اليورانيوم-235

📅 آخر تحديث: ٢٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

اليورانيوم-235 ( 235اليورانيوم -235 ( U-235 ) هو نظير لليورانيوم يشكل حوالي 0.72% من اليورانيوم الطبيعي . على عكس النظير السائد اليورانيوم-238 ، فهو قابل للانشطار ، أي أنه قادر على إحداث تفاعل نووي متسلسل . وهو النظير الوحيد القابل للانشطار الموجود في الطبيعة كنواة بدائية ، وقد اكتشفه آرثر جيفري ديمبستر عام 1935 .

تُستمد الطاقة المنبعثة من انشطار اليورانيوم-235 لتشغيل معظم المفاعلات النووية والأسلحة النووية . تخصيب اليورانيوم هو عملية تحويل اليورانيوم الطبيعي إلى يورانيوم-235 بنسبة أعلى. يمكن لبعض أنواع المفاعلات استخدام اليورانيوم الطبيعي مباشرةً، بينما تتطلب الأسلحة النووية وأنواع أخرى من المفاعلات يورانيومًا مخصبًا باليورانيوم-235.

يبلغ عمر النصف لليورانيوم-235 حوالي 704  مليون سنة. ويبلغ مقطعه العرضي للانشطار بواسطة النيوترونات الحرارية البطيئة حوالي584.3 ± 1 بارن . [ 4 ] بالنسبة للنيوترونات السريعة، يكون الرقم في حدود 1  بارن. [ 5 ] معظم امتصاصات النيوترونات تحفز الانشطار، على الرغم من أن نسبة ضئيلة (حوالي 15%) تؤدي إلى تكوين اليورانيوم-236 . [ 6 ] [ 7 ]

خصائص الانشطار

الانشطار النووي الذي تم رصده باستخدام نواة اليورانيوم-235

يؤدي انشطار ذرة واحدة من اليورانيوم-235 إلى إطلاق202.5  ميغا إلكترون فولت (3.24 × 10⁻¹¹ جول  ) داخل المفاعل. وهذا يعادل 19.54  تيرا جول/ مول ، أو 83.14  تيرا جول/كجم. [ 8 ] ويتسرب 8.8  ميجا إلكترون فولت أخرى من المفاعل على شكل نيوترينوات مضادة. عند قذف نوى اليورانيوم -92 البالغ عددها 235 بالنيوترونات، فإن أحد تفاعلات الانشطار العديدة التي يمكن أن تخضع لها هو التالي (الموضح في الصورة المجاورة):

1 0 ن+ 235 92 يو→ 236 92 يو→ 144 56 با+ 89 36 كر+ 3 1 0 ن

يمكن استخدام اليورانيوم الطبيعي في مفاعلات الماء الثقيل وبعض المفاعلات المُهَدَّأة بالجرافيت ، بينما يجب استخدام اليورانيوم منخفض التخصيب في مفاعلات الماء الخفيف نظرًا لارتفاع امتصاص الماء الخفيف للنيوترونات . يؤدي تخصيب اليورانيوم إلى إزالة جزء من اليورانيوم-238 وزيادة نسبة اليورانيوم-235. أما اليورانيوم عالي التخصيب ، الذي يحتوي على نسبة أعلى من اليورانيوم-235، فيُستخدم أحيانًا في مفاعلات الغواصات النووية ومفاعلات الأبحاث والأسلحة النووية .

إذا اصطدم نيوترون واحد على الأقل من انشطار اليورانيوم-235 بنواة أخرى وتسبب في انشطارها، فإن التفاعل المتسلسل سيستمر. وإذا استمر التفاعل دون انقطاع، يُقال إنه حرج ، وتُسمى كتلة اليورانيوم -235 اللازمة لتحقيق الحالة الحرجة بالكتلة الحرجة. ويمكن تحقيق التفاعل المتسلسل الحرج عند تركيزات منخفضة من اليورانيوم -235 إذا تم تعديل سرعة النيوترونات الناتجة عن الانشطار ، لأن احتمالية الانشطار مع النيوترونات البطيئة تكون أكبر. ينتج عن التفاعل المتسلسل للانشطار شظايا متوسطة الكتلة شديدة الإشعاع ، وتنتج طاقة إضافية من خلال تحللها الإشعاعي . بعض هذه الشظايا ينتج نيوترونات، تُسمى النيوترونات المتأخرة ، والتي تُساهم في التفاعل المتسلسل للانشطار. ويتم ضبط قدرة المفاعلات النووية عن طريق تحديد موقع قضبان التحكم التي تحتوي على عناصر تمتص النيوترونات بقوة، مثل البورون أو الكادميوم أو الهافنيوم ، في قلب المفاعل. في القنابل النووية ، يكون التفاعل غير متحكم فيه، وتؤدي الكمية الكبيرة من الطاقة المنبعثة إلى حدوث انفجار نووي .

