Uran-235 (235U -235 ( oder U-235 ) ist ein Uranisotop, das etwa 0,72 % des natürlichen Urans ausmacht. Im Gegensatz zum vorherrschenden Isotop Uran-238 ist es spaltbar , d. h., es kann eine nukleare Kettenreaktion aufrechterhalten. Es ist das einzige spaltbare Isotop, das in der Natur als primordiales Nuklid vorkommt und wurde 1935 von Arthur Jeffrey Dempster entdeckt .
Die bei der Spaltung von Uran-235 freigesetzte Energie treibt die meisten Kernreaktoren und Kernwaffen an . Die Urananreicherung ist der Prozess, bei dem natürliches Uran mit Uran-235 angereichert wird. Einige Reaktortypen können direkt mit natürlichem Uran betrieben werden, während Kernwaffen und einige andere Reaktortypen mit U-235 angereichertes Uran benötigen.
Uran-235 hat eine Halbwertszeit von 704 Millionen Jahren. Sein Spaltquerschnitt für langsame thermische Neutronen beträgt etwa584,3 ± 1 Barn . [ 4 ] Für schnelle Neutronen liegt der Wert in der Größenordnung von 1 Barn. [ 5 ] Die meisten Neutronenabsorptionen induzieren Kernspaltung, ein kleiner Teil (etwa 15 %) führt jedoch zur Bildung von Uran-236 . [ 6 ] [ 7 ]
Spaltungseigenschaften
Die Spaltung eines Atoms von Uran-235 setzt202,5 MeV (3,24 × 10⁻¹¹ J ) innerhalb des Reaktors. Das entspricht 19,54 TJ/ mol bzw. 83,14 TJ/kg. [ 8 ] Weitere 8,8 MeV entweichen als Antineutrinos aus dem Reaktor. Wenn235 92Urankerne werden mit Neutronen beschossen; eine der vielen Spaltungsreaktionen, die dabei auftreten können, ist die folgende (siehe nebenstehendes Bild):
Schwerwasserreaktoren und einige graphitmoderierte Reaktoren können mit Natururan betrieben werden, Leichtwasserreaktoren hingegen benötigen aufgrund der höheren Neutronenabsorption von Leichtwasser niedrig angereichertes Uran . Bei der Urananreicherung wird ein Teil des Uran-238 entfernt und der Anteil an Uran-235 erhöht. Hochangereichertes Uran (HEU), das einen noch höheren Anteil an Uran-235 enthält, wird mitunter in den Reaktoren von Atom-U-Booten , Forschungsreaktoren und Kernwaffen eingesetzt .
Wenn mindestens ein Neutron aus der Spaltung von Uran-235 auf einen anderen Atomkern trifft und diesen ebenfalls spaltet, setzt sich die Kettenreaktion fort. Bleibt die Reaktion ununterbrochen bestehen, spricht man von einer kritischen Reaktion . Die Masse an Uran- 235 , die für das Erreichen des kritischen Zustands erforderlich ist, wird als kritische Masse bezeichnet. Eine kritische Kettenreaktion kann bereits bei niedrigen Konzentrationen von Uran -235 erreicht werden , wenn die Spaltneutronen durch Moderation ihrer Geschwindigkeit reduziert werden, da die Wahrscheinlichkeit für eine Spaltung mit langsamen Neutronen höher ist. Bei einer Spaltkettenreaktion entstehen Fragmente mittlerer Masse , die hochradioaktiv sind und durch ihren radioaktiven Zerfall weitere Energie freisetzen . Einige dieser Fragmente erzeugen Neutronen, sogenannte verzögerte Neutronen , die zur Spaltkettenreaktion beitragen. Die Leistung von Kernreaktoren wird durch die Position von Steuerstäben im Reaktorkern reguliert . Diese Steuerstäbe enthalten Elemente, die Neutronen stark absorbieren, wie beispielsweise Bor , Cadmium oder Hafnium . Bei Atombomben verläuft die Reaktion unkontrolliert und die freigesetzte große Energiemenge erzeugt eine nukleare Explosion .
