鈾-235
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鈾-235 | |
|---|---|
 含有大量鈾-235的鈾金屬 全部 | |
一般 | |
名稱／符號 | 鈾-235,235U |
中子數量 | 143 |
質子數量 | 92 |
核素數據 | |
豐度 | 0.72% |
半衰期 | 703,800,000年 |
母同位素 | 235Pa 235Np 239Pu |
衰變產物 | 231Th |
原子量 | 235.0439299 u |
自旋 | 7/2- |
过剩能量 | 40914.062 ± 1.970 keV |
结合能 | 1783870.285 ± 1.996 keV |
衰变类型 | 衰变能量 |
α衰变 | 4.679 MeV |
鈾235（符号：235U），是鈾的三種同位素之一，當中只有鈾235能夠發生核分裂，引發連鎖核裂變反應，可用作核電及核彈。1935年由加拿大科學家鄧史達發現。根據國際原子能機構的定義，濃度為3％的鈾235為核電廠發電用低濃縮鈾，高於80%稱作高濃縮鈾，大於90%則叫作為武器級高濃縮鈾。
目录
1 概述
2 自然衰变链
3 技術發展
4 參看
概述
鈾是自然界的稀有化學元素，具有放射性。鈾主要含三種同位素，即鈾-238、鈾235和鈾-234，但只有鈾235是可裂變核元素。當最少一個中子撞擊鈾235時，連鎖核裂變將會產生。鈾235需要到達臨界質量，連鎖核裂變才會持續下去。
早在1934年，意大利物理學家費米（Fermi）以中子撞擊鈾元素，首次發現核分裂反應。幾經研究，科學家最初發現天然鈾含有鈾238及鈾235兩種同位素，只有後者受中子撞擊後，會發生分裂反應。
在過程中，一個中子撞擊鈾235原子核後，內部因吸收中子的能量，開始作劇烈的啞鈴狀震盪，結構終因震盪過劇而瓦解，產生出兩個質量較小的原子核及放出2到3個新的中子，這些中子又會撞擊附近的鈾235原子核，繼續發生分裂反應，此即所謂「連鎖反應」。
在這反應後，其產生的原子核及中子，總質量較未有反應前為低，損失質量會轉化成能量；按照相對論，質量變成能量時，其轉換關係為「能量=質量×光速的平方」（E=mc2），極小的質量即可變成極大的能量。1945年美軍投下的廣島原子彈，總重量為440公斤，鈾235含量為45公斤，當中只有1公斤鈾235發生核分裂，反應中又只有1克的質量轉化成能量，但已经可以把方圓1公里的地区夷為廢墟。
自然衰变链
- U92235→7.038×108 yα90231Th→25.52 hβ−91231Pa→3.276×104 yα89227Ac{→21.773 y98.62%β−90227Th→18.718 dα→21.773 y1.38%α87223Fr→21.8 minβ−}Ra88223→11,434 dα86219RnRn86219→3.96 sα84215Po→1.778 msα82211Pb→36.1 minβ−83211Bi{→2.13 min99.73%α81207Tl→4.77 minβ−→2.13 min0.27%β−84211Po→0.516 sα}Pb(stable)82207{displaystyle {begin{array}{l}{ce {^{235}_{92}U->[alpha ][7.038times 10^{8} {ce {y}}]_{90}^{231}Th->[beta ^{-}][25.52 {ce {h}}]_{91}^{231}Pa->[alpha ][3.276times 10^{4} {ce {y}}]_{89}^{227}Ac}}{begin{Bmatrix}{ce {->[98.62%beta ^{-}][21.773 {ce {y}}]_{90}^{227}Th->[alpha ][18.718 {ce {d}}]}}\{ce {->[1.38%alpha ][21.773 {ce {y}}]_{87}^{223}Fr->[beta ^{-}][21.8 {ce {min}}]}}end{Bmatrix}}{ce {^{223}_{88}Ra->[alpha ][11,434 {ce {d}}]_{86}^{219}Rn}}\{ce {^{219}_{86}Rn->[alpha ][3.96 {ce {s}}]_{84}^{215}Po->[alpha ][1.778 {ce {ms}}]_{82}^{211}Pb->[beta ^{-}][36.1 {ce {min}}]_{83}^{211}Bi}}{begin{Bmatrix}{ce {->[99.73%alpha ][2.13 {ce {min}}]_{81}^{207}Tl->[beta ^{-}][4.77 {ce {min}}]}}\{ce {->[0.27%beta ^{-}][2.13 {ce {min}}]_{84}^{211}Po->[alpha ][0.516 {ce {s}}]}}end{Bmatrix}}{ce {^{207}_{82}Pb_{(stable)}}}end{array}}}
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技術發展
獲得鈾本身已涉及複雜程序，需要探礦、開礦、選礦、浸礦、煉礦、精煉等程序，但天然鈾所含鈾235的濃度只有0.7%，科學家會利用擴散法、氣體離心法和激光法等，令天然鈾的三種同位素分離，提高鈾235的濃度。目前國際間常觀察一國是否擁有氣體離心法設備，推算一國的核武器研究水平。1公斤武器級鈾235，就需要從200噸鈾礦石中提鍊。
1945年7月16日凌晨，美國新墨西哥州的阿拉莫可德沙漠上，人類第一枚原子彈試爆，當時鈾235是透過勞倫斯法分離。勞倫斯方法亦即電磁法，利用鈾235和鈾238品質上的差異令兩者分離，再抽出鈾235，美國當時在田納西州建立了巨型電磁鐵，直徑長達4.57米，生產出以千克計的鈾235。
另一方法由科學家哈羅德·尤里提出，名為氣體擴散法。氣體擴散法把鈾製成六氟化鈾氣體，使它通過4000次多孔障壁，能提鍊出濃度99％的鈾235，目前是全球最廣泛使用的鈾濃縮技術。美國為此建造了巨大的工廠，加熱後的六氟化鈾氣體要通過成千的多孔障壁，每一障壁有成百萬的小於百萬分之一釐米的孔，期間要用數月時間，使一定量的氣體從頭至尾通過工廠。
目前最多採用的則是氣體離心法，比擴散法要省能源。
鈾濃縮技術是國際間極為敏感技術。除了中、俄、美、法、英外，日本、德國、印度、巴基斯坦、阿根廷等國家已確認掌握濃縮鈾技術。國際原子能機構2006年初指在伊朗境內發現濃縮鈾痕跡，2006年10月宣布完成核試的北韓亦被指擁有該技術。
參看
- 鈾
- 濃縮鈾
- 國際原子能機構
- 核武器
- 貧化鈾
