우라늄-238

Uranium-238
우라늄-238, U
10그램 샘플
일반적
기호.238U
이름들우라늄-238, 238U, U-238
프로톤스 (Z)92
중성자 (N)146
핵종자료
자연부존량99.2745%
반감기 (t1/2)4.468*10년9
동위 원소 질량238.05078826 Da
스핀0
모 동위 원소242푸(α)
238Pa(β−)
부패 생성물234Th
붕괴모드
감쇠 모드붕괴에너지(MeV)
알파 붕괴4.267
우라늄 동위 원소
핵종 전표

우라늄-238(238U 또는 U-238)은 자연계에서 발견되는 우라늄의 가장 일반적인 동위 원소로 99%의 상대적인 풍부도를 가지고 있습니다.우라늄-235와 달리, 이것은 불연성인데, 이것은 열-중성자 원자로에서 연쇄 반응을 지속할 수 없다는 것을 의미합니다.그러나 빠른 중성자에 의해 핵분열할 수 있고, 비옥하기 때문에 핵분열성 플루토늄-239로 변환될 수 있습니다.238U는 비탄성 산란이 중성자 에너지를 하나 이상의 차세대 핵의 빠른 핵분열 가능성이 있는 범위 이하로 감소시키기 때문에 연쇄 반응을 지원할 수 없습니다.연료 온도가 증가함에 따라 흡수율이 증가하는 U의 중성자 흡수 공명의 도플러 넓힘 또한 원자로 제어를 위한 필수적인 음의 피드백 메커니즘입니다.

천연 우라늄의 99.284%는 우라늄-238로 반감기는 1.41×10초17(44.468×10년9)입니다.[1]U는 자연적으로 풍부하고 다른 방사성 원소에 비해 반감기가 크기 때문에 지구 내에서 생성되는 방사성 열의 ~40%를 생성합니다.[2]U 붕괴 사슬은 U 핵당 6개의 전자 반중성미자를 제공하며(베타 붕괴당 1개), 지구 내에서 붕괴가 일어날 때 큰 감지 가능한 지오네중성미자 신호를 생성합니다.[3]U에서 딸 동위원소로의 붕괴는 방사선 연대 측정에 광범위하게 사용되며, 특히 ~100만 년 이상 된 물질에 대해 그러합니다.

고갈된 우라늄은 U 동위 원소의 농도가 더 높고, 저농축 우라늄(LEU)이라 할지라도 (탈황된 우라늄에 비해) 우라늄-235 동위 원소의 비율은 더 높지만, 여전히 대부분 U입니다. 재처리된 우라늄은 또한 주로 U이며, 천연 우라늄에 버금가는 양의 우라늄-235를 가지고 있으며, 이는 우라늄-236과 비슷한 비율입니다.우라늄-234, 우라늄-233, 우라늄-232와 같은 훨씬 적은 양의 다른 우라늄 동위원소도 있습니다.[4]

원자력 응용

핵분열 원자로에서 우라늄-238은 플루토늄-239를 생산하는데 사용될 수 있으며, 플루토늄-239는 핵무기나 원자로 연료로 사용될 수 있습니다.전형적인 원자로에서, 생성된 전력의 최대 3분의 1은 원자로에 연료로 공급되지 않고 오히려 U에서 생산되는 Pu의 핵분열에서 발생합니다.[5] U에서 일정량의 Pu 생산은 중성자 방사선에 노출되는 곳에서는 피할 수 없습니다.연소와 중성자 온도에 따라 Pu의 다른 공유는 Pu로 변환되며, 이는 무기 등급에서부터 원자로 등급을 거쳐 Pu가 너무 높아 열 중성자 스펙트럼으로 작동하는 현재의 원자로에서는 사용할 수 없는 플루토늄으로 생산된 플루토늄의 "등급"을 결정합니다.후자는 보통 상당한 양의 플루토늄이[citation needed] 함유된 원자로에 들어간 사용된 "재활용" MOX 연료를 포함합니다.

