formas cristalinas conhecidas como alfa (α), beta (β) e gama (γ). A transformação do estado α para β ocorre a 668 °C e de β para γ a 775 °C. O γ-urânio tem uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado, enquanto o β tem uma estrutura cristalina tetragonal. A fase α consiste em camadas de átomos em uma estrutura ortorrômbica altamente simétrica. Essa estrutura distorcida anisotrópica evita que os átomos de liga metálica substituam os átomos de urânio ou ocupem o espaço entre eles na rede cristalina. Verificou-se que apenas o molibdênio e o nióbio formam soluções sólidas.

Minério

A crosta terrestre contém cerca de 2 partes por milhão de urânio, o que indica sua ocorrência generalizada na natureza. Estima-se que os oceanos contenham 4,5 × 10 9 toneladas deste elemento químico. O urânio é um constituinte importante de mais de 150 minerais diferentes e um componente secundário de outros 50. Os minerais primários encontrados em veios hidrotermais magmáticos e pegmatitos incluem a uraninita e sua variante pechblenda. Nestes minérios o elemento ocorre na forma de dióxido, que devido à oxidação pode variar de UO 2 a UO 2,67. Outros produtos economicamente significativos das minas de urânio são autunita (uranilo fosfato de cálcio hidratado), tobernita (uranilo fosfato de cobre hidratado), coffinit (silicato de urânio preto hidratado) e carnotita (uranilo vanadato de potássio hidratado).

Estima-se que mais de 90% das reservas conhecidas de urânio de baixo custo estejam localizadas na Austrália, Cazaquistão, Canadá, Rússia, África do Sul, Níger, Namíbia, Brasil, China, Mongólia e Uzbequistão. Grandes depósitos são encontrados nas formações rochosas conglomeradas do Lago Elliot, localizado ao norte do Lago Huron, em Ontário, Canadá, e na mina de ouro sul-africana de Witwatersrand. As formações de areia no Planalto do Colorado e na Bacia do Wyoming, no oeste dos Estados Unidos, também contêm reservas significativas de urânio.

Produção

Os minérios de urânio são encontrados em depósitos próximos à superfície e profundos (300-1200 m). No subsolo, a espessura da camada chega a 30 M. Assim como no caso dos minérios de outros metais, o urânio é extraído na superfície por meio de grandes equipamentos de movimentação de terras, e o desenvolvimento de depósitos profundos é realizado por métodos tradicionais de vertical e inclinado minas. A produção mundial de concentrado de urânio foi de 70 mil toneladas em 2013. As minas de urânio mais produtivas estão localizadas no Cazaquistão (32% de toda a produção), Canadá, Austrália, Níger, Namíbia, Uzbequistão e Rússia.

Os minérios de urânio normalmente contêm apenas pequenas quantidades de minerais contendo urânio e não são fundidos por métodos pirometalúrgicos diretos. Em vez disso, procedimentos hidrometalúrgicos devem ser utilizados para extrair e purificar o urânio. O aumento da concentração reduz significativamente a carga nos circuitos de processamento, mas nenhum dos métodos convencionais de beneficiamento comumente usados ​​para processamento mineral, como gravidade, flotação, eletrostática e até mesmo classificação manual, é aplicável. Com poucas exceções, estes métodos resultam em perdas significativas de urânio.

Queimando

O processamento hidrometalúrgico de minérios de urânio é frequentemente precedido por um estágio de calcinação em alta temperatura. A queima desidrata a argila, remove materiais carbonáceos, oxida compostos de enxofre em sulfatos inofensivos e oxida quaisquer outros agentes redutores que possam interferir no processamento subsequente.

Lixiviação

O urânio é extraído de minérios torrados por soluções aquosas ácidas e alcalinas. Para que todos os sistemas de lixiviação funcionem com sucesso, o elemento químico deve estar inicialmente presente na forma hexavalente mais estável ou ser oxidado a este estado durante o processamento.

A lixiviação ácida é geralmente realizada agitando uma mistura de minério e lixiviante durante 4-48 horas à temperatura ambiente. Exceto em circunstâncias especiais, é utilizado ácido sulfúrico. É fornecido em quantidades suficientes para obter o licor final com pH 1,5. Os esquemas de lixiviação com ácido sulfúrico normalmente usam dióxido de manganês ou clorato para oxidar o U4+ tetravalente em uranila hexavalente (UO22+). Normalmente, aproximadamente 5 kg de dióxido de manganês ou 1,5 kg de clorato de sódio por tonelada são suficientes para a oxidação do U 4+. Em ambos os casos, o urânio oxidado reage com o ácido sulfúrico para formar o ânion complexo uranil sulfato 4-.

