ウランの同位体

ウラン の同位体（92 U）
主な同位体[1]減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
232ウシンセ68.9歳α228番目
SF–
233ウトレース1.592 × 10 5 年α229番目
SF–
234ウ0.005%2.455 × 10 5 年α230番目
SF–
235ウ0.720%7.04 × 10 8 年α231番目
SF–
236ウトレース2.342 × 10 7 年α232番目
SF–
238ウ99.3%4.463 × 10 9 年α234番目
SF–
β − β −238プソム
標準原子量 A r °(U)
  • 238.028 91 ± 0.000 03 [2]
  • 238.03 ± 0.01  （要約）[3]

ウラン（92 U）は、安定同位体を持たない天然の放射性元素（放射性元素）です。ウラン238とウラン235という2つの原始同位体があり、半減期が長く、地殻に相当量存在しています。崩壊生成物のウラン234も存在します。ウラン233などの他の同位体は、増殖炉で生成されています。自然界や原子炉で見つかった同位体に加えて、 214 Uから242 U（ 220 Uを除く）までの、はるかに短い半減期を持つ多くの同位体が生成されています。天然ウランの標準原子量は 238.028 91 (3) .

天然ウランは3つの主な同位体、238 U（天然存在比99.2739–99.2752% ）、235 U（0.7198–0.7202%）、234 U（0.0050–0.0059%）から構成されています。[4]これら3つの同位体はすべて放射性同位体であり、最も豊富で安定しているのはウラン238で、半減期は4.463 × 10 9 年（地球の年齢とほぼ同じ）。

ウラン238はアルファ線を放出する元素で、18元素からなるウラン系列を経て鉛206に崩壊します。ウラン235（歴史的にはアクチノウランと呼ばれていました）の崩壊系列は15元素から成り、鉛207で終わります。これらの系列の崩壊速度は一定であるため、放射年代測定において親元素と娘元素の比率を比較することは有用です。ウラン233は、中性子照射によってトリウム232から生成されます。

ウラン235は、自然界に存在する同位体の中で唯一、熱中性子に反応して核分裂を起こす性質を持つため、原子炉（エネルギー生産）と核兵器の両方にとって重要です。つまり、熱中性子捕獲によって核分裂が誘発される確率が高いのです。ウラン235の質量が十分に大きい（臨界質量）場合、連鎖反応が持続します。ウラン238は核分裂性核種であることも重要です。ウラン238は中性子を吸収して放射性同位体を生成しますが、この放射性同位体はプルトニウム239に崩壊し、プルトニウム239も核分裂を起こします。

