鈾-235
鈾235(符号:235U),是鈾的三種天然同位素之一,當中只有鈾235能夠發生核分裂,引發連鎖核裂變反應,可用作核電及核彈。1935年由加拿大科學家鄧史達發現。根據國際原子能機構的定義,濃度為3%的鈾235為核電廠發電用低濃縮鈾,高於80%稱作高濃縮鈾,大於90%則叫作為武器級高濃縮鈾。
含有大量鈾-235的鈾金屬 | |
基本 | |
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符號 | 235U |
名稱 | 鈾-235, U-235 |
原子序 | 92 |
中子數 | 143 |
CAS号 | 15117-96-1 |
核素数据 | |
豐度 | 0.72% |
半衰期 | 703,800,000年 |
母同位素 | 235Pa 235Np 239Pu |
衰變產物 | 231Th |
原子量 | 235.0439299 u |
自旋 | 7/2- |
过剩能量 | 40914.062 ± 1.970 keV |
结合能 | 1783870.285 ± 1.996 keV |
衰變模式 | |
衰变类型 | 衰变能量 (MeV) |
α衰变 | 4.679 |
鈾的同位素 完整核素表 |
概述
鈾是自然界的稀有化學元素,具有放射性。鈾主要含三種同位素,即鈾-238、鈾235和鈾-234,但只有鈾235是可裂變核元素。當最少一個中子撞擊鈾235時,連鎖核裂變將會產生。鈾235需要到達臨界質量,連鎖核裂變才會持續下去。
早在1934年,意大利物理學家費米(Fermi)以中子撞擊鈾元素,首次發現核分裂反應。幾經研究,科學家最初發現天然鈾含有鈾238及鈾235兩種同位素,只有後者受中子撞擊後,會發生分裂反應。
在過程中,一個中子撞擊鈾235原子核後,內部因吸收中子的能量,開始作劇烈的啞鈴狀震盪,結構終因震盪過劇而瓦解,產生出兩個質量較小的原子核及放出2到3個新的中子,這些中子又會撞擊附近的鈾235原子核,繼續發生分裂反應,此即所謂「連鎖反應」。
在這反應後,其產生的原子核及中子,總質量較未有反應前為低,損失質量會轉化成能量;按照相對論,質量變成能量時,其轉換關係為「能量=質量×光速的平方」(E=mc2),極小的質量即可變成極大的能量。1945年美軍投下的廣島原子彈,總重量為440公斤,鈾235含量為45公斤,當中只有1公斤鈾235發生核分裂,反應中又只有1克的質量轉化成能量,但已经可以把方圓1公里的地区夷為廢墟。
自然衰变链
技術發展
獲得鈾本身已涉及複雜程序,需要探礦、開礦、選礦、浸礦、煉礦、精煉等程序,但天然鈾所含鈾235的濃度只有0.7%,科學家會利用擴散法、氣體離心法和激光法等,令天然鈾的三種同位素分離,提高鈾235的濃度。目前國際間常觀察一國是否擁有氣體離心法設備,推算一國的核武器研究水準。1公斤武器級鈾235,就需要從200噸鈾礦石中提鍊。
1945年7月16日凌晨,美國新墨西哥州的阿拉莫可德沙漠上,人類第一枚原子彈試爆,當時鈾235是透過勞倫斯法分離。勞倫斯方法亦即電磁法,利用鈾235和鈾238品質上的差異令兩者分離,再抽出鈾235,美國當時在田納西州建立了巨型電磁鐵,直徑長達4.57米,生產出以千克計的鈾235。
另一方法由科學家哈羅德·尤里提出,名為氣體擴散法。氣體擴散法把鈾製成六氟化鈾氣體,使它通過4000次多孔障壁,能提鍊出濃度99%的鈾235,在很长一段时间内曾是全球最廣泛使用的鈾濃縮技術。美國為此建造了巨大的工廠,加熱後的六氟化鈾氣體要通過成千的多孔障壁,每一障壁有成百萬的小於百萬分之一釐米的孔,期間要用數月時間,使一定量的氣體從頭至尾通過工廠。
目前最多採用的則是氣體離心法,比擴散法要省能源。
鈾濃縮技術是國際間極為敏感技術。除了美、俄、中、法、英五个联合国安理会常任理事国外,德國、日本、印度、巴基斯坦、以色列、巴西、阿根廷等國家已確認掌握濃縮鈾技術。國際原子能機構2006年初指在伊朗境內發現濃縮鈾痕跡,2006年10月宣布完成核試的北韓亦被指擁有該技術。