鈾-235

鈾235(符号:235U),是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。

鈾-235,235U
含有大量鈾-235的鈾金屬
基本
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、中、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

參看

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