同位体のリスト


核種
[n 1]		歴史的
な名前		Z北同位体質量 （Da）[5] [n 2] [n 3]
半減期[1]
減衰
モード[1]
[n 4]		娘
同位体
[n 5] [n 6]		スピンと
パリティ[1]
[n 7] [n 8]		天然存在比 （モル分率）
励起エネルギー[n 8]通常の割合[1]変動の範囲
214 U [6]921220.52+0.95
−0.21 MS		α210番目0歳以上
215ウ92123215.026720(11)1.4(9)ミリ秒α211番目5/2−#
β + ?215 Pa
216 U [7]92124216.024760(30)2.25+0.63
−0.40 MS		α212番目0歳以上
216m U2206 keV0.89+0.24
−0.16 MS		α212番目8歳以上
217 U [8]92125217.024660(86)#19.3+13.3
−5.6 MS		α213番目（1/2−）
β + ?217 Pa
218ウラン[7]92126218.023505(15)650+80
−70 μs		α214番目0歳以上
218m U2117 keV390+60
−50 μs		α214番目8歳以上
それ？218ウ
219ウ92127219.025009(14)60(7)μsα215番目（9/2+）
β + ?219 Pa
221ウ92129221.026323(77)0.66(14) μsα217番目（9/2+）
β + ?221パ
222ウ92130222.026058(56)4.7(7)μsα218番目0歳以上
β + ?222パ
223ウ92131223.027961(63)65(12)μsα219番目7/2+#
β + ?223 Pa
224ウ92132224.027636(16)396(17)μsα220番目0歳以上
β + ?224 Pa
225ウ92133225.029385(11)62(4) ミリ秒α221番目5/2+#
226 U92134226.029339(12)269(6) ミリ秒α222番目0歳以上
227ウ92135227.0311811(91)1.1(1)分α223番目（3/2以上）
β + ?227 Pa
228ウ92136228.031369(14)9.1(2)分α（97.5％）224番目0歳以上
EC（2.5％）228パウエル
229ウ92137229.0335060(64)57.8(5)分β + (80%)229パ（3/2以上）
α（20％）225番目
230ウ92138230.0339401(48)20.23(2) dα226番目0歳以上
SF  ？（様々な）
CD (4.8×10 −12 %)208鉛
22ネフェリン
231ウ92139231.0362922(29)4.2(1) dEC231パ5/2+#
α（0.004％）227番目
232ウ92140232.0371548(19)68.9(4) 年α228番目0歳以上
CD (8.9×10 −10 %)208鉛
24ネフェリン
SF (2.7x10 −12 %)（様々な）
CD ？204水銀
28マグネシウム
233ウ92141233.0396343(24)1.5919(15)×10 5年α229番目5/2+トレース[n 9]
CD (7.2×10 −11 %)209鉛
24ネフェリン
SF？（様々な）
CD ？205 Hg
28 Mg
234 U [n 10] [n 11]ウランII92142234.0409503(12)2.455(6)×10 5年α230番目0歳以上[0.000054(5)] [n=12]0.000050
～0.000059
SF (1.64×10 −9 %)（様々な）
CD (1.4×10 −11 %)206水銀
28マグネシウム
CD (9×10 −12 %)210, 208鉛
24,26ネファ
234m U1421.257(17) keV33.5(20)ミリ秒それ234ウ6−
235 U [n 13] [n 14] [n 15]アクチノウラン
アクチンウラン		92143235.0439281(12)7.04(1)×10 8年α231番目7月2日[0.007204(6)]0.007198
～0.007207
SF (7×10 −9 %)（様々な）
CD（8×10 −10％）[9]211,210鉛
24,25ネオン
CD（<1.8×10 −10 %）[9]207,206水銀
28,29マグネシウム
235m1 U0.076737(18) keV25.7(1)分それ235ウ1/2以上
235m2 U2500(300) keV3.6(18)ミリ秒SF（様々な）
236ウトルラン[10]92144236.0455661(12)2.342(4)×10 7年α232番目0歳以上10 -11から 10 -10 [11] [n 16]
SF (9.6×10 −8 %)（様々な）
CD（2.0×10 −11 %）[9]208,206 Hg
28,30 Mg
236m1 U1052.5(6) keV100(4) nsそれ236ウ4−
236m2 U2750(3) keV120(2) nsIT（87％）236ウ(0歳以上)
SF（13％）（様々な）
237ウ92145237.0487283(13)6.752(2) dβ −237番号1/2以上トレース[n 17]
237m U274.0(10) keV155(6) nsそれ237ウ7月2日
238 U [n 11] [n 13] [n 14]ウランI92146238.050787618(15) [12]4.463(3)×10 9年α234番目0歳以上[0.992742(10)]0.992739
～0.992752
SF (5.44×10 −5 %)（様々な）
β − β − (2.2×10 −10 %)238プソム
238m U2557.9(5) keV280(6) nsIT（97.4％）238ウ0歳以上
SF（2.6％）（様々な）
239ウ92147239.0542920(16)23.45(2)分β −239番号5/2+トレース[n 18]
239m1 U133.7991(10) keV780(40) nsそれ239ウ1/2以上
239m2 U2500(900)# keV>250ナノ秒SF？（様々な）0歳以上
それ？239ウ
240ユニット92148240.0565924(27)14.1(1) 時間β −240m北緯[13]0歳以上トレース[n 19]
α?236番目
241 U [14]92149241.06031(5) [14]40分[15] [16]β −241番号7/2+#
242ウ92150242.06296(10) [14]16.8(5)分β −242番号0歳以上
この表のヘッダーとフッター:
  1. ^ m U – 励起核異性体。
  2. ^ ( ) – 不確実性 (1 σ ) は、対応する最後の数字の後の括弧内に簡潔に示されます。
  3. ^ # – 原子質量は # でマークされています。値と不確実性は純粋な実験データからではなく、少なくとも部分的に質量表面 (TMS) の傾向から導き出されています。
  4. ^ 崩壊のモード:
    EC:電子捕獲
    CD：クラスター崩壊
    SF：自発核分裂
  5. ^ 太字の斜体の記号は娘製品です – 娘製品はほぼ安定しています。
  6. ^ 太字の記号は娘製品です – 娘製品は安定しています。
  7. ^ ( ) スピン値 – 弱い割り当て引数を持つスピンを示します。
  8. ^ ab # – # でマークされた値は、純粋に実験データから導き出されたものではなく、少なくとも部分的には近隣核種の傾向 (TNN) から導き出されたものです。
  9. ^ 237 Npの中間崩壊生成物
  10. ^ ウラン-トリウム年代測定に使用
  11. ^ ab ウラン-ウラン年代測定に使用
  12. ^ 238 Uの中間崩壊生成物
  13. ^ ab 原始放射性核種
  14. ^ ab ウラン鉛年代測定に使用
  15. ^ 原子炉において重要
  16. ^ 244 Puの中間崩壊生成物。235 Uの中性子捕獲によっても生成される。
  17. ^ 中性子捕獲生成物、微量Np 237の親
  18. ^ 中性子捕獲生成物; 微量の239 Puの親核種
  19. ^ 244 Puの中間崩壊生成物

