ウラン238

ウラン238、 ²³⁸あなた

10グラムのサンプル
一般的な
シンボル	238う
名前	ウラン238、238U、U-238
陽子 ( Z )	92
中性子 ( N )	146
核種データ
自然の豊かさ	99.2745%
半減期 （t 1/2）	4.468 × 10 9 年
同位体質量	238.05078826日
スピン	0
親同位体	242 Pu  ( α ) 238 Pa  ( β − )
崩壊生成物	234番目
減衰モード
減衰モード	崩壊エネルギー( MeV )
アルファ崩壊	4.267
ウランの同位体 核種の完全な表

ウラン238（²³⁸
あなた
ウラン238 （ U-238）は、自然界で最も多く見られるウラン同位体で、相対存在比は 99 % である。ウラン 235とは異なり、非核分裂性であるため、熱中性子炉では連鎖反応を維持できない。しかし、高速中性子によって核分裂可能であり、核分裂性プルトニウム 239に変換できる。238 U 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^起こる可能性のある範囲以下に低下するため、連鎖反応を維持できない。燃料温度の上昇に伴い吸収が増加する²³⁸ U の中性子吸収共鳴のドップラー広がりも、原子炉制御に 不可欠な負のフィードバック機構である。

天然ウランの質量の約99.284%はウラン238で、半減期は1.41 × 10¹⁷ 秒（4.468 × 10²³⁸ Uの半減期は⁹年（44億6800万年）である。 ^[1]他の放射性元素 に比べて自然存在比が高く半減期が短いため、 ²³⁸ Uは地球内部で発生する放射性熱の約40%を生産している。 ^[2] 238 Uの崩壊 系列^{では、 238} U原子核あたり6個の電子反ニュートリノ（ベータ崩壊あたり1個が生成され、地球内部で崩壊が起こると大きな地球ニュートリノ信号が検出できる。 ^{[3] 238} Uの娘同位体へ の崩壊は、特に約100万年以上前の物質 の放射年代測定に広く利用されている

劣化ウランはウラン²³⁸同位体の濃度がさらに高く、低濃縮ウラン（LEU）でさえもウラン235同位体の割合が高いものの（劣化ウランと比較して）、大部分はウラン^238です。再処理ウランも主に^{ウラン238で、}ウラン235は天然ウランと同程度、ウラン236の割合は同程度、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。^[4]

核分裂原子炉では、ウラン238からプルトニウム239を生成することができ、それ自体が核兵器や原子炉燃料として使用できる。典型的な原子炉では、発電電力の最大3分の1が²³⁹ Puの核分裂から得られ、これは原子炉の燃料として供給されるのではなく、²³⁸ Uから生成される。 ^[5]239
Puから²³⁸
Uは中性子放射にさらされる場所では避けられない。燃焼度と中性子温度に応じて、²³⁹
Puは次のように変換されます²⁴⁰
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、そして非常に高いプルトニウムまでの範囲にわたります。²⁴⁰
Puは、熱中性子スペクトルで稼働している現在の原子炉では使用できないとされています。後者では通常、大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ます^[要出典]。

^{238 U は}「高速」核分裂によってエネルギーを生成できます。このプロセスでは、1 MeVを超える運動エネルギーを持つ中性子が ²³⁸ Uの原子核を分裂させます。設計に応じて、このプロセスは原子炉内のすべての核分裂反応の約 1 ～ 10 パーセントを占めますが、各核分裂で生成される平均 2.5 個の中性子^[6]のうち、連鎖反応を継続するのに十分な速度を持つのはごくわずかです。

²³⁸ Uはプルトニウム239を作るための原料として利用でき、プルトニウム239は核燃料として利用できる。増殖炉はこのような核変換プロセスを実行し、親核種^{238 Uを核分裂性核種239} Puに変換する。これらの発電所で使用できる²³⁸ Uは1万年から50億年分あると推定されている。^[7]増殖技術はいくつかの実験用原子炉で利用されている。^[8]

2005年12月までに発電していた増殖炉は、ロシアのベロヤルスク原子力発電所にある600メガワットのBN-600原子炉のみだった。ロシアは後にベロヤルスク原子力発電所にBN-800という別の原子炉を建設し、2016年11月に全面稼働を開始した。また、1986年に建設されて以来、ほとんどの期間稼働していなかった日本の増殖炉もんじゅは、安全性と設計上の危険性が明らかになった後、2016年に廃止命令が出され、完成予定は2047年に設定された。中国とインドはどちらも、核増殖炉を建設する計画を発表している。^[要出典]