브리더 원자로

238U는 "빠른" 핵분열을 통해 에너지를 생산할 수 있습니다.이 과정에서 운동에너지가 1 MeV를 초과하는 중성자는 U의 핵을 분열시킬 수 있습니다.설계에 따라, 이 과정은 원자로에서 발생하는 모든 핵분열 반응의 1%에서 10%까지 기여할 수 있지만, 각각의 핵분열에서 생성되는 평균 2.5개의[6] 중성자 중 연쇄 반응을 계속하기에 충분한 속도를 갖는 중성자는 너무 적습니다.

238U는 플루토늄-239를 만드는 원료로 사용될 수 있으며, 이는 다시 핵연료로 사용될 수 있습니다.브리더 원자로는 가임 동위원소 U를 핵분열성 Pu로 변환하기 위해 이러한 변환 과정을 수행합니다.이러한 발전소에서 사용할 수 있는 U 값은 1만 년에서 50억 년 사이로 추정됩니다.[7]브리더 기술은 여러 실험용 원자로에 사용되어 왔습니다.[8]

2005년 12월까지 전력을 생산하는 유일한 브리더 원자로는 러시아 벨로야르스크 원자력 발전소의 600 메가와트급 BN-600 원자로였습니다.러시아는 이후 벨로야르스크 원자력 발전소에 BN-800이라는 또 다른 장치를 건설하여 2016년 11월에 완전히 가동을 시작했습니다.또 1986년 건설된 이후 대부분 가동되지 않고 있는 일본 몬주 브리더 원자로는 안전성과 설계상 위험이 드러나 2016년 폐로 명령을 받아 준공일을 2047년으로 정했습니다.중국과 인도는 모두 핵증식 원자로 건설 계획을 발표했습니다.[citation needed]

브리더 원자로는 이름에서 알 수 있듯이 핵분열 원자로보다 훨씬 더 많은 양의 Pu나 U를 생성합니다.[citation needed]

증기를 감속재로 사용하여 지연 중성자를 제어하는 원자로 개념인 CAESAR(Clean And Environmentally Safe Advanced Reactor)는 원자로가 저농축 우라늄(LEU) 연료로 시작되면 U를 연료로 사용할 수 있습니다.이 디자인은 아직 개발 초기 단계입니다.[citation needed]

CANDU 원자로

0.7% U의
천연 우라늄은 CANDU 원자로와 같은 천연 우라늄을 사용하도록 특별히 설계된 원자로에서 핵 연료로 사용할 수 있습니다.농축되지 않은 우라늄을 사용함으로써, 그러한 원자로 설계는 종종 무기 생산의[citation needed] 전초전으로 여겨지는 연료 농축 능력의 개발을 필요로 하지 않고도 국가가 전기 생산을 목적으로 원자력에 접근할 수 있게 합니다.

방사선 차폐

238U는 방사선 차폐물로도 사용되는데, 알파 복사는 차폐물의 비방사능 케이싱에 의해 쉽게 정지되며, 우라늄의 높은 원자량과 높은 전자 수는 감마선과 X선을 흡수하는 데 매우 효과적입니다.그것은 빠른 중성자를 막는 데 일반 물만큼 효과적이지 않습니다.금속성 고갈 우라늄과 고갈된 이산화 우라늄은 모두 방사선 차폐에 사용됩니다.우라늄은 납보다 감마선 실드가 5배 정도 우수해 같은 효과의 실드를 얇은 층으로 포장할 수 있습니다.[citation needed]

자갈 대신 이산화우라늄 골재로 만든 콘크리트인 듀크레테(DUCRETE)는 방사성 폐기물을 저장하는 건식 캐스크 저장 시스템의 재료로 연구되고 있습니다.[citation needed]

다운블렌딩

농축의 반대는 다운블렌딩입니다.잉여 고농축 우라늄은 고갈된 우라늄 또는 천연 우라늄과 혼합하여 상업용 핵연료에 사용하기에 적합한 저농축 우라늄으로 전환할 수 있습니다.

