우라늄 동위 원소

Isotopes of uranium
우라늄 동위 원소 (92U)
주동위원소[1] 썩음
흥겨운 ­춤 반감기 (t1/2) 모드 ­ 제품
232우 신스 68.9 y α 228그
SF –
233우 추적하다 1.592x105 y[2] α 229그
SF –
234우 0.005% 2.455x105 y α 230그
SF –
235우 0.720% 7.04x108 y α 231그
SF –
236우 추적하다 2.342x107 y α 232그
SF –
238우 99.3% 4.468x10y9 α 234그
SF –
β−β− 238푸
표준 원자량 Ar°(U)
  • 238.02891±0.00003
  • 238.03±0.01 (abridged)[3][4]

우라늄(92U)은 안정 동위 원소가 없는 자연적으로 발생하는 방사성 원소입니다. 우라늄-238과 우라늄-235라는 두 개의 원시 동위원소를 가지고 있는데, 이 동위원소들은 반감기가 길고 지각에서 상당한 양이 발견됩니다. 붕괴 생성물인 우라늄-234도 발견됩니다. 우라늄-233과 같은 다른 동위원소들은 브리더 원자로에서 생산되었습니다. 자연이나 원자로에서 발견되는 동위원소 외에도, 반감기가 훨씬 짧은 많은 동위원소들이 만들어졌습니다. (U를 제외하고) 천연 우라늄의 표준 원자량은 238.02891(3)입니다.

자연적으로 존재하는 우라늄은 우라늄-238 (99.2739–99.2752%의 자연 존재비), 우라늄-235 (0.7198–0.7202%), 우라늄-234 (0.0050–0.0059%)[5]의 세 가지 주요 동위원소로 구성됩니다. 세 가지 동위원소는 모두 방사성(즉, 방사성 동위원소)이며, 가장 풍부하고 안정적인 것은 우라늄-238로 반감기는 4.4683×10년9(지구 나이에 근접)입니다.

우라늄-238은 알파 방출체로, 18개의 구성원으로 이루어진 우라늄 계열을 통해 납-206으로 붕괴됩니다. 우라늄-235의 붕괴 계열(역사적으로 악티노-우라늄이라고 불림)은 15개의 구성원을 가지고 있으며 납-207로 끝납니다. 이 시리즈의 일정한 붕괴 속도는 방사성 연대 측정에서 부모 대 딸 요소의 비율을 비교하는 데 유용합니다. 우라늄-233은 중성자 폭격에 의해 토륨-232로 만들어졌습니다.

우라늄-235는 원자로(에너지 생산)와 핵무기 모두에 중요합니다. 왜냐하면 우라늄-235는 열 중성자에 반응하여 핵분열을 일으킬 수 있는 상당한 정도로 자연에 존재하는 유일한 동위원소이기 때문입니다. 즉, 열 중성자 포획은 핵분열을 유도할 가능성이 높기 때문입니다. 연쇄 반응은 충분히 큰 (임계) 우라늄-235 질량으로 지속될 수 있습니다. 우라늄-238은 또한 비옥하기 때문에 중요합니다. 중성자를 흡수하여 방사성 동위원소를 생성하고, 이후에는 핵분열성인 동위원소 플루토늄-239로 붕괴됩니다.

