ウラン238

ウラン238（²³⁸ウラン238は最も一般的なウラン同位体であり、相対存在比は 99% 以上です。ウラン 235とは異なり、非核分裂性であるため、熱中性子炉で連鎖反応を維持することはできません。しかし、高速中性子によって核分裂し、増殖性であるため、核分裂性プルトニウム 239に変換することができます。^ウラン238が連鎖反応を維持できないのは、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り範囲を下回るためです^{。燃料温度の上昇に伴って吸収が増加する238}ウランの中性子吸収共鳴のドップラー広がりも、原子炉制御のための重要な負のフィードバック機構です。

この同位体の半減期は44億6300万年です（1.408 × 10 ¹⁷ 秒）。その存在量と他の放射性元素に対する相対的な半減期の崩壊速度により、²³⁸ U は地球内で発生する放射性熱の約 40% を占めています。^{[ 4 ] 238} Uの崩壊系列は 、²³⁸ U 原子核1 個あたり6 個の電子反ニュートリノ(ベータ崩壊1 回あたり 1 個) を生成し、地球内で崩壊が発生すると、検出可能な大きなジオニュートリノ信号が生じます。 ^{[ 5 ] 238} U の娘同位体へ の崩壊は、放射年代測定、特に約 100 万年以上前の物質の年代測定に広く利用されています。 

劣化ウランは^238U同位体の濃度がさらに高く、低濃縮ウラン（LEU）は劣化ウランに比べてウラン235同位体の割合が高いものの、依然として大部分は^{238Uである。}再処理ウランも主に238Uであり、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ない量である。^{[ 6 ]}

核分裂型原子炉では、ウラン238を用いてプルトニウム239を生成することができ、プルトニウム239自体は核兵器や原子炉燃料として使用できる。一般的な原子炉では、発電量の最大3分の1がプルトニウム²³⁹の核分裂によるものであり、プルトニウム239は原子炉に燃料として供給されるのではなく、ウラン²³⁸から生成される。 ^{[ 7 ]}一定量のプルトニウム^{239が生産される。238}からのPuウランは中性子放射線にさらされる場所では必ず発生する。燃焼度と中性子温度に応じて、ウラン²³⁹の割合は異なる。Puは²⁴⁰に変換されますPuは、生産されるプルトニウムの「グレード」を決定するもので、兵器級から原子炉級、そして²⁴⁰の高グレードのプルトニウムまであります。プルトニウムは、熱中性子スペクトルで運転されている現在の原子炉では使用できない。後者の場合、通常は、多量のプルトニウムを含む使用済みの「リサイクル」 MOX燃料が原子炉に投入される。

現代の核兵器のほとんどは、タンパー材としてウラン^238を使用しています（核兵器設計を参照）。核分裂性コアを囲むタンパーは、中性子を反射し、プルトニウム²³⁹の圧縮に慣性を加える働きをします。そのため、兵器の効率が向上し、必要な臨界質量が減少します。熱核兵器の場合、ウラン^238は核融合燃料を包むために使用でき、結果として生じる核融合反応からの高エネルギー中性子の高束によってウラン^{238原子核が分裂し、兵器の「出力」にさらにエネルギーが加わります。このような兵器は、各反応が起こる順序にちなんで}、核分裂-核融合-核分裂兵器と呼ばれます。このような兵器の例として、キャッスル・ブラボーがあります。

この設計における爆発力の大部分は、^238Uを燃料とする最終核分裂段階から発生し、膨大な量の放射性核分裂生成物を生成します。例えば、 1952年のアイビーマイク核実験の10.4メガトンの爆発力のうち、推定77%は劣化ウランタンパーの高速核分裂によるものでした。劣化ウラン（または天然ウラン）は臨界質量を持たないため、ほぼ無制限に核爆弾に加えることができます。 1961年のソビエト連邦のツァーリ・ボンバ実験では、「わずか」50メガトンの爆発力しか得られませんでしたが、その90%以上は^238U最終段階が鉛に置き換えられたため、核融合によるものでした。もし代わりにウラン²³⁸が使われていたら、ツァーリ・ボンバの威力は100メガトンをはるかに超え、当時までに世界中で発生した放射性降下物の総量の3分の1に相当する量の放射性降下物を発生させていただろう。

ウラン238はアルファ線放出体であり、ベータ線放出体であるトリウム234を生成します。これにより、一般にラジウム系列またはウラン系列と呼ばれる崩壊系列が続きます。天然に存在するウラン238から始まるこの系列には、アスタチン、ビスマス、鉛、ポロニウム、プロトアクチニウム、ラジウム、ラドン、タリウム、トリウム、ウランの同位体が含まれており、これらはすべて天然のウラン源に存在します。崩壊は次のように進行します（主な崩壊分岐のみを表示）：^{[ 11 ]}

