ウランの同位体

ウラン（_92U）は、安定同位体を持たない天然の放射性元素（放射性元素）です。ウランには、半減期が長く、地殻にかなりの量存在する2つの原始同位体、ウラン238とウラン235があります。崩壊生成物であるウラン234も存在します。ウラン233などの他の同位体は、増殖炉で生成されています。自然界や原子炉で発見された同位体に加えて、 ^{214Uから242U （ 220U}を除く）までの、はるかに短い半減期を持つ多くの同位体が生成されています。天然ウランの標準原子量は238.028 91 (3) .

天然ウランは主に3つの同位体、^{238U （}天然存在比99.2739～99.2752% ）、^235U（0.7198～0.7202%）、および^234U（0.0050～0.0059%）から構成されています。^{[ 4 ]}これら3つの同位体はすべて放射性（すなわち放射性同位体）であり、最も豊富で安定しているのはウラン238で、半減期は138です。4.463 × 10⁹年 （地球の年齢とほぼ^同じ）。

ウラン238はアルファ線放出核種であり、18個のウラン系列を経て鉛206に崩壊する。ウラン235（歴史的にはアクチノウランと呼ばれる）の崩壊系列は15個の元素からなり、鉛207で終わる。これらの系列の崩壊速度が一定であるため、放射年代測定では親元素と娘元素の比率を比較することが有用である。ウラン233はトリウム232に中性子を照射することで生成される。

ウラン235は、原子炉（エネルギー生産）と核兵器の両方にとって重要です。なぜなら、熱中性子に反応して核分裂を起こす同位体は、自然界に相当量存在する同位体の中でウラン235だけであり、つまり、熱中性子捕獲によって核分裂が誘発される確率が高いからです。十分な量（臨界量）のウラン235があれば、連鎖反応を持続させることができます。ウラン238もまた、核分裂を起こしやすい性質を持つため重要です。ウラン238は中性子を吸収して放射性同位体を生成し、それがプルトニウム239に崩壊します。プルトニウム239もまた核分裂を起こしやすい同位体です。

ウラン232の半減期は68.9年で、トリウムサイクルの副産物です。232Uの娘核種である^208Tl （比較的短時間で生成される）からの強いガンマ線によって、 ^{233Uが汚染されると取り扱いが難しくなるため、 233U}を使用した核拡散の障害として挙げられています。ウラン232は、熱中性子と高速中性子の両方で核分裂する偶偶同位体の珍しい例です。 ^{[ 24 ] [ 25 ]}

ウラン233は、トリウム燃料サイクルの一部としてトリウム232から生成される核分裂性同位体です。233U^は核兵器や原子炉燃料としての使用が検討されました。時折試験が行われましたが、核兵器に使用されたことはなく、商業的に核燃料として使用されたこともありません。^{[ 26 ]}実験用原子炉では成功裏に使用されており、核燃料としてより広範囲で使用することが提案されています。半減期は約16万年です。

ウラン233は、トリウム232に中性子を照射することによって生成されます。トリウム232が中性子を吸収すると、半減期がわずか22分のトリウム233になります。トリウム233はベータ崩壊してプロトアクチニウム233になります。プロトアクチニウム233の半減期は27日で、ベータ崩壊してウラン233になります。溶融塩炉の設計案の中には、ベータ崩壊が起こる前にプロトアクチニウムがそれ以上中性子を捕獲されないように物理的に隔離しようとするものもあります。

ウラン233は通常、中性子を吸収して核分裂を起こしますが、時には中性子を保持してウラン234になることもあります。捕獲対核分裂比は、他の2つの主要な核分裂性燃料であるウラン235とプルトニウム239よりも小さく、短寿命のプルトニウム241よりも低いですが、製造が非常に困難なネプツニウム236には及びません。

²³⁴ U は天然ウラン中にウラン 238 の間接的な崩壊生成物として存在しますが、半減期が 245,500 年で²³⁸ Uの約 1/18,000 しかないため、ウランの55 ppmしか占めていません。234 Uの生成経路は次のとおりです。238 ^Uが^アルファ崩壊してトリウム 234になります。次に、半減期が短い²³⁴ Th がベータ崩壊してプロトアクチニウム 234になります。最後に、^{234 Pa がベータ崩壊して234} Uになります。 ^{[ 27 ] [ 28 ]}

^234Uアルファ崩壊はトリウム230に崩壊するが、ごく一部の原子核は自発核分裂を起こす。

天然ウランから少量の^²³⁴ Uを抽出するには、通常のウラン濃縮と同様に同位体分離法を用いることができます。しかし、化学、物理学、工学の分野では、^{²³⁴ Uを分離する必要性は実際にはありません。²³⁴} Uのごく少量の純粋なサンプルは、^²³⁸ Uへのアルファ崩壊が多少起こるまで経年変化したプルトニウム²³⁸のサンプルから、化学的イオン交換法によって抽出することができます。