동위 원소 목록

핵종
[n 1] 		히스토리
이름. 		Z N 동위원소 질량 (다)[6]
[n 2][n 3] 		반감기[1]
 썩음
모드[1]
[n 4] 		딸.
동위 원소
[n 5][n 6] 		스핀 앤
동등한[1]
[n 7][n 8] 		자연풍부 (mole 분율)
들뜸에너지[n 8] 정상[1] 비율 변동범위
214우[7] 92 122 0.52+0.95
−0.21 ms 		α 210그 0+
215우 92 123 215.026720(11) 1.4(0.9) ms α 211그 5/2−#
β+? 215파
216우[8] 92 124 216.024760(30) 2.25+0.63
−0.40 ms 		α 212그 0+
216m우 2206keV 0.89+0.24
−0.16 ms 		α 212그 8+
217우[9] 92 125 217.024660(86)# 19.3+13.3
−5.6 ms 		α 213그 (1/2−)
β+? 217파
218우[8] 92 126 218.023505(15) 650+80-70μs
 		α 214그 0+
218m우 2117 keV 390+60-50μs
 		α 214그 8+
IT? 218우
219우 92 127 219.025009(14) 60(7)μs α 215그 (9/2+)
β+? 219파
221우 92 129 221.026323(77) 0.66(14)μs α 217그 (9/2+)
β+? 221파
222우 92 130 222.026058(56) 4.7(0.7) μs α 218그 0+
β+? 222파
223우 92 131 223.027961(63) 65(12)μs α 219그 7/2+#
β+? 223파
224우 92 132 224.027636(16) 396(17) μs α 220그 0+
β+? 224파
225우 92 133 225.029385(11) 62(4)ms α 221그 5/2+#
226우 92 134 226.029339(12) 269(6)ms α 222그 0+
227우 92 135 227.0311811(91) 1.1(0.1)분 α 223그 (3/2+)
β+? 227파
228우 92 136 228.031369(14) 9.1(0.2)분 α(97.5%) 224그 0+
EC (2.5%) 228파
229우 92 137 229.0335060(64) 57.8(0.5)분 β+(80%) 229파 (3/2+)
α(20%) 225그
230우 92 138 230.0339401(48) 20.23(0.02) d α 226그 0+
SF? (various)
CD(4.8×10−12%) 208피비
22네
231우 92 139 231.0362922(29) 4.2 (0.1) d EC 231파 5/2+#
α(.004%) 227그
232우 92 140 232.0371548(19) 68.9(0.4) y α 228그 0+
CD (8.9x10−10%) 208피비
24네
SF(10−12%) (various)
CD? 204흐그
28Mg
233우 92 141 233.0396343(24) 1.592(2)x105 y α 229그 5/2+ 트레이스[n 9]
CD(≤7.2×10−11%) 209피비
24네
SF? (various)
CD? 205흐그
28Mg
234우[n 10][n 11] 우라늄 II 92 142 234.0409503(12) 2.455(6)x105 y α 230그 0+ [0.000054(5)][n 12] 0.000050–
0.000059
SF(1.64×10−9%) (various)
CD(1.4×10−11%) 206흐그
28Mg
CD(≤9×10−12%) 208피비
26네
CD(≤9×10−12%) 210피비
24네
234m우 1421.257(17) keV= 33.5(2.0) ms IT 234우 6−
235우[n 13][n 14][n 15] 액틴 우라늄
악티노우라늄 		92 143 235 0439281(12) 7.038(1)x10y8 α 231그 7/2− [0.007204(6)] 0.007198–