アクチニド対核分裂生成物

半減期によるアクチニドと核分裂生成物
アクチニド[17]崩壊系列による半減期
範囲（a）		235 Uの核分裂生成物の収量[ 18]
4 n
（トリウム）		4 n + 1
（ネプツニウム）		4 n + 2
（ラジウム）		4 n + 3
（アクチニウム）		4.5～7%0.04～1.25%<0.001%
228ラ№4～6歳155ユー・ユー
248ページ[19]> 9 a
244センチメートル241 Puƒ250立方フィート227 Ac№10～29歳90シニア85クローネ113m Cdþ
232 Uƒ238 Puƒ243センチメートル29～97年137セシウム151スモールþ121m Sn
249 Cfƒ242m午前​141～351年

100 a～210 ka の範囲に半減期を持つ核分裂生成物はありません...

241午前​251 Cfƒ[20]430～900年
226ラ№247ページ1.3～1.6千年前
240プエルトリコ229番目246センチメートル243午前​4.7～7.4千年前
245センチメートル250センチメートル8.3～8.5千年
239 Puƒ24.1万
230番目​231パ№32～76千年前
236 Npƒ233 Uƒ234 U№15万～25万年前99 Tc₡126スン
248センチメートル242プソム327～375万年前79セ₡
133万135セシウム₡
237 Npƒ161万～650万年前93 Zr107パド
236ウ247センチメートル1500万～2400万年前129 I₡
244プソム8000万

...1570万年以降も存在しない[21]

232番​238 U№235 Uƒ№0.7～14.1億年

ウラン232

ウラン232の半減期は68.9年で、トリウムサイクルの副産物です。ウラン232は、ウラン233を用いた核拡散の障害として挙げられています。これは、ウラン232の娘核種であるトリウム208 （比較的早く生成される）からの強力なガンマ線により、ウラン233の取り扱いが困難になるためです。ウラン232は、熱中性子と高速中性子の両方で核分裂する、偶数同位体の稀な例です。 [22] [23]

ウラン233

ウラン233は、トリウム燃料サイクルの一環としてトリウム232から生成される核分裂性同位体です。ウラン233は、核兵器や原子炉燃料としての利用が研究されました。時折実験が行われましたが、核兵器に使用されたことはなく、商業的に核燃料として使用されたことはありません。[24]実験用原子炉での使用に成功しており、核燃料としてより広範な利用が提案されています。半減期は約16万年です。

ウラン233は、トリウム232の中性子照射によって生成されます。トリウム232が中性子を吸収すると、半減期がわずか22分であるトリウム233になります。トリウム233はベータ崩壊してプロトアクチニウム233になります。プロトアクチニウム233の半減期は27日で、ベータ崩壊してウラン233になります。提案されている溶融塩原子炉の設計の中には、ベータ崩壊が起こる前にプロトアクチニウムを物理的に隔離し、さらなる中性子捕獲から守ろうとするものがあります。

ウラン233は通常、中性子を吸収して核分裂しますが、中性子を保持してウラン234になることもあります。核分裂に対する捕獲比は、他の2つの主要な核分裂性燃料であるウラン235とプルトニウム239よりも小さく、また短寿命のプルトニウム241よりも低いですが、製造が非常に困難なネプツニウム236に勝っています。

ウラン234

ウラン234はウラン238の間接崩壊生成物として天然ウラン中に存在しますが、その半減期は245,500年でウラン238の約18,000分の1に過ぎないため、ウラン全体の55 ppmしか占めていません。ウラン234の生成経路は以下のとおりです。ウラン238はアルファ崩壊してトリウム234になります。次に、半減期の短いトリウム234がベータ崩壊してプロトアクチニウム234になります。最後に、ウラン234がベータ崩壊してウラン234になります。 [25] [26]

234 Uアルファは、自発核分裂を起こす少数の原子核を除いて、トリウム 230に崩壊します。

天然ウランから少量のウラン234を抽出するには、通常のウラン濃縮と同様に、同位体分離法を用いることができます。しかし、化学、物理学、工学の分野では、ウラン234を単離する現実的な需要はありません。ごく微量の純粋なウラン234サンプルは、ある程度の年月を経てアルファ崩壊を起こしてウラン234になったプルトニウム238のサンプルから、化学イオン交換プロセスによって抽出することができます。

濃縮ウランには、ウラン235を得るためのウラン濃縮プロセスの副産物として、天然ウランよりも多くのウラン234が含まれています。ウラン235は、ウラン235よりも軽い同位体を強力に濃縮します。濃縮天然ウラン中のウラン234の割合の増加は現在の原子炉では許容されますが、（再濃縮された）再処理ウランには、望ましくない234の割合がさらに高くなる可能性があります。[27]これは、234 Uが核分裂性ではなく、原子炉内で低速中性子を吸収して235 Uになる傾向があるためです。[26] [27]