Atomwaffen
Die Atombombe vom Typ „Little Boy“ , die am 6. August 1945 auf Hiroshima abgeworfen wurde, bestand aus hochangereichertem Uran und besaß einen großen Tamper . Die nominelle kritische Masse einer unmanipulierten 235U -Atomwaffe beträgt 56 Kilogramm (123 Pfund) [ 9 ] , was einer Kugel mit einem Durchmesser von 17,32 Zentimetern (6,82 Zoll) entspräche. Das Material muss zu mindestens 85 % aus 235U bestehen und wird als waffenfähiges Uran bezeichnet. Für eine einfache und ineffiziente Waffe reichen jedoch bereits 20 % Anreicherung aus (sogenanntes waffenfähiges Uran ). Auch eine noch geringere Anreicherung ist möglich, führt aber zu einem rapiden Anstieg der benötigten kritischen Masse . Der Einsatz eines großen Tampersystems, spezieller Implosionsgeometrien , Zündrohren, Poloniumzündern , Tritiumanreicherung und Neutronenreflektoren ermöglicht eine kompaktere und kostengünstigere Waffe, die mit einem Viertel oder weniger der nominellen kritischen Masse auskommt. Dies wäre jedoch wahrscheinlich nur in einem Land möglich, das bereits über umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung von Kernwaffen verfügt. Die meisten modernen Kernwaffenkonstruktionen verwenden Plutonium-239 als spaltbare Komponente der Primärstufe; [ 10 ] [ 11 ] hochangereichertes Uran (HEU, in diesem Fall Uran mit mindestens 20 % <sup> 235</sup> U) wird jedoch häufig in der Sekundärstufe als Zünder für den Fusionsbrennstoff eingesetzt.
| Quelle | Mittlere freigesetzte Energie [MeV] [ 8 ] |
|---|---|
| Sofort freigesetzte Energie | |
| Kinetische Energie der Spaltfragmente | 169.1 |
| Kinetische Energie der prompten Neutronen | 4.8 |
| Energie, die von prompten Gammastrahlen transportiert wird | 7.0 |
| Energie aus zerfallenden Spaltprodukten | |
| Energie der β−-Teilchen | 6,5 |
| Energie verzögerter Gammastrahlen | 6.3 |
| Die Energie, die freigesetzt wird, wenn jene prompten Neutronen eingefangen werden, die keine Spaltung (erneut) auslösen. | 8.8 |
| Die gesamte in einem in Betrieb befindlichen thermischen Kernreaktor in Wärme umgewandelte Energie. | 202,5 MeV |
| Energie der Antineutrinos | 8.8 |
| Summe | 211,3 MeV |
Verfall
Uran-235 ist ein Alpha-Strahler [ 12 ] und erzeugt Thorium-231 . Uran-235 ist der Hauptvorläufer der Actinium-Reihe , einer der wichtigsten Actiniden- Zerfallsreihen , da es das langlebigste und einzige primordiale Nuklid ist (abgesehen vom Endprodukt Blei-207 ). Ausgehend vom natürlich vorkommenden Uran-235 umfasst diese Reihe Isotope von Astat , Bismut , Francium , Blei , Polonium , Protactinium , Radium , Radon , Thallium und Thorium , die alle in natürlichen Uranquellen vorkommen. Der Zerfall verläuft wie folgt (nur die Hauptzerfallszweige sind dargestellt):