الأسلحة البيئية

كانت القنبلة الذرية من نوع "ليتل بوي" التي أُلقيت على هيروشيما في 6 أغسطس 1945 مصنوعة من يورانيوم عالي التخصيب مع غلاف كبير . تبلغ الكتلة الحرجة الكروية الاسمية لسلاح نووي من اليورانيوم -235 غير المُخَفَّض 56 كيلوغرامًا (123 رطلًا) ، [ 9 ] وهو ما يُشكِّل كرة قطرها 17.32 سنتيمترًا (6.82 بوصة) . يجب أن تكون المادة 85% أو أكثر من اليورانيوم -235 ، وتُعرف باسم يورانيوم صالح لصنع الأسلحة ، مع العلم أن تخصيبًا بنسبة 20% يكفي لصنع سلاح بدائي وغير فعال (يُسمى قابل للاستخدام في الأسلحة ). يمكن استخدام تخصيب أقل، لكن هذا يؤدي إلى زيادة سريعة في الكتلة الحرجة المطلوبة. إن استخدام مُدَفِّئ كبير، وهندسة الانفجار الداخلي ، وأنابيب الزناد، ومُشغِّلات البولونيوم ، وتعزيز التريتيوم ، وعاكسات النيوترونات، يُمكن أن يُتيح تصميم سلاح أكثر إحكامًا واقتصادية باستخدام ربع الكتلة الحرجة الاسمية أو أقل، مع أن هذا لن يكون ممكنًا على الأرجح إلا في دولة لديها خبرة واسعة في هندسة الأسلحة النووية. تستخدم معظم تصاميم الأسلحة النووية الحديثة البلوتونيوم-239 كمكون انشطاري للمرحلة الأولية؛ [ 10 ] [ 11 ] ومع ذلك، يُستخدم اليورانيوم عالي التخصيب (في هذه الحالة، اليورانيوم الذي يحتوي على 20% أو أكثر من اليورانيوم -235 ) بشكل متكرر في المرحلة الثانوية كمُشعل لوقود الاندماج.  

مصدرمتوسط ​​الطاقة المنبعثة [MeV] [ 8 ]
طاقة مُطلقة على الفور
الطاقة الحركية لشظايا الانشطار169.1
الطاقة الحركية للنيوترونات الفورية4.8
الطاقة التي تحملها أشعة غاما الفورية7.0
الطاقة من نواتج الانشطار المتحللة
طاقة جسيمات بيتا السالبة6.5
طاقة أشعة غاما المتأخرة6.3
الطاقة المنبعثة عند التقاط النيوترونات المحفزة التي لا تنتج الانشطار (أو تعيد إنتاجه).8.8
إجمالي الطاقة المحولة إلى حرارة في مفاعل نووي حراري عامل202.5 ميغا إلكترون فولت
طاقة النيوترينوات المضادة8.8
مجموع211.3 ميغا إلكترون فولت

فساد

اليورانيوم-235 نظيرٌ مُشعٌّ لأشعة ألفا، [ 12 ] وينتج الثوريوم-231 . يُعدّ اليورانيوم-235 السلف الرئيسي لسلسلة الأكتينيوم ، وهي إحدى سلاسل اضمحلال الأكتينيدات الرئيسية ، كونه أطولها عمرًا والنظير البدائي الوحيد (باستثناء الناتج النهائي، الرصاص-207 ). بدءًا من اليورانيوم-235 الموجود في الطبيعة، تشمل هذه السلسلة نظائر الأستاتين ، والبزموت ، والفرانسيوم ، والرصاص ، والبولونيوم ، والبروتاكتينيوم ، والراديوم ، والرادون ، والثاليوم ، والثوريوم ، وجميعها موجودة في مصادر اليورانيوم الطبيعية. يحدث الاضمحلال على النحو التالي (يُعرض هنا فقط فروع الاضمحلال الرئيسية) :