0.007207
SF(7x10−9%) (various)
CD (8x10−10%) 215피비
20네
CD (8x10−10%) 210피비
25네
CD (8x10−10%) 207흐그
28Mg
235m1우 0.076737(18) keV 25.7 (1) m IT 235우 1/2+
235m2우 2500(300) keV 3.6(18)ms SF (various)
236우 토우라늄[10] 92 144 236.0455661(12) 2.342(3)x10y7 α 232그 0+ 트레이스[n 16]
SF(9.6×10−8%) (various)
CD(≤2.0x10−11%)[11] 208흐그
28Mg
CD(≤2.0x10−11%)[11] 206흐그
30Mg
236m1우 1052.5(6) keV 100(4)ns IT 236우 4−
236m2우 2750(3) keV 120(2)ns IT(87%) 236우 (0+)
SF(13%) (various)
237우 92 145 237.0487283(13) 6.752 (2) d β− 237Np 1/2+ 트레이스[n 17]
237m우 274.0(10) keV 155(6)ns IT 237우 7/2−
238우[n 11][n 13][n 14] 우라늄 I 92 146 238.0507869(16) 4.468(3)x109 y α 234그 0+ [0.992742(10)] 0.992739–
0.992752
SF(5.44×10−5%) (various)
β−−(2.2×10−10%) 238푸
238m우 2557.9(5) keV 280(6)ns IT(97.4%) 238우 0+
SF(2.6%) (various)
239우 92 147 239.0542920(16) 23.45(0.02) min β− 239Np 5/2+
239m1우 133.7991(10) keV 780(40)ns IT 239우 1/2+
239m2우 2500(900)# keV >250ns. SF? (various) 0+
IT? 239우
240우 92 148 240.0565924(27) 14.1(0.1) h β− 240Np 0+ 트레이스[n 18]
α? 236그
241우[12] 92 149 241.06031(5) ~40분[13][14] β− 241Np 7/2+#
242우 92 150 242.06296(10)[13] 16.8(0.5)분 β− 242Np 0+
이 표 머리글 & 바닥글:
  1. ^ mU – 흥분된 핵 이성질체.
  2. ^ ( ) – 불확정성(1 σ)은 괄호 안에 해당하는 끝자리 뒤에 간결한 형태로 표시됩니다.
  3. ^ # – #로 표시된 원자 질량: 순수한 실험 데이터가 아니라 적어도 부분적으로 질량 표면(TMS)의 경향에서 파생된 값과 불확실성.
  4. ^ 붕괴 모드:
    CD: 군집붕괴
    EC: 전자포획
    SF: 자발 핵분열
  5. ^ 딸이라는 굵은 이탤릭체 기호 – 딸 제품은 거의 안정적입니다.
  6. ^ 딸로서의 굵은 기호 – 딸 제품은 안정적입니다.
  7. ^ ( ) spin value – 할당 인수가 약한 스핀을 나타냅니다.
  8. ^ a b # – #로 표시된 값은 순수하게 실험 데이터에서 도출된 것이 아니라 적어도 부분적으로 주변 핵종(TNN)의 경향에서 도출된 것입니다.
  9. ^ Np의 중간 붕괴 생성물
  10. ^ 우라늄-토륨 연대 측정에 사용
  11. ^ a b 우라늄-우라늄 연대 측정에 사용
  12. ^ U의 중간 붕괴 생성물
  13. ^ a b 원시 시대 방사성 핵종
  14. ^ a b 우라늄에 사용 – 납 연대 측정
  15. ^ 원자로에서 중요한 것
  16. ^ U의 중성자 포획에 의해 생성된 Pu의 중간 붕괴 생성물
  17. ^ 중성자 포획 생성물, 미량 Np의 모체
  18. ^ Pu의 중간 붕괴 생성물