増殖炉はその名前が示すように、核分裂炉よりも大量の²³⁹ Pu または^{233 U を生成します。 [引用が必要]}

クリーンで環境的に安全な先進炉（CAESAR）は、蒸気を減速材として使用して遅延中性子を制御する原子炉のコンセプトで、低濃縮ウラン（LEU）燃料で原子炉を起動すると、²³⁸ Uを燃料として使用できる可能性があります。この設計はまだ開発の初期段階にあります。^{[引用が必要]}

天然ウラン、0.711%²³⁵
あなた
、CANDU原子炉などの天然ウランを利用するために特別に設計された原子炉で核燃料として使用できます。非濃縮ウランを使用することで、このような原子炉設計により、国は燃料濃縮能力の開発を必要とせずに電力生産を目的とした原子力にアクセスできるようになります。燃料濃縮能力の開発は、しばしば兵器製造の前兆と見なされます^[要出典]。

^{238 U は}放射線遮蔽材としても使用される。そのアルファ線は遮蔽材の非放射性被覆によって容易に遮断され、ウランの原子量と電子数が多いため、ガンマ線やX 線を吸収するのに非常に効果的である。高速中性子を遮断する効果は普通の水ほどではない。金属劣化ウランと劣化二酸化ウランの両方が放射線遮蔽材として使用される。ウランは鉛よりもガンマ線遮蔽材として約 5 倍優れているため、同じ効果を持つ遮蔽材をより薄い層に詰め込むことができる。^{[引用が必要]}

砂利の代わりに二酸化ウラン骨材で作られたコンクリートであるDUCRETEは、放射性廃棄物を貯蔵する乾式貯蔵システムの材料として研究されています。^[要出典]

濃縮の反対はダウンブレンディングです。余剰の高濃縮ウランを劣化ウランまたは天然ウランとダウンブレンディングして、商業用核燃料に適した低濃縮ウランに変えることができます。

劣化ウランと天然ウランからの²³⁸ U は、核兵器備蓄からのリサイクルされた^{239 Pu とともに}混合酸化物燃料(MOX) の製造にも使用され、現在では原子炉の燃料として再利用されています。この希釈はダウンブレンディングとも呼ばれ、完成した燃料を入手した国やグループは、兵器を組み立てる前に、非常に高価で複雑なウランとプルトニウムの化学分離プロセスを繰り返さなければならないことを意味します。^{[引用が必要]}

現代の核兵器のほとんどは、 ²³⁸ U を「タンパー」材料として利用しています(核兵器の設計を参照)。核分裂性核を取り囲むタンパーは、中性子を反射し、 ²³⁹ Pu の充填物の圧縮に慣性を加える働きをします。そのため、兵器の効率が上がり、必要な臨界質量が減ります。熱核兵器の場合、²³⁸ U は核融合燃料を包むために使用できます。結果として生じる核融合反応からの非常にエネルギーの高い中性子の高流量により、 ^{238 U 原子核が分裂し、兵器の「出力」にさらにエネルギーが追加されます。このような兵器は、各反応が発生する順序にちなんで、}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は、キャッスル ブラボーがあります。

^{この設計における総爆発力の大部分は、 238} Uを燃料とする最終核分裂段階から生じ、膨大な量の放射性核分裂生成物を生成する。例えば、 1952 年のアイビー マイク熱核実験の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あった。劣化ウランには臨界質量がないため、熱核爆弾にほぼ無制限に添加することができる。1961年のソ連のツァーリ ボンバ実験では、爆発力は「わずか」50 メガトンしか発生せず、その 90% 以上は核融合によるものであった。これは、²³⁸ U 最終段階が鉛に置き換えられていたためである。代わりにウラン²³⁸が使用されていたら、ツァーリ・ボンバの威力は 100 メガトンをはるかに超え、その時点でまでに生成された世界全体の総量の 3 分の 1 に相当する核降下物が発生していた可能性があります。

²³⁸ Uの崩壊系列は、一般に「ラジウム系列」（「ウラン系列」と呼ばれることもあります）と呼ばれます。天然に存在するウラン 238 から始まり、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、トリウムの各元素が含まれます。すべての崩壊生成物は、金属、化合物、鉱物を問わず、ウランを含むサンプルに少なくとも一時的に存在します。崩壊は次のように進行します。