يو92235→7.04×108 yαذ90231→25.52 حβ-با91231→3.27×104 yαأ89227{→21.772 y98.62%β-ذ90227→18.693 دα→21.772 y1.38%αالأب87223→22.00 مينβ-}رع88223→11.435 دαممرضة مسجلة86219ممرضة مسجلة86219→3.96 sαبو84215→1.781 آنسةαالرصاص82211→36.16 مينβ-ثنائي الجنس83211{→2.14 مين99.724%αتي إل81207→4.77 مينβ-→2.14 مين0.276%β-بو84211→0.516 sα}الرصاص82207{\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{235}_{92}U->[\alpha ][7.04\times 10^{8}\ {\ce {y}}]{^{231}_{90}Th}->[\beta ^{-}][25.52\ {\ce {h}}]{^{231}_{91}Pa}->[\alpha ][3.27\times 10^{4}\ {\ce {y}}]{^{227}_{89}Ac}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[98.62\%\beta ^{-}][21.772\ {\ce {y}}]{^{227}_{90}Th}->[\alpha ][18.693\ {\ce {d}}]}}\\{\ce {->[1.38\%\alpha ][21.772\ {\ce {y}}]{^{223}_{87}Fr}->[\beta ^{-}][22.00\ {\ce {min}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{223}_{88}Ra->[\alpha ][11.435\ {\ce {d}}]{^{219}_{86}Rn}}}\\{\ce {^{219}_{86}Rn->[\alpha ][3.96\ {\ce {s}}]{^{215}_{84}Po}->[\alpha ][1.781\ {\ce {ms}}]{^{211}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][36.16\ {\ce {min}}]{^{211}_{83}Bi}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[99.724\%\alpha ][2.14\ {\ce {min}}]{^{207}_{81}Tl}->[\beta ^{-}][4.77\ {\ce {min}}]}}\\{\ce {->[0.276\%\beta ^{-}][2.14\ {\ce {min}}]{^{211}_{84}Po}->[\alpha ][0.516\ {\ce {s}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{207}_{82}Pb}}\end{array}}}

أو في شكل جدولي، بما في ذلك الفروع الثانوية:

نوكليودوضع التحللنصف العمر ( أ = سنوات)الطاقة المنبعثة MeVمنتج التحلل
235 يوα7.04×10 8 أ4.678231​
231​β −25.52 ساعة0.391231 باسكال
231 باسكالα3.27×10 4 أ5.150227 فدان
227 فدانβ − 98.62% α 1.38%21.772 أ0.045 5.042227 الخميس 223 الجمعة
227​α18.693 د6.147223 را
223 فرنك فرنسيβ − 99.994% α 0.006%22.00 دقيقة1.149 5.561223 را 219 أت
223 راα11.435 د5.979219 رن
219 فيα 93.6% β − 6.4%56 ثانية6.342 1.567215 Bi 219 Rn
219 رنα3.96 ثانية6.946215 بو
215 بيβ −7.6 دقيقة2.171215 بو
215 بوα β − 2.3×10 −4 %1.781 مللي ثانية7.526 0.715211 رصاص 215 ذرة
215 فيα37 ميكروثانية8.177211 بي
211 رصاصβ −36.16 دقيقة1.366211 بي
211 بيα 99.724% β − 0.276%2.14 دقيقة6.750 0.573207 تل 211 بو
211 بوα516 مللي ثانية7.595207 رصاص
207 تيرابايتβ −4.77 دقيقة1.418207 رصاص
207 رصاصمستقر

التأريخ الفيزيائي الفلكي

إن معرفة نسب الإنتاج الحالية والنظرية لليورانيوم-235 إلى اليورانيوم-238 تسمح بالتأريخ الإشعاعي ، أي الوقت منذ تشكل نوى اليورانيوم الحديثة في التخليق النووي النجمي .