고갈된 우라늄과 천연 우라늄에서 238나온 U는 혼합 산화물 연료(MOX)를 만들기 위해 핵무기 비축물에서 재활용된 Pu와 함께 사용되며, 현재 원자로의 연료로 사용되고 있습니다.다운블렌딩(downblending)이라고도 불리는 이 희석은 완성된 연료를 얻은 국가나 그룹이 무기를 조립하기 전에 우라늄과 플루토늄의 매우 비싸고 복잡한 화학적 분리를 반복해야 한다는 것을 의미합니다.[citation needed]

핵무기

대부분의 현대 핵무기는 U를 "변형" 물질로 사용합니다.핵분열성 코어를 둘러싸고 있는 변조기는 중성자를 반사하고 Pu 전하의 압축에 관성을 더합니다.따라서 무기의 효율성을 높이고 필요한 임계 질량을 줄입니다.열핵무기의 경우, U는 핵융합 연료를 둘러싸기 위해 사용될 수 있으며, 핵융합 반응으로 인한 매우 강력한 중성자의 높은 플럭스는 U개의 핵을 분열시키고 무기의 "수율"에 더 많은 에너지를 더합니다.이러한 무기는 각각의 반응이 일어나는 순서를 따서 핵분열-융합-핵분열 무기라고 불립니다.그런 무기의 예로 캐슬 브라보가 있습니다.

이 설계에서 전체 폭발 수율의 대부분은 U에 의해 연료화된 최종 핵분열 단계에서 발생하며, 막대한 양의 방사성 핵분열 생성물을 생성합니다.예를 들어, 1952년 아이비 마이크 열핵 실험의 1,040 메가톤 생산량의 77%는 고갈된 우라늄 변조기의 빠른 핵분열에서 나온 것으로 추정됩니다.고갈된 우라늄은 임계 질량이 없기 때문에 거의 무제한으로 핵폭탄에 첨가할 수 있습니다.1961년 소련의 차르 봄바 시험은 50 메가톤의 폭발력을 만들어냈는데, 이 중 90% 이상이 U 마지막 단계가 납으로 대체되었기 때문에 핵융합에서 비롯되었습니다.만약 U가 대신 사용되었다면, 차르 봄바의 생산량은 100 메가톤을 훨씬 넘을 수 있었을 것이고, 그것은 그 당시까지 생산된 전세계 총 생산량의 3분의 1에 해당하는 핵 낙진을 생산했을 것입니다.

라듐 계열(또는 우라늄 계열)

U의 붕괴 사슬은 흔히 "라듐 계열"(때로는 "우라늄 계열")이라고 불립니다.이 시리즈는 자연 발생 우라늄-238을 시작으로 아스타틴, 비스무트, 납, 폴로늄, 프로탁티늄, 라듐, 라돈, 탈륨, 토륨 등의 원소를 포함하고 있습니다.붕괴 생성물은 금속, 화합물 또는 광물을 막론하고 최소한 일시적으로 우라늄을 함유한 시료에 모두 존재합니다.붕괴는 다음과 같이 진행됩니다.