${\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{238}_{92}U->[\alpha ][4.463\times 10^{9}\ {\ce {y}}]{^{234}_{90}Th}->[\beta ^{-}][24.11\ {\ce {d}}]{^{234\!m}_{91}Pa}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[0.16\%][1.16\ {\ce {min}}]{^{234}_{91}Pa}->[\beta ^{-}][6.70\ {\ce {h}}]}}\\{\ce {->[99.84\%\ \beta ^{-}][1.16\ {\ce {min}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{234}_{92}U->[\alpha ][2.455\times 10^{5}\ {\ce {y}}]{^{230}_{90}Th}->[\alpha ][7.54\times 10^{4}\ {\ce {y}}]{^{226}_{88}Ra}->[\alpha ][1600\ {\ce {y}}]{^{222}_{86}Rn}}}\\{\ce {^{222}_{86}Rn->[\alpha ][3.8235\ {\ce {d}}]{^{218}_{84}Po}->[\alpha ][3.097\ {\ce {分}}]{^{214}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][27.06\ {\ce {min}}]{^{214}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][19.9\ {\ce {min}}]{^{214}_{84}Po}->[\alpha ][164.3\ \mu {\ce {s}}]{^{210}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][22.2\ {\ce {y}}]{^{210}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][5.012\ {\ce {d}}]{^{210}_{84}Po}->[\alpha ][138.376\ {\ce {d}}]{^{206}_{82}Pb}}}\end{array}}}$

または、細かな枝葉を含めた表形式：

^238U （または任意の核種）の平均寿命は、半減期をln(2) ≈ 0.693で割った値（または1/ln(2) ≈ 1.443を掛けた値）で、約2 × 10です。    ¹⁷秒なので、1モルの^238Uは3 × 10を放出する。^{毎秒6個の}アルファ粒子が、同数のトリウム234原子を生成する。閉鎖系では、安定な最終生成物を除くすべての構成元素が互いに一定の比率を持ち、徐々に減少していく平衡状態に達する。206Pbの量は^それに応じて増加し、238Uの量は^{減少する。崩壊系列のすべての段階は、3} × 10⁻⁶という同じ速度で進行する。1モルあたり毎秒^{6個の崩壊粒子238U}。

^{ウラン238は}放射能が極めて低いものの、その崩壊生成物であるトリウム234とプロトアクチニウム234はベータ線を放出し、それぞれの半減期は約20日と1分です。プロトアクチニウム234はウラン234に崩壊しますが、ウラン234の半減期は何十万年にも及び、この同位体は平衡濃度に達するまでに非常に長い時間を要します。崩壊系列の最初の2つの同位体が比較的低い平衡濃度に達すると、当初純粋なウラン²³⁸の試料は、ウラン²³⁸自体による放射線の3倍の放射線を放出し、この放射線の大部分はベータ線です。

^{すでに上で触れたように、純粋な238} Uから始めると、人間の時間スケールでは、平衡は崩壊連鎖の最初の 3 段階にのみ適用されます。したがって、1 モルの²³⁸ U に対して、3 × 10毎秒⁶ 回、アルファ粒子 1 個とベータ粒子 2 個、ガンマ線 1 個が生成され、合計エネルギーは 6.7 MeV で、出力は 3 μW です。 ^{[ 12 ] [ 13 ]}

238U原子自体は49.55keVのガンマ線を0.084%の確率で放出するが、これは非常に弱いガンマ線なので、放射能は崩壊系列の娘核種を通して測定される^{。[ 14 ] [ 15 ]}

^238Uの存在量とその娘同位体への崩壊は、複数のウラン年代測定法を構成しており、放射年代測定で最も一般的に使用される放射性同位体の1つです。最も一般的な年代測定法はウラン鉛年代測定法で、100万年以上前の岩石の年代測定に使用され、地球上で最も古い岩石の年代を44億年前としています。^{[ 16 ]}

^238Uと^234Uの関係は、10万年から120万年前の堆積物や海水の年代を示す指標となる。 ^{[ 17 ]}

238U^の娘核種である^206Pbは、鉛-鉛年代測定法の不可欠な部分であり、地球の年齢の決定で最も有名である。^{[ 18 ]}

ボイジャー計画の宇宙船は、同様の方法で年代測定を容易にするために、金色のレコードのカバーに少量の純粋な238Uを搭載している^{。[ 19 ]}

ウランはアルファ線を放出するため、外部被ばくによる影響は限定的です。しかし、ウランの微粒子や、トリウム230、ラジウム226、ラドン222などの崩壊生成物に体内で大量に被ばくすると、骨や肝臓のがんなど、深刻な健康被害を引き起こす可能性があります。

ウランは化学的にも毒性があり、ウランを摂取すると、放射能による骨や肝臓の癌よりもずっと早く、化学的性質によって腎臓に損傷を与える可能性がある。^{[ 20 ] [ 21 ]}

• 劣化ウラン
• ウラン鉛年代測定法

• 米国国立医学図書館（NLM）有害物質データベース – 放射性ウラン