Actinides vs 핵분열 생성물

반감기별 악티니드와 핵분열 생성물
붕괴 사슬별 악티니데스[15] 반감기
음역 (a) 		수율에[16] 따른 U의 핵분열 생성물
4n 4n + 1 4n + 2 4n + 3 4.5–7% 0.04–1.25% <0.001%
228라№ 4-6 a 155에우þ
244씨엠ƒ 241푸ƒ 250cf 227아크№ 10-29 a 90스르 85크르 113mCdþ
232우ƒ 238푸ƒ 243씨엠ƒ 29-97 a 137Cs 151스엠þ 121mSn
248Bk[17] 249cfƒ 242m암ƒ 141–351 a

어떤 핵분열 생성물도 100a~210ka 범위에서 반감기를 가지고 있지 않습니다.

241암ƒ 251cfƒ[18] 430-900 a
226라№ 247Bk 1.3~1.6ka
240푸 229그 246씨엠ƒ 243암ƒ 4.7~7.4ka
245씨엠ƒ 250씨엠 8.3~8.5ka
239푸ƒ 24.1ka
230그№ 231파№ 32–76 ka
236Npƒ 233우ƒ 234우№ 150~250ka 99Tc₡ 126Sn
248씨엠 242푸 327-375ka 79세₡
1.53 마 93Zr
237Npƒ 2.1-6.5 Ma 135Cs₡ 107PD
236우 247씨엠ƒ 15-24 마 129나₡
244푸 80 마

... 15.7Ma를[19] 넘지 않음

232그№ 238우№ 235우ƒ№ 0.7–14.1 Ga

우라늄-214

우라늄-214는 알려진 우라늄 동위원소 중 가장 가벼운 동위원소입니다. 2021년 중국 란저우 중이온연구시설의 중원자핵구조분석기(SHANS)에서 발견된 것으로, 텅스텐-182에서 아르곤-36을 발사해 생성된 것입니다. 0.5ms의 반감기로 알파 붕괴를 겪습니다.[20][21][22][23]

우라늄-232

주 기사: 우라늄-232

우라늄-232는 반감기가 68.9년이며 토륨 사이클의 부산물입니다. Tl(U의 딸, 비교적 빨리 생성)이 방출하는 강렬한 감마선이 U에 오염된 U를 더 다루기 어렵게 만들기 때문에 U를 핵분열 물질로 사용하는 핵확산의 장애물로 꼽혀 왔습니다. 우라늄-232는 열 중성자와 빠른 중성자를 모두 가지고 핵분열을 하는 짝수 동위원소의 드문 예입니다.[24][25]

우라늄-233

주 기사: 우라늄-233

우라늄-233은 우라늄의 핵분열성 동위원소로, 토륨 연료 순환의 일부로 토륨-232에서 분리됩니다. 우라늄-233은 핵무기와 원자로 연료로 사용하기 위해 조사되었습니다. 그것은 때때로 실험되었지만 핵무기에 배치된 적이 없었고 상업적으로 핵 연료로 사용되지도 않았습니다.[26] 실험용 원자로에서 성공적으로 사용되었으며 핵 연료로 훨씬 더 광범위하게 사용될 수 있도록 제안되었습니다. 이것의 반감기는 약 16만 년입니다.

우라늄-233은 토륨-232의 중성자 조사에 의해 생성됩니다. 토륨-232가 중성자를 흡수하면 토륨-233이 되는데, 반감기는 22분에 불과합니다. 토륨-233은 베타 붕괴를 통해 프로탁티늄-233으로 붕괴합니다. 프로트악티늄-233의 반감기는 27일이고 우라늄-233으로 베타 붕괴가 일어날 수 있기 전에 추가적인 중성자 포획으로부터 프로트악티늄을 물리적으로 분리하려고 시도합니다.

우라늄 233은 일반적으로 중성자 흡수를 위한 역할을 하지만 가끔 중성자를 유지하여 우라늄 234가 됩니다. 포획 대 핵분열 비율은 우라늄-235와 플루토늄-239의 다른 두 주요 핵분열 연료보다 작으며, 또한 수명이 짧은 플루토늄-241보다는 낮지만, 넵투늄-236을 생산하기가 매우 어려운 것이 특징입니다.

우라늄-234

주 기사: 우라늄-234

우라늄-234는 우라늄의 동위원소입니다. 천연 우라늄과 우라늄 광석에서 U는 우라늄-238의 간접적인 붕괴 생성물로 발생하지만, 반감기가 245,500년에 불과하기 때문에 원시 우라늄의 0.0055%(백만분의 55)만을 구성합니다. 핵붕괴를 통한 U의 생성 경로는 다음과 같습니다. 238U 핵은 토륨-234가 되기 위해 알파 입자를 방출합니다. 다음으로 반감기가 짧은 Th 핵은 베타 입자를 방출하여 프로탁티늄-234가 됩니다. 마지막으로, Pa 핵은 각각 다른 베타 입자를 방출하여 U 핵이 됩니다.[27][28]

234U 핵은 보통 수십만 년 동안 지속되지만, 자발적인 핵분열을 겪는 핵의 적은 비율을 제외하고는 토륨-230까지 알파 방출에 의해 붕괴됩니다.