234 U の中性子捕獲断面積は、熱中性子では約100バーン、共鳴積分（様々な中間エネルギーを持つ中性子の平均）では約700バーンです。原子炉では、非核分裂性同位体が中性子増殖核分裂性同位体を捕獲します。234 U は235 U に容易に変換され、したがって、ウラン 238が（ネプツニウム 239を経由して）プルトニウム 239に転換されるよりも高い速度で変換されます。これは、 238 U の中性子捕獲断面積がわずか2.7バーンとはるかに小さいためです。

ウラン235

ウラン235は天然ウランの約0.72%を占めています。ウラン235は、天然ウランの主要同位体であるウラン238とは異なり、核分裂性同位体であり、核分裂 連鎖反応を起こすことができます。ウラン235は、原始核種であるか、自然界に大量に存在する唯一の核分裂性同位体です。

ウラン235の半減期は7億400万年です。1935年にアーサー・ジェフリー・デンプスターによって発見されました。低速熱中性子による核分裂断面積は約584.3 ± 1 バーン[28]。高速中性子の場合、約1バーンである。熱エネルギーレベルでは、中性子吸収の約6回のうち約5回は核分裂に、約1回は中性子捕獲によってウラン236が形成される。[29]核分裂捕獲比は、高速中性子の場合に改善される。

ウラン236

ウラン236の半減期は約2300万年で、熱中性子による核分裂性も、核分裂性核種としての利用性も低いため、一般的には厄介な長寿命放射性廃棄物とみなされています。使用済み核燃料や、使用済み核燃料から作られた再処理ウランに含まれています。

ウラン237

ウラン237の半減期は約6.75日です。ベータ崩壊によってネプツニウム237に崩壊します。1940年に日本の物理学者仁科芳雄によって発見されました。彼はニアミスの発見によって93番元素の生成を推測しましたが、当時未知であったこの元素を単離することも、その崩壊特性を測定することもできませんでした。[30]

ウラン238

ウラン238（238 UまたはU-238）は、自然界で最も一般的なウラン同位体です。核分裂性はありませんが、親核性があります。つまり、低速中性子を捕獲し、2回のベータ崩壊を経て核分裂性プルトニウム239になります。ウラン238は高速中性子によって核分裂しますが、非弾性散乱によって中性子のエネルギーが、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よりも低くなってしまうため、連鎖反応を起こすことはできません。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は、原子炉制御にとって不可欠な負のフィードバック機構です。

天然ウランの約99.274%はウラン238で、半減期は4.463×10 9年です。劣化ウランはウラン238の濃度がさらに高く、低濃縮ウラン（LEU）でさえも大部分はウラン238です。再処理ウランも主にウラン238で構成され、天然ウランと同程度のウラン235と同程度のウラン236を含み、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含まれています。

ウラン239

ウラン239は通常、原子炉内でウラン238を中性子線にさらすことで生成されます。ウラン239の半減期は約23.45分で、ベータ崩壊してネプツニウム239となり、総崩壊エネルギーは約1.29MeVです。[31]最も一般的なガンマ崩壊は74.660keVで、ベータ放出エネルギーの2つの主要なチャネル（1.28MeVと1.21MeV）の差を説明しています。[32]

その後、 239 Np は半減期が約 2.356 日で、プルトニウム 239にベータ崩壊します。

参考文献

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  17. ^ ラジウム（元素番号88）も加わる。実際にはサブアクチノイドであるが、アクチニウム（元素番号89）の直前に位置し、ポロニウム（元素番号84）の後に3元素の不安定性ギャップがあり、このギャップには半減期が4年以上の核種は存在しない（このギャップで最も長寿命の核種は半減期が4日未満のラドン222である）。ラジウムの同位体の中で最も長寿命の同位体は1,600年であり、この元素をここに含める価値がある。
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    同位体分析の結果、約10ヶ月間にわたり分析された3つのサンプルにおいて、質量数248の核種が一定量存在することが分かりました。これは、半減期が9年以上のBk 248の異性体に起因するものと推定されました。Cf 248の増殖は検出されず、β線半減期の下限は約10 4年と推定されます。この新たな異性体に起因するα線放射は検出されていません。α線の半減期はおそらく300年以上です。
  20. ^ これは「不安定の海」に入るまでの半減期が少なくとも4年である最も重い核種です。
  21. ^ 半減期が232 Th を大幅に超える「古典的に安定した」核種は除きます。たとえば、 113m Cd の半減​​期はわずか 14 年ですが、 113 Cd の半減​​期は 8京年です。
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