${\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{238}_{92}U->[\alpha ][4.468\times 10^{9}\ {\ce {y}}]{^{234}_{90}Th}->[\beta ^{-}][24.1\ {\ce {d}}]{^{234\!m}_{91}Pa}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[0.16\%][1.17\ {\ce {min}}]{^{234}_{91}Pa}->[\beta ^{-}][6.7\ {\ce {h}}]}}\\{\ce {->[99.84\%\ \beta ^{-}][1.17\ {\ce {min}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{234}_{92}U->[\alpha ][2.445\times 10^{5}\ {\ce {y}}]{^{230}_{90}Th}->[\alpha ][7.5\times 10^{4}\ {\ce {y}}]{^{226}_{88}Ra}->[\alpha ][1600\ {\ce {y}}]{^{222}_{86}Rn}}}\\{\ce {^{222}_{86}Rn->[\alpha ][3.8235\ {\ce {d}}]{^{218}_{84}Po}->[\alpha ][3.05\ {\ce {min}}]{^{214}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][26.8\ {\ce {min}}]{^{214}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][19.9\ {\ce {min}}]{^{214}_{84}Po}->[\alpha ][164.3\ \mu {\ce {s}}]{^{210}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][22.26\ {\ce {y}}]{^{210}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][5.012\ {\ce {d}}]{^{210}_{84}Po}->[\alpha ][138.38\ {\ce {d}}]{^{206}_{82}Pb}}}\end{array}}}$

²³⁸ Uの平均寿命は1.41 × 10¹⁷秒をln(2)  ≈ 0.693で割る（または1/ln(2) ≈ 1.443を掛ける）、すなわち約2 × 10¹⁷秒なので、1モルの^238Uは3 × 10^{毎秒6個の}アルファ粒子を放出し、同数のトリウム234原子を生成する。閉鎖系では平衡に達し、鉛206と238Uを除くすべての量は^一定の割合で、徐々に減少する。それに応じて206Pbの量が増加し、238Uの量は^減少する^{。崩壊系列のすべてのステップは、この同じ3} × 10の速度で進行する。²³⁸ U モルあたり毎秒^{6 個の崩壊粒子。}

トリウム234の平均寿命は3 × 10⁶秒なので、1モルの^238Uに9 × 10^{トリウム234の原子12個}、つまり1.5 × 10⁻¹¹モル（2 つの半減期の比）。同様に、閉鎖系における平衡では、最終生成物である鉛を除く各崩壊生成物の量は、その半減期に比例します。

²³⁸ U の放射性は最小限ですが、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、それぞれ約 20 日と 1 分の半減期を持つベータ粒子放出体です。プロトアクチニウム 234 は半減期が数百万年であるウラン 234 に崩壊し、この同位体は非常に長い間平衡濃度に達しません。崩壊系列の最初の 2 つの同位体が比較的小さな平衡濃度に達すると、最初は純粋だった²³⁸ Uのサンプルは、²³⁸ U 自体による放射線の 3 倍を放出し、この放射線のほとんどはベータ粒子です。

すでに上で触れたように、純粋な²³⁸ Uから始める場合、人間の時間スケールでは、平衡は崩壊系列の最初の3つのステップにのみ適用されます。したがって、1モルの²³⁸ Uの場合、3 × 10^1秒間に6回、アルファ粒子1個、ベータ粒子2個、ガンマ線1個が生成され、合計6.7MeV、3μWの速度となる。 ^{[10] [11]}

²³⁸ U原子自体は49.55 keVで0.084%の確率でガンマ線を放出するが、これは非常に弱いガンマ線であるため、放射能はその崩壊系列の娘核種を通して測定される。^{[12] [13]}

²³⁸ Uの存在量と娘同位体への崩壊は複数のウラン年代測定技術から成り、放射性年代測定で使用される最も一般的な放射性同位体の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44億年としています。^[14]

²³⁸ Uと²³⁴ Uの関係は、10万年から120万年の間の堆積物と海水の年代を示す指標となる。 ^[15]

²³⁸ Uの娘核種である206 ^Pbは鉛-鉛年代測定に不可欠な要素であり、地球の年齢を決定するのに最もよく知られています。^[16]

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、最初は純粋な²³⁸ Uを少量、金の記録のカバーに載せて運んでいる。 ^[17]

ウランはアルファ崩壊の過程でアルファ粒子を放出します。外部被曝の影響は限定的です。ウランの微粒子やその崩壊生成物（トリウム 230、ラジウム 226、ラドン 222など）に内部被曝すると、骨がんや肝臓がんなどの深刻な健康被害を引き起こす可能性があります。

ウランは有毒な化学物質でもあり、ウランを摂取すると、その放射能が骨や肝臓の癌を引き起こすよりもはるかに早く、化学的性質によって腎臓に損傷を引き起こす可能性がある。^{[18] [19]}

• 劣化ウラン
• ウラン鉛年代測定

• NLM 有害物質データバンク – ウラン、放射性物質