![{\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{235}_{92}U->[\alpha ][7.04\times 10^{8}\ {\ce {y}}]{^{231}_{90}Th}->[\beta ^{-}][25.52\ {\ce {h}}]{^{231}_{91}Pa}->[\alpha ][3.27\times 10^{4}\ {\ce {y}}]{^{227}_{89}Ac}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[98.62\%\beta ^{-}][21.772\ {\ce {y}}]{^{227}_{90}Th}->[\alpha ][18.693\ {\ce {d}}]}}\\{\ce {->[1.38\%\alpha ][21.772\ {\ce {y}}]{^{223}_{87}Fr}->[\beta ^{-}][22.00\ {\ce {min}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{223}_{88}Ra->[\alpha ][11.435\ {\ce {d}}]{^{219}_{86}Rn}}}\\{\ce {^{219}_{86}Rn->[\alpha ][3.96\ {\ce {s}}]{^{215}_{84}Po}->[\alpha ][1.781\ {\ce {ms}}]{^{211}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][36.16\ {\ce {min}}]{^{211}_{83}Bi}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[99.724\%\alpha ][2.14\ {\ce {min}}]{^{207}_{81}Tl}->[\beta ^{-}][4.77\ {\ce {min}}]}}\\{\ce {->[0.276\%\beta ^{-}][2.14\ {\ce {min}}]{^{211}_{84}Po}->[\alpha ][0.516\ {\ce {s}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{207}_{82}Pb}}\end{array}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a2eb87394acc77c76c369c6a7bae2564318edc41)
Oder in tabellarischer Form, einschließlich untergeordneter Zweige:
| Nuklid | Zerfallsmodus | Halbwertszeit ( a = Jahre) | Freigesetzte Energie MeV | Verfallprodukt |
|---|---|---|---|---|
| 235 U | α | 7,04×10 8 a | 4,678 | 231 Th |
| 231 Th | β − | 25,52 h | 0,391 | 231 Pa |
| 231 Pa | α | 3,27×10 4 a | 5.150 | 227 Ac |
| 227 Ac | β − 98,62 % α 1,38 % | 21.772 a | 0,045 5,042 | 227. Th 223. Fr |
| 227 . | α | 18.693 d | 6.147 | 223 Ra |
| 223 Fr | β − 99,994 % α 0,006 % | 22,00 Min. | 1.149 5.561 | 223 Ra 219 At |
| 223 Ra | α | 11.435 d | 5,979 | 219 Rn |
| 219 At | α 93,6 % β − 6,4 % | 56 s | 6,342 1,567 | 215 Bi 219 Rn |
| 219 Rn | α | 3,96 s | 6,946 | 215 Po |
| 215 Bi | β − | 7,6 Min. | 2.171 | 215 Po |
| 215 Po | α β − 2,3×10 −4 % | 1,781 ms | 7,526 0,715 | 211 Pb 215 At |
| 215 At | α | 37 μs | 8.177 | 211 Bi |
| 211 Pb | β − | 36,16 Min. | 1,366 | 211 Bi |
| 211 Bi | α 99,724 % β − 0,276 % | 2,14 Min. | 6,750 0,573 | 207 Tl 211 Po |
| 211 Po | α | 516 ms | 7,595 | 207 Pb |
| 207 Tl | β − | 4,77 Min. | 1,418 | 207 Pb |
| 207 Pb | stabil |
Astrophysikalische Datierung
Die Kenntnis der aktuellen und theoretischen Produktionsverhältnisse von Uran-235 zu Uran-238 ermöglicht die radiometrische Datierung , also die Bestimmung des Zeitpunkts der Entstehung moderner Urankerne in der stellaren Nukleosynthese .
