Уран-235

Уран-235 утворюється в результаті наступних розпадів:

• β⁻-розпад нукліду 235Pa (період напіврозпаду складає 24,44(11)[1] хв):

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{\ 91}Pa} \rightarrow \mathrm {^{235}_{\ 92}U} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}$

• K-захват, здійснюваний нуклідом 235Np (період напіврозпаду складає 396,1(12)[1] днів):

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{\ 93}Np} +e^{-}\rightarrow \mathrm {^{235}_{\ 92}U} +{\bar {\nu }}_{e};}$

• α-розпад нукліду 239Pu (період напіврозпаду складає 2,411(3)×10⁴[1] років):

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu} \rightarrow \mathrm {^{235}_{\ 92}U} +\mathrm {^{4}_{2}He} .}$

Розпад урану-235 відбувається за наступними напрямками:

• α-розпад в 231Th (ймовірність 100 %[1], енергія розпаду 4 678,3(7) кеВ[2]):

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{\ 92}U} \rightarrow \mathrm {^{231}_{\ 90}Th} +\mathrm {^{4}_{2}He}$ ;}

• Спонтанний поділ (ймовірність 7(2)×10⁻⁹ %)[1];
• Кластерний розпад з утворенням нуклідів 20Ne, 25Ne і 28Mg (ймовірності відповідно складають 8(4)×10⁻¹⁰ %, 8×10⁻¹⁰ %, 8×10⁻¹⁰ %)[1]:

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{\ 92}U} \rightarrow \mathrm {^{215}_{\ 82}Pb} +\mathrm {^{20}_{10}Ne}$ ;}

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{\ 92}U} \rightarrow \mathrm {^{210}_{\ 82}Pb} +\mathrm {^{25}_{10}Ne}$ ;}

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{\ 92}U} \rightarrow \mathrm {^{207}_{\ 80}Hg} +\mathrm {^{28}_{12}Mg} .}$

Один з варіантів вимушеного поділу урану-235 після поглинання нейтрона (схема)

На початку 1930-х рр. Енріко Фермі проводив опромінення урану нейтронами, намагаючись отримати таким способом трансуранові елементи. Але в 1939 р. О. Ган і Ф. Штрасман змогли показати, що при поглинанні нейтрона ядром урану відбувається вимушена реакція поділу. Як правило, ядро ділиться на два уламки, при цьому вивільняється 2-3 нейтрона (див. схему)[5].

В продуктах поділу урану-235 було виявлено близько 300 ізотопів різних елементів: від Z=30 (цинк) до Z=64 (гадоліній). Крива залежності відносного виходу ізотопів, що утворюються при опроміненні урану-235 повільними нейтронами, від масового числа — симетрична і за формою нагадує букву «M». Два виражених максимуми цієї кривої відповідають масовим числам 95 і 134, а мінімум припадає на діапазон масових чисел від 110 до 125. Таким чином, поділ урану на осколки рівної маси (з масовими числами числами 115—119) відбувається з меншою ймовірністю, ніж асиметричний поділ[5], така тенденція спостерігається у всіх ізотопів, що діляться, і не пов'язана з якими-небудь індивідуальними властивостями ядер або частинок, а властива самому механізму поділу ядра. Однак асиметрія зменшується при збільшенні енергії збудження ядра, яке ділиться, і при енергії нейтрона понад 100 МеВ розподіл осколків поділу за масами має один максимум, що відповідає симетричному поділу ядра.

Осколки, що утворюються при поділі ядра урану, в свою чергу є радіоактивними, і зазнають ряду β⁻-розпадів, при яких поступово протягом тривалого часу виділяється додаткова енергія. Середня енергія, яка виділяється при розпаді одного ядра урану-235 з врахуванням розпадів осколків, становить приблизно 202,5 МеВ = 3,244×10⁻¹¹ Дж, або 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг[6].

Поділ ядер — лише один з багатьох процесів, можливих при взаємодії нейтронів з ядрами, саме він лежить в основі роботи будь-якого ядерного реактора[7].

При розпаді одного ядра 235U зазвичай випускається від 1 до 8 (в середньому — 2.5) вільних нейтронів. Кожен нейтрон, що утворився при розпаді ядра 235U, за умови взаємодії з іншим ядром 235U, може викликати новий акт розпаду, це явище називається ланцюговою реакцією поділу ядра.

Гіпотетично, кількість нейтронів другого покоління (після другого етапу розпаду ядер) може перевищувати 3² = 9. З кожним наступним етапом реакції поділу кількість утворених нейтронів може наростати лавиноподібно. В реальних умовах вільні нейтрони можуть не породжувати новий акт поділу, покидаючи зразок до захоплення 235U, або будучи захопленими як самим ізотопом 235U з перетворенням його в 236U, так і іншими матеріалами (наприклад, 238U, або утвореними осколками поділу ядер, такими як 149Sm або 135Xe).

Якщо в середньому кожен акт поділу породжує ще один новий акт поділу, то реакція стає самопідтримуваною; цей стан називається критичним (див. також Коефіцієнт розмноження нейтронів).

В реальних умовах досягти критичного стану урану не так просто, оскільки на протікання реакції впливає ряд факторів. Наприклад, природний уран лише на 0,72 % складається з 235U, 99,2745 % складає 238U[1], який поглинає нейтрони, що утворюються при поділі ядер 235U. Це призводить до того, що в природному урані в даний час ланцюгова реакція поділу дуже швидко затухає. Здійснити незатухаючу ланцюгову реакцію поділу можна декількома основними шляхами[5]:

• Збільшити об'єм зразка (для виділеного з руди урану можливе досягнення критичної маси за рахунок збільшення об'єму);
• Здійснити розділення ізотопів, підвищуючи концентрацію 235U у зразку;
• Зменшити втрату вільних нейтронів через поверхню взірця з допомогою застосування різних відбивачів;
• Використовувати речовину — сповільнювач нейтронів для підвищення концентрації теплових нейтронів.

Відомий єдиний ізомер 235U^m з наступними характеристиками[1]:

• Надлишок маси: 40 920,6(1,8) кеВ
• Енергія збудження: 76,5(4) еВ
• Період напіврозпаду: 26 хв
• Спін і парність ядра: 1/2⁺

Розпад ізомерного стану здійснюється шляхом ізомерного переходу в основний стан.

• Уран-235 використовується як паливо для ядерних реакторів, в яких здійснюється керована ланцюгова ядерна реакція поділу;
• Уран з високим ступенем збагачення застосовується для створення ядерної зброї. В цьому випадку для вивільнення великої кількості енергії (вибуху) використовується некерована ланцюгова ядерна реакція.

• Поділ ядра
• Ізотопи урану
• Розділення ізотопів