O minério contendo quantidades significativas de minerais essenciais, como calcita ou dolomita, é lixiviado com uma solução 0,5-1 molar de carbonato de sódio. Embora vários reagentes tenham sido estudados e testados, o principal agente oxidante do urânio é o oxigênio. Normalmente, o minério é lixiviado ao ar à pressão atmosférica e a uma temperatura de 75-80 °C por um período de tempo que depende da composição química específica. O álcali reage com o urânio para formar o íon complexo facilmente solúvel 4-.

As soluções resultantes da lixiviação ácida ou carbonática devem ser clarificadas antes do processamento posterior. A separação em larga escala de argilas e outras pastas de minério é obtida através do uso de agentes floculantes eficazes, incluindo poliacrilamidas, goma guar e cola animal.

Extração

Os íons complexos 4 e 4 podem ser sorvidos a partir de suas respectivas soluções de lixiviação de resina de troca iônica. Essas resinas especiais, caracterizadas por sua cinética de adsorção e eluição, tamanho de partícula, estabilidade e propriedades hidráulicas, podem ser usadas em diversas tecnologias de processamento, como leito fixo, leito móvel, resina de cesto e resina contínua. Normalmente, soluções de cloreto de sódio e amônia ou nitratos são usadas para eluir o urânio sorvido.

O urânio pode ser isolado de licores de minério ácidos por extração com solvente. Os ácidos alquilfosfóricos, bem como as alquilaminas secundárias e terciárias, são utilizados na indústria. Geralmente, a extração com solvente é preferida aos métodos de troca iônica para filtrados ácidos contendo mais de 1 g/L de urânio. No entanto, este método não é aplicável à lixiviação de carbonato.

O urânio é então purificado por dissolução em ácido nítrico para formar nitrato de uranila, extraído, cristalizado e calcinado para formar trióxido de UO 3. O dióxido UO2 reduzido reage com o fluoreto de hidrogênio para formar o tetafluoreto UF4, a partir do qual o urânio metálico é reduzido por magnésio ou cálcio a uma temperatura de 1300 °C.

O tetrafluoreto pode ser fluorado a 350 °C para formar o hexafluoreto UF 6, que é usado para separar o urânio-235 enriquecido por difusão gasosa, centrifugação de gás ou difusão térmica líquida.

Urano. O urânio natural consiste em uma mistura de três isótopos: urânio-234, urânio-235, urânio-238. Radioativo artificial - com números de massa 227-240. A meia-vida do urânio-235 é de 7x108 anos, do urânio-238 é de 4,5x109 anos. Durante o decaimento do urânio e de seus radionuclídeos filhos, são emitidas radiações alfa e beta, bem como raios gama. O urânio penetra no corpo de diferentes maneiras, inclusive através da pele. Os compostos solúveis são rapidamente absorvidos pelo sangue e distribuídos pelos órgãos e tecidos, acumulando-se nos rins, ossos, fígado e baço. A meia-vida biológica dos pulmões é de 118-150 dias, do esqueleto - 450 dias. Devido ao urânio e seus produtos de decomposição, a taxa anual é de 1,34 mSv.

Tório. Tório-232 é um gás inerte. Seus produtos de decomposição são substâncias radioativas sólidas. A meia-vida é de 1,4x1010 anos. Durante as transformações do tório e seus produtos de decaimento, são liberadas partículas alfa-beta, bem como gama quanta. O mineral torianita contém até 45-88% de tório. As barras de combustível são feitas de uma liga de tório com urânio enriquecido. Ele entra no corpo através dos pulmões, trato gastrointestinal e pele. Acumula-se na medula óssea e no baço. A meia-vida biológica de eliminação da maioria dos órgãos é de 700 dias, do esqueleto - 68 anos.

Rádio. O rádio-226 é o produto de decaimento radioativo mais importante do urânio-238. Meia-vida 1622. É um metal branco prateado. Amplamente utilizado na medicina como fonte de partículas alfa para radioterapia. Entra no corpo através do sistema respiratório, trato gastrointestinal e pele. A maior parte do rádio que chega é depositada no esqueleto. A meia-vida biológica dos ossos é de cerca de 17 anos, dos pulmões - 180 dias, dos outros órgãos é eliminada nos primeiros dois dias. Ao entrar no corpo humano, causa danos ao tecido ósseo e à medula óssea vermelha, o que leva à interrupção da hematopoiese, fraturas e ao desenvolvimento de tumores. Ao longo de um dia, 1g de rádio produz 1mm3 de radônio após a decomposição.