모핵종 이력명 (짧은)[9] 이력명 (긴) 원자 질량 감쇠 모드 분기찬스 반감기 에너지 방출, MeV 딸핵종 소계, MeV
238U UI 우라늄 I 238.051 α 100 % 4.468·109 a 4.26975 234Th 4.2698
234Th UX1 우라늄1 X 234.044 β− 100 % 24.10 d 0.273088 234m파 4.5428
234m파 UX2, Bv 우라늄 X2, 브레비움 234.043 IT 0.16 % 1.159민 0.07392 234파 4.6168
β− 99.84 % 1.159민 2.268205 234U 6.8110
234파 UZ 우라늄 Z 234.043 β− 100 % 6.70시간 2.194285 234U 6.8110
234U UII 우라늄 II 234.041 α 100 % 2.455·105 a 4.8598 230Th 11.6708
230Th 이오 아이오늄 230.033 α 100 % 7.538·104 a 4.76975 226라 16.4406
226라 라 라듐 226.025 α 100 % 1600년전에 4.87062 222Rn 21.3112
222Rn Rn 라돈, 라듐 방출 222.018 α 100 % 3.8235d 5.59031 218포 26.9015
218포 라아 라듐 A 218.009 β− 0.020 % 3.098분 0.259913 218앳 27.1614
α 99.980 % 3.098분 6.11468 214Pb 33.0162
218앳 218.009 β− 0.1 % 1.5초 2.881314 218Rn 30.0428
α 99.9 % 1.5초 6.874 214바이 34.0354
218Rn 218.006 α 100 % 35ms 7.26254 214포 37.3053
214Pb RaB 라듐 B 214.000 β− 100 % 26.8분 1.019237 214바이 34.0354
214바이 RaC 라듐 C 213.999 β− 99.979 % 19.9분 3.269857 214포 37.3053
α 0.021 % 19.9분 5.62119 210Tl 39.6566
214포 RaCI 라듐I C 213.995 α 100 % 164.3μs 7.83346 210Pb 45.1388
210Tl RaCII 라듐II C 209.990 β− 100 % 1분30초 5.48213 210Pb 45.1388
210Pb RaD 라듐 D 209.984 β− 100 % 오전 22시 20분 0.063487 210바이 45.2022
α 1.9·10−6% 오전 22시 20분 3.7923 206Hg 48.9311
210바이 RaE 라듐 E 209.984 β− 100 % 5.012 d 1.161234 210포 46.3635
α 1.32·10−4% 5.012 d 5.03647 206Tl 50.2387
210포 RaF 라듐 F 209.983 α 100 % 138.376 d 5.40745 206Pb 51.7709
206Hg 205.978 β− 100 % 8.32분 1.307649 206Tl 50.2387
206Tl RaEII 라듐II E 205.976 β− 100 % 4.202분 1.532221 206Pb 51.7709
206Pb 라그 라듐 G 205.974 안정적인. – – – – 51.7709
  1. ^ "The Risk Assessment Information System: Radionuclide Decay Chain". The University of Tennessee.
  2. ^ a b c d e "Evaluated Nuclear Structure Data File". National Nuclear Data Center.

U의 평균 수명은 1.41×10초를17 0.693으로 나눈 값(또는 1.443을 곱한 값), 즉 2×10초이므로17 U의 1몰은 초당 3×10개의6 알파 입자를 방출하여 같은 수의 토륨-234 원자를 생성합니다.폐쇄형 시스템에서는 납-206과 U를 제외한 모든 양이 천천히 감소하는 양으로 균형에 도달합니다.이에 따라 Pb의 양은 증가하는 반면 U의 양은 감소합니다. 붕괴 사슬의 모든 단계는 몰 U당 초당 3×10개의6 붕괴된 입자의 비율이 동일합니다.

토륨-234의 평균 수명은 3×10초이므로6 U의 한 몰에 1.5×10−11 몰의 토륨-234의 원자가 9×10이면12 평형이 성립합니다.마찬가지로, 폐쇄된 시스템의 평형에서 최종 생성물 납을 제외한 각 붕괴 생성물의 양은 반감기에 비례합니다.

U는 최소한의 방사성이지만 붕괴 생성물인 토륨-234와 프로탁티늄-234는 각각 반감기가 약 20일과 1분인 베타 입자 방출체입니다.프로탁티늄-234는 반감기가 수천 년에 이르는 우라늄-234로 붕괴되고, 이 동위 원소는 오랫동안 평형 농도에 도달하지 못합니다.붕괴 사슬에 있는 두 개의 첫 번째 동위 원소가 비교적 작은 평형 농도에 도달할 때, 초기에 순수한 U의 표본은 U 자체에 의해 세 배의 방사선을 방출하게 되며, 이 방사선의 대부분은 베타 입자입니다.