천연 우라늄에서 다소 적은 양의 U를 추출하는 것은 일반적인 우라늄 농축에 사용되는 것과 유사한 동위원소 분리를 사용하여 가능할 것입니다. 그러나 화학, 물리학, 공학에서는 U를 분리하는 데 실질적인 수요는 없습니다. 알파 방출을 통해 U로 붕괴될 수 있도록 다소 숙성된 플루토늄-238의 샘플에서 U의 매우 작은 순수 샘플을 화학 이온 교환 과정을 통해 추출할 수 있습니다.

농축 우라늄은 우라늄-235를 얻기 위한 농축 과정의 부산물로 천연 우라늄보다 더 많은 U를 함유하고 있으며, 이는 U보다 더 가벼운 동위 원소를 더 강하게 농축합니다. 농축 천연 우라늄에 포함된 U의 비율이 증가하는 것은 현재의 원자로에서는 허용 가능하지만, (재농축된) 재처리 우라늄은 더 높은 비율의 U를 포함할 수 있으므로 바람직하지 않습니다.[29] 이것은 U가 핵분열성이 아니고 원자로에서 느린 중성자를 흡수하는 경향이 있기 때문입니다.[28][29]

234U는 열 중성자의 경우 중성자 포획 단면이 약 100개이고, 공명 적분의 경우 약 700개로 다양한 중간 에너지를 갖는 중성자에 대한 평균입니다. 원자로에서 비분열성 동위원소는 중성자 번식 핵분열성 동위원소를 포착합니다. 234U는 우라늄-238보다 더 쉽게 U로 변환되며, 따라서 U는 플루토늄-239(넵투늄-239를 통해)로 변환됩니다. 왜냐하면 U는 중성자-포획 단면이 2.7 반밖에 되지 않기 때문입니다.

우라늄-235

주 기사: 우라늄-235

우라늄-235는 천연 우라늄의 약 0.72%를 구성하는 우라늄의 동위 원소입니다. 우세한 동위원소 우라늄-238과 달리, 그것은 핵분열성입니다. 즉, 핵분열 연쇄 반응을 유지할 수 있습니다. 그것은 유일한 핵분열성 동위원소로 원시 핵종이거나 자연에서 상당한 양이 발견됩니다.

우라늄-235의 반감기는 7억 380만 년입니다. 그것은 1935년 아서 제프리 뎀스터에 의해 발견되었습니다. 느린 열 중성자에 대한 핵분열 단면은 약 504.81 반입니다. 빠른 중성자의 경우 1 헛간 정도입니다. 열 에너지 수준에서 중성자 흡수량 6개 중 5개는 핵분열을 일으키고 6개 중 1개는 우라늄-236을 형성합니다.[30] 핵분열 대 포획 비율은 더 빠른 중성자에 대해 향상됩니다.

우라늄-236

주 기사: 우라늄-236

우라늄-236은 반감기가 약 2,300만 년인 우라늄의 동위 원소로, 열 중성자와 핵분열성도 없고, 매우 비옥한 물질도 아니지만, 일반적으로 성가시고 오래 사는 방사성 폐기물로 여겨집니다. 사용 후 핵연료와 사용 후 핵연료로 만든 재처리 우라늄에서 발견됩니다.

우라늄-237

우라늄-237은 우라늄의 동위원소입니다. 반감기는 약 6.75일입니다. 베타 붕괴에 의해 넵투늄-237로 붕괴됩니다. 그것은 1940년 일본의 물리학자 니시나 요시오에 의해 발견되었는데, 그는 거의 실수로 93번 원소의 생성을 추론했지만 당시 알려지지 않은 원소를 분리하거나 붕괴 특성을 측정할 수 없었습니다.[31]

우라늄-238

주 기사: 우라늄-238

우라늄-238 238(U 또는 U-238)은 자연에서 발견되는 우라늄의 가장 흔한 동위 원소입니다. 이것은 핵분열성이 아니라 비옥한 물질입니다. 느린 중성자를 포획할 수 있고 두 번의 베타 붕괴 후 핵분열성 플루토늄-239가 됩니다. 우라늄-238은 빠른 중성자에 의해 핵분열이 가능하지만 비탄성 산란은 하나 이상의 차세대 핵의 빠른 핵분열이 가능한 범위 이하로 중성자 에너지를 감소시키기 때문에 연쇄 반응을 지원할 수 없습니다. U의 중성자 흡수 공명의 도플러 넓힘, 연료 온도가 증가함에 따라 흡수량이 증가하는 것 또한 원자로 제어를 위한 필수적인 음의 피드백 메커니즘입니다.