شرحت ورقة B2FH الرائدة في الفيزياء الفلكية عام 1957 عملية الالتقاط السريع للنيوترونات (r-process) التي تتشكل من خلالها كلتا النواتين. وتوقع الباحثون وفرتهما النسبية، ووفرة النظائر الأم التي تتحلل بسرعة عبر سلسلة ألفا . وتوقعوا بالتالي أن تكون نسبة اليورانيوم -235 إلى اليورانيوم -238 هي 1.64، وهي النسبة التي ساهمت بها أحداث عملية الالتقاط السريع للنيوترونات ( المستعرات العظمى، ثم الكيلونوفا التي اكتُشفت لاحقًا) في الوسط بين النجوم . ويستغرق هذا التناقص مليارات السنين ليصل إلى قيمته الحالية البالغة 0.0072 (انظر اليورانيوم الطبيعي ). وقد بحثوا في سيناريوهات المساهمة التاريخية في السديم الشمسي ، قبل أن تتوقف هذه المساهمة عند تكوين الشمس قبل 4.5 مليار سنة. وتتمثل هذه السيناريوهات في: مستعر أعظم واحد، وسلسلة منتظمة متصلة محدودة من المستعرات العظمى تمثل عمر مجرة ​​درب التبانة ، وسلسلة لانهائية تمثل الكون في حالة الاستقرار . انطلاقاً من السيناريو الثاني، قدّروا عمر مجرة ​​درب التبانة بنحو 10 مليارات سنة، مقارنةً بالقيمة الحالية البالغة 13.61 مليار سنة. في ذلك الوقت، كانت أقدم الأجسام المعروفة هي العناقيد الكروية ، والتي قُدّر عمر أقدمها بنحو 6.5 مليار سنة. [ 13 ]

مراجع

  1. ↑ كونديڤ، إف جي؛ وانغ، إم؛ هوانغ، دبليو جي؛ نعيمي، إس؛ أودي، جي. (2021). "تقييم NUBASE2020 للخواص النووية" (ملف PDF) . الفيزياء الصينية ج . 45 (3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
  2. ↑ وانغ، مينغ؛ هوانغ، دبليو جيه؛ كونديڤ، إف جي؛ أودي، جي؛ نعيمي، إس. (2021). "تقييم الكتلة الذرية AME 2020 (الجزء الثاني). الجداول والرسوم البيانية والمراجع*". الفيزياء الصينية ج . 45 (3) 030003. doi : 10.1088/1674-1137/abddaf .
  3. ↑ المركز الوطني لبيانات الطاقة النووية . "قاعدة بيانات NuDat 3.0" . مختبر بروكهافن الوطني .
  4. ↑ "#التفاعل القياسي: 235U(n,f)" . www-nds.iaea.org . الوكالة الدولية للطاقة الذرية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 مايو 2020 .
  5. ↑ ""بعض فيزياء اليورانيوم"، UIC.com.au. مؤرشف من الأصل في 17 يوليو 2007. تم الاطلاع عليه في 18 يناير 2009 .
  6. ↑ "نسبة الالتقاط إلى الانشطار" . nuclear-power.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 يونيو 2024 .
  7. ↑ كابيل، إم جيه؛ سلي، إل جيه (1962). "نسبة التقاط النيوترونات إلى الانشطار لليورانيوم-235". مجلة الكيمياء غير العضوية والنووية . 24 (12): 1493-1500 . doi : 10.1016/0022-1902(62)80002-5 .
  8. 1 2 الانشطار النووي والاندماج النووي، وتفاعلات النيوترونات ، أرشيف المختبر الفيزيائي الوطني.
  9. ↑ "أسئلة وأجوبة حول تصميم الأسلحة النووية FAS" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 7 مايو 1999. تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 سبتمبر 2010 .
  10. ↑ تصميم الأسلحة النووية . اتحاد العلماء الأمريكيين. مؤرشف من الأصل بتاريخ 26 ديسمبر 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 يونيو 2016 .
  11. ↑ مينر، ويليام ن.؛ شونفيلد، فريد و. (1968). "البلوتونيوم" . في كليفورد أ. هامبل ( محرر). موسوعة العناصر الكيميائية . نيويورك (نيويورك): مؤسسة رينهولد للنشر. ص 541. LCCN 68029938 .  
  12. ↑ كونديڤ، إف جي؛ وانغ، إم؛ هوانغ، دبليو جي؛ نعيمي، إس؛ أودي، جي. (2021). "تقييم NUBASE2020 للخواص النووية" (ملف PDF) . الفيزياء الصينية ج . 45 (3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
  13. ↑ بوربيدج، إي. مارغريت؛ بوربيدج، جي آر؛ فاولر، ويليام أ.؛ هويل، إف. (1957-10-01). "تخليق العناصر في النجوم" . مراجعات الفيزياء الحديثة . 29 (4): 547-650 . رمز Bibcode : 1957RvMP...29..547B . doi : 10.1103/RevModPhys.29.547 . ISSN 0034-6861 .