위에서 이미 언급한 바와 같이, 순수 U로 시작할 때, 인간 시간 척도 내에서 평형은 붕괴 사슬의 첫 세 단계에만 적용됩니다.따라서 U의 1몰에 대해 초당 3×10번 알파와 베타 입자 2개, 감마선이 생성되며, 이와 함께 6.7 MeV, 3 µW의 속도가 생성됩니다.

238U 원자는 그 자체로 49.55 keV의 감마 방출자이며 확률은 0.084%이지만 매우 약한 감마선이므로 붕괴 계열의 딸 핵종을 통해 활성을 측정합니다.[12][13]

방사성 연대측정법

238U의 풍부함과 딸 동위 원소로의 붕괴는 여러 우라늄 연대 측정 기술로 구성되며, 방사선 측정에 사용되는 가장 일반적인 방사성 동위 원소 중 하나입니다.가장 일반적인 연대 측정 방법은 우라늄 납 연대 측정법으로, 100만 년 이상 된 암석의 연대를 측정하는 데 사용되며 지구에서 가장 오래된 암석의 연대는 44억 년입니다.[14]

U와 U의 관계는 10만 년에서 120만 년 사이의 퇴적물과 바닷물의 나이를 나타냅니다.[15]

U daughter 제품인 Pb는 납-납 연대 측정에서 필수적인 부분이며, 지구의 나이를 측정하는 것으로 가장 유명합니다.[16]

보이저 프로그램 우주선은 같은 방식으로 데이트를 용이하게 하기 위해 황금색 레코드 표지에 소량의 순수 U를 운반합니다.[17]

건강상의 문제

우라늄은 알파 붕괴 과정을 통해 알파 입자를 방출합니다.외부 노출은 효과가 제한적입니다.토륨-230, 라듐-226 및 라돈-222와 같은 우라늄의 작은 입자 또는 붕괴 생성물에 대한 상당한 내부 노출은 뼈 또는 간의 암과 같은 심각한 건강 영향을 초래할 수 있습니다.

우라늄은 또한 독성 화학물질인데, 이것은 우라늄의 섭취가 그것의 방사성 물질이 뼈나 간의 암을 일으키는 것보다 훨씬 빨리 화학적 성질로부터 신장 손상을 일으킬 수 있다는 것을 의미합니다.[18][19]

참고 항목

참고문헌

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  2. ^ Arevalo, Ricardo; McDonough, William F.; Luong, Mario (2009). "The K-U ratio of the silicate Earth: Insights into mantle composition, structure and thermal evolution". Earth and Planetary Science Letters. 278 (3–4): 361–369. Bibcode:2009E&PSL.278..361A. doi:10.1016/j.epsl.2008.12.023.
  3. ^ Araki, T.; Enomoto, S.; Furuno, K.; Gando, Y.; Ichimura, K.; Ikeda, H.; Inoue, K.; Kishimoto, Y.; Koga, M. (2005). "Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND". Nature. 436 (7050): 499–503. Bibcode:2005Natur.436..499A. doi:10.1038/nature03980. PMID 16049478. S2CID 4367737.
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  7. ^ Wayback Machine에서 Cohen Archived 2007-04-10의 사실들.Formal.stanford.edu (2007-01-26).2010-10-24에 검색되었습니다.
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  10. ^ Enghauser, Michael (April 1, 2018). "Uranium Gamma Spectroscopy Training Revision 00". OSTI 1525592. {{cite journal}}:저널 요구사항 인용 journal=(도움말)
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외부 링크


라이터:
우라늄-237 		우라늄-238은
우라늄 동위 원소 		더 무거운 것:
우라늄-239
붕괴 생성물:
플루토늄-242 (α)
프로탁티늄-238(β−) 		붕괴 사슬
우라늄-238의		 다음 날짜까지:
토륨-234 (α)