Radônio. O Radon-222 é um gás incolor e inodoro. Meia-vida 3,83 dias. Um produto de decomposição do rádio-226. O Radon é um emissor alfa. É formado em depósitos de urânio em minérios radioativos, encontrados no gás natural, águas subterrâneas, etc. Também pode escapar por fendas nas rochas, em minas e minas mal ventiladas sua concentração pode atingir valores elevados. O radônio é encontrado em muitos materiais de construção. Também entra na atmosfera durante a atividade vulcânica, durante a produção de fosfatos e durante a operação de usinas geotérmicas.

Para fins medicinais, é utilizado na forma de banhos de radônio no tratamento de doenças das articulações, ossos, sistema nervoso periférico, doenças ginecológicas crônicas, etc. contendo radônio. Ele entra no corpo principalmente através do sistema respiratório. A meia-vida do corpo é de 24 horas. O radão fornece ¾ da dose equivalente anual proveniente de fontes de radiação terrestre e cerca de ½ da dose proveniente de todas as fontes de radiação naturais.

Potássio. O Potássio-40 é um metal branco prateado; não é encontrado na forma livre, pois é muito ativo quimicamente. Meia-vida
1,32 x 109 anos. Ao decair emite uma partícula beta. É um elemento biológico típico. A necessidade de potássio de uma pessoa é de 2-3 mg por kg de peso corporal por dia. Muito potássio é encontrado em batatas, beterrabas e tomates. O corpo absorve 100% do potássio que chega e o distribui uniformemente por todos os órgãos, com relativamente mais no fígado e no baço. A meia-vida é de cerca de 60 dias.

Iodo. O iodo-131 é formado nas reações de fissão do urânio e do plutônio, bem como durante a irradiação do telúrio com nêutrons. Meia-vida 8,05 dias. Entra no corpo através do sistema respiratório, trato gastrointestinal (100% do iodo recebido é absorvido) e pele. Acumula-se principalmente na glândula tireóide, sua concentração na glândula é 200 vezes maior do que em outros tecidos. À medida que o iodo decai, ele libera uma partícula beta e 2 quanta gama. A meia-vida da glândula tireóide é de 138 dias, de outros órgãos de 10 a 15 dias. Do corpo de uma mulher grávida, o iodo passa pela placenta até o feto.

Césio. O césio-137 contribui decisivamente para a dose total de radiação equivalente. O césio é um metal branco prateado. É uma fonte de radiação beta e gama. Meia-vida do césio-137 -
30 anos. Antes do acidente de Chernobyl, a principal fonte de césio que entrava no meio ambiente eram as explosões nucleares. A maior parte do césio depositado está em uma forma que é facilmente absorvida. Nas plantas acumula-se principalmente na palha e nas copas. 100% do césio ingerido é absorvido no intestino. Acumula-se principalmente no tecido muscular. A meia-vida dos músculos é de 140 dias.

Estrôncio. Estrôncio-90 - meia-vida - 28,6 anos (para estrôncio-89 - 50,5 dias). O estrôncio-90 é um emissor beta. O estrôncio é facilmente absorvido por plantas, animais e humanos. O concentrador de estrôncio é o milho, o conteúdo de estrôncio nele é 5 a 20 vezes maior do que no solo. No corpo humano, dependendo da dieta, de 5% a 100% do estrôncio que entra é absorvido no trato gastrointestinal (em média 30%). Acumula-se principalmente no esqueleto. A concentração máxima é observada em crianças menores de 1 ano. A meia-vida do estrôncio nos tecidos moles é de até 10 dias, nos ossos - de 8 a 10 anos.

Plutônio. Plutônio-239 é um emissor alfa. Sua meia-vida é de 24.360 anos. É um metal branco prateado. A fonte do plutônio são as explosões nucleares, bem como os reatores de usinas nucleares, especialmente as liberações de emergência. No solo é encontrado nas camadas superficiais e nos sedimentos de fundo dos corpos d'água. Ele entra no corpo através dos pulmões e do trato gastrointestinal e é absorvido pelo trato gastrointestinal - significativamente menos de 1%. Acumula-se nos pulmões, fígado e tecido ósseo. A meia-vida de eliminação do esqueleto é de 100 anos, do fígado - 40 anos.

Amerício. O amerício-241 é um produto da decomposição do plutônio-241 (a meia-vida do 241Pu é de 14,4 anos). A meia-vida do amerício-241 é de 432,2 anos e, durante a decomposição, libera uma partícula alfa. O amerício se dissolve em água muito melhor que o plutônio e, portanto, tem maior capacidade de migração. Acumula até 99% nas camadas superficiais do solo, 10% do amerício está na forma dissolvida e é facilmente absorvido pelas plantas. Concentrado em humanos no esqueleto, fígado, rins. A meia-vida do esqueleto é de até 30 anos, do fígado - até 5 anos.