Die bahnbrechende Arbeit von B2FH aus dem Jahr 1957 in der Astrophysik erklärte den r-Prozess, durch den beide Atomkerne entstehen. Die Autoren sagten ihre relativen Häufigkeiten sowie die ihrer schnell zerfallenden α- Ketten -Mutternuklide voraus . So prognostizierten sie ein 1,64 für das Verhältnis von <sup>235</sup> U zu <sup> 238</sup> U, das durch r-Prozess-Ereignisse ( Supernovae und später entdeckte Kilonovae ) in das interstellare Medium gelangte . Es dauert Milliarden von Jahren, bis dieses Verhältnis auf den heutigen Wert von 0,0072 absinkt (siehe natürliches Uran ). Sie untersuchten Szenarien für den historischen Beitrag zum solaren Nebel , bevor dieser mit der Entstehung der Sonne vor 4,5 Milliarden Jahren endete. Die Szenarien umfassten: eine einzelne Supernova, eine endliche, kontinuierliche und gleichmäßige Reihe von Supernovae, die die Lebensdauer der Milchstraße repräsentiert , und eine unendliche Reihe, die das stationäre Universum beschreibt . Aus dem zweiten Szenario schätzten sie das Alter der Milchstraße auf etwa 10 Milliarden Jahre, verglichen mit einem heutigen Wert von 13,61 Milliarden Jahren. Zu dieser Zeit waren die ältesten bekannten Objekte Kugelsternhaufen , deren ältestes Alter auf etwa 6,5 Milliarden Jahre geschätzt wurde. [ 13 ]
Referenzen
- ^ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). „Die NUBASE2020-Bewertung nuklearer Eigenschaften“ (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
- ^ Wang, Meng; Huang, WJ; Kondev, FG; Audi, G.; Naimi, S. (2021). „Die AME 2020 Atommassenbewertung (II). Tabellen, Grafiken und Referenzen*“. Chinese Physics C . 45 (3) 030003. doi : 10.1088/1674-1137/abddaf .
- ^ Nationales Nukleardatenzentrum . „NuDat 3.0-Datenbank“ . Brookhaven National Laboratory .
- ^ "#Standardreaktion: 235U(n,f)" . www-nds.iaea.org . IAEA . Abgerufen am 4. Mai 2020 .
- ^ "„Einige physikalische Grundlagen des Urans“, UIC.com.au. Archiviert vom Original am 17. Juli 2007. Abgerufen am 18. Januar 2009 .
- ^ „Einfang-zu-Spaltungs-Verhältnis“ . nuclear-power.com . Abgerufen am 26. Juni 2024 .
- ^ Cabell, MJ; Slee, LJ (1962). „Das Verhältnis von Neutroneneinfang zu Kernspaltung bei Uran-235“. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry . 24 (12): 1493–1500 . doi : 10.1016/0022-1902(62)80002-5 .
- ^ a b Kernspaltung und -fusion sowie Neutronenwechselwirkungen , National Physical Laboratory Archive.
- ^ „FAQ zur Konstruktion von Atomwaffen durch die FAS“ . Archiviert vom Original am 7. Mai 1999. Abgerufen am 2. September 2010 .
- ^ Atomwaffendesign . Verband Amerikanischer Wissenschaftler. Archiviert vom Original am 26.12.2008 . Abgerufen am 04.06.2016 .
- ^ Miner, William N.; Schonfeld, Fred W. (1968). „Plutonium“ . In : Clifford A. Hampel (Hrsg.). The Encyclopedia of the Chemical Elements . New York (NY): Reinhold Book Corporation. S. 541. LCCN 68029938 .
- ^ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). „Die NUBASE2020-Bewertung nuklearer Eigenschaften“ (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
- ^ Burbidge, E. Margaret; Burbidge, G. R.; Fowler, William A.; Hoyle, F. (1957-10-01). „Synthese der Elemente in Sternen“ . Reviews of Modern Physics . 29 (4): 547–650 . Bibcode : 1957RvMP...29..547B . doi : 10.1103/RevModPhys.29.547 . ISSN 0034-6861 .
Externe Links
- Tabelle der Nuklide .
- DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Vol. 1 ( Archiviert am 31.07.2017 in der Wayback Machine ), Vol. 2 ( Archiviert am 20.12.2016 in der Wayback Machine ).
- Grundlagen zu Radionukliden: Uran – US-Umweltschutzbehörde (EPA)
- NLM-Datenbank für Gefahrstoffe – Uran, radioaktiv
- „Das Wunder von U-235“ , Popular Mechanics , Januar 1941 – einer der ersten Artikel über U-235 für die breite Öffentlichkeit