濃縮ウランは、ウラン235を得ることを目的としたウラン濃縮プロセスの副産物として、天然ウランよりも多くの^{234Uを含んでいます。ウラン235は、 235U}よりもさらに軽い同位体を強く濃縮します。濃縮天然ウラン中の^234Uの割合の増加は、現在の原子炉では許容範囲内ですが、（再濃縮）再処理ウランには、さらに高い割合の^234Uが含まれる可能性があり、これは望ましくありません。^{[ 29 ]}これは、^234Uは核分裂性ではなく、増殖性であるためです。原子炉内で低速中性子を吸収し、核分裂性の^235Uになる傾向があります。^{[ 28 ] [ 29 ]}

^234Uは、熱中性子に対する中性子捕獲断面積が約 100バーン、共鳴積分(さまざまな中間エネルギーを持つ中性子の平均) が約 700 バーンです。原子炉では、非核分裂性同位体が中性子を捕獲し、核分裂性同位体が増殖します。234U^は、ウラン 238がプルトニウム 239 (ネプツニウム 239を経由)になるよりも容易に、したがってより速い速度で 235U^に変換されます。これは、 ^238Uの中性子捕獲断面積がわずか 2.7 バーンと非常に小さいためです。

ウラン235は天然ウランの約0.72%を占める。主要な同位体であるウラン238とは異なり、ウラン235は核分裂性であり、すなわち核分裂連鎖反応を持続させることができる。ウラン235は、原始核種であり、かつ自然界に相当量存在する唯一の核分裂性同位体である。

ウラン235の半減期は7億400万年です。1935年にアーサー・ジェフリー・デンプスター によって発見されました。低速熱中性子に対する核分裂断面積は約584.3 ± 1バーン。^{[ 30 ]}高速中性子の場合、1 バーン程度です 。熱エネルギーレベルでは、6 回の中性子吸収のうち約 5 回が核分裂を起こし、6 回のうち 1 回が中性子捕獲を起こしてウラン 236を生成します。^{[ 31 ]}核分裂と捕獲の比率は、高速中性子ほど向上します。

ウラン236の半減期は約2300万年であり、熱中性子による核分裂性はなく、また優れた増殖性物質でもないが、一般的には厄介な長寿命放射性廃棄物とみなされている。使用済み核燃料および使用済み核燃料から再処理されたウラン中に存在する。

ウラン237の半減期は約6.75日です。ベータ崩壊によりネプツニウム237に崩壊します。1940年に日本の物理学者西名義雄によって発見されました。西名義雄は、93番元素の生成を推測したニアミス発見でしたが、当時未知であったこの元素を単離したり、その崩壊特性を測定したりすることはできませんでした。^{[ 32 ]}

ウラン238（^238UまたはU-238）は、自然界で最も一般的なウランの同位体です。核分裂性ではありませんが、増殖性があります。^{[ 33 ]}低速中性子を捕獲し、2回のベータ崩壊の後、核分裂性プルトニウム239になります。ウラン238は高速中性子によって核分裂しますが、非弾性散乱によって中性子エネルギーが1つ以上の次世代原子核の高速核分裂が起こる可能性のある範囲を下回るため、連鎖反応を維持できません。燃料温度の上昇に伴って吸収が増加する238Uの中性子吸収共鳴のドップラー広がりは^、原子炉制御にとって不可欠な負のフィードバック機構です。

天然ウランの約99.274%はウラン238で、その半減期は4.463×10⁹^年です。劣化ウランは^238Uの濃度がさらに高く、低濃縮ウラン（LEU）でさえも大部分は^238Uです。再処理ウランも主に^{238Uで、天然ウランとほぼ同量のウラン235、同程度の割合のウラン236、そして}ウラン234、ウラン233、ウラン232などの他のウラン同位体ははるかに少量です。

ウラン239は通常、原子炉内でウラン²³⁸に中性子を照射することによって生成されます。ウラン^239の半減期は約23.45分で、ベータ崩壊によりネプツニウム239に崩壊し、その全崩壊エネルギーは約1.29 MeVです 。^{[ 34 ]} 74.660 keVで最も一般的なガンマ崩壊は 、​​1.28 MeVと1.21 MeVの2つの主要なベータ放出エネルギーチャネルの差を説明しています 。^{[ 35 ]}

^239Npは、約2.356日の半減期でベータ崩壊してプルトニウム239になります。