우라늄-238은 천연 우라늄의 99.284%로 반감기가 1.41×10초17(44억 6800만 년)에9 달합니다. 고갈된 우라늄은 U 동위 원소의 농도가 훨씬 더 높고, 심지어 저농축 우라늄(LEU)의 경우에도 여전히 대부분 U 동위 원소입니다. 재처리된 우라늄은 주로 U 동위 원소이며, 천연 우라늄과 거의 비슷한 양의 우라늄-235를 가지고 있습니다. 우라늄-236의 비슷한 비율과 우라늄-234, 우라늄-233, 우라늄-232와 같은 다른 동위원소의 훨씬 적은 양.

우라늄-239

우라늄-239는 우라늄의 동위원소입니다. 일반적으로 원자로에서 U를 중성자 방사선에 노출시킴으로써 생성됩니다. 239U의 반감기는 약 23.45분이며 베타 붕괴를 통해 넵투늄-239로 붕괴하며 총 붕괴 에너지는 약 1.29 MeV입니다.[32] 74.660 keV에서 가장 일반적인 감마 붕괴는 베타 방출 에너지의 두 주요 채널인 1.28 MeV와 1.21 MeV의 차이를 설명합니다.[33]

239Np는 또한 베타 붕괴(239Np의 반감기는 약 2.356일)를 통해 플루토늄-239로 더 붕괴되는데, 이는 궁극적으로 원자로에서 U로부터 핵분열성 Pu(무기 및 핵 발전용)를 생성하는 두 번째 중요한 단계입니다.

우라늄-241

우라늄-241은 우라늄의 동위원소입니다. 2023년 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 게재된 논문에서 국내 연구진은 198U+Pt 다핵 전달 반응을 수반하는 실험에서 우라늄-241을 발견했다고 보고했습니다.[34][35] 반감기는 약 40분입니다.[34]

참고문헌

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  15. ^ 라듐(원소 88)을 더했습니다. 실제로는 아악티니드이지만, 악티늄(89)보다 바로 앞에 있고, 폴로늄(84) 다음에는 최소 4년의 반감기를 가진 핵종이 없는 3원소 불안정 격차(이 격차에서 가장 오래 사는 핵종은 반감기가 4일 미만인 라돈-222)를 따릅니다. 따라서 라듐은 1,600년 동안 가장 오래 산 동위원소이므로 여기에 이 원소를 포함시킬 가치가 있습니다.
  16. ^ 특히 일반적인 원자로에서 우라늄-235의 열 중성자 핵분열로 인한 것입니다.
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    "동위원소 분석을 통해 약 10개월에 걸쳐 분석된 3개의 샘플에서 일정하게 존재하는 질량 248종이 밝혀졌습니다. 이것은 반감기가 9[년]보다 큰 Bk의248 이성질체 때문입니다. Cf의248 성장은 감지되지 않았으며 β− 반감기의 하한은 약 104 [년]으로 설정할 수 있습니다. 새로운 이성질체로 인한 알파 활동은 발견되지 않았습니다. 알파 반감기는 아마도 300[년]보다 클 것입니다."
  18. ^ 이것은 "불안정의 바다" 이전에 최소 4년의 반감기를 가진 가장 무거운 핵종입니다.
  19. ^ 반감기가 Th를 크게 초과하는 "고전적으로 안정적인" 핵종을 제외하면 Cd의 반감기는 14년에 불과하지만 Cd의 반감기는 거의 8,000,000,000,000,000,000,000,000,000 등입니다.
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