اليورانيوم-238

اليورانيوم-238 ( ²³⁸يُعدّ اليورانيوم -238 ( U-238 ) أكثر نظائر اليورانيوم شيوعًا في الطبيعة، حيث تتجاوز وفرته النسبية 99%. وعلى عكس اليورانيوم-235 ، فهو غير قابل للانشطار، أي أنه لا يستطيع دعم التفاعل المتسلسل في مفاعل النيوترونات الحرارية . مع ذلك، فهو قابل للانشطار بواسطة النيوترونات السريعة ، كما أنه خصب ، أي يمكن تحويله إلى البلوتونيوم-239 القابل للانشطار . ^{لا يستطيع اليورانيوم -238} دعم التفاعل المتسلسل لأن التشتت غير المرن يُقلل طاقة النيوترونات إلى ما دون النطاق الذي يُحتمل فيه حدوث انشطار سريع لنواة واحدة أو أكثر من نوى الجيل التالي.اتساع دوبلر لرنين امتصاص النيوترونات في اليورانيوم ^{-238 ، والذي يزيد الامتصاص مع ارتفاع درجة حرارة الوقود، آلية} تغذية راجعة سلبية أساسيةللتحكم في المفاعل.

يبلغ عمر النصف للنظير 4.463 مليار سنة (1.408 × 10¹⁷ ^ثانية  ) . نظرًا لوفرته وعمر النصف النسبي لمعدل اضمحلاله مقارنةً بالعناصر المشعة الأخرى ، يُعدّ اليورانيوم ^-238 مسؤولًا عن حوالي 40% من الحرارة الإشعاعية المتولدة داخل الأرض. ^{[ 4 ]} تُنتج سلسلة اضمحلال اليورانيوم ^-238 ستة نيوترينوات مضادة للإلكترونات لكل نواة من اليورانيوم ^-238 (واحد لكل اضمحلال بيتا )، مما ينتج عنه إشارة نيوترينو أرضية كبيرة قابلة للكشف عند حدوث الاضمحلالات داخل الأرض. ^{[ 5 ]} يُستخدم اضمحلال اليورانيوم ^{-238 إلى نظائره الوليدة على نطاق واسع في} التأريخ الإشعاعي ، لا سيما للمواد التي يزيد عمرها عن مليون سنة تقريبًا. 

يحتوي اليورانيوم المستنفد على تركيز أعلى من نظير اليورانيوم ^-238 ، وحتى اليورانيوم منخفض التخصيب (LEU)، على الرغم من احتوائه على نسبة أعلى من نظير اليورانيوم-235 (مقارنة باليورانيوم المستنفد)، إلا أنه لا يزال في معظمه من اليورانيوم ^{-238 . كما أن} اليورانيوم المعاد معالجته هو أيضاً في معظمه من اليورانيوم ^{-238 ، مع كمية من اليورانيوم} -235 تقارب تلك الموجودة في اليورانيوم الطبيعي، ونسبة مماثلة من اليورانيوم-236 ، وكميات أقل بكثير من نظائر اليورانيوم الأخرى مثل اليورانيوم-234 واليورانيوم -233 واليورانيوم -232 . ^{[ 6 ]}

في مفاعل الانشطار النووي ، يُستخدم اليورانيوم-238 لإنتاج البلوتونيوم-239 ، الذي يُستخدم بدوره في الأسلحة النووية أو كوقود للمفاعلات النووية. في المفاعل النووي النموذجي، يأتي ما يصل إلى ثلث الطاقة المولدة من انشطار البلوتونيوم ^-239 ، الذي لا يُستخدم كوقود للمفاعل، بل يُنتج من اليورانيوم ^{-238 . [ 7 ]} يتم إنتاج كمية معينة من ^{البلوتونيوم-239}البلوتونيوم من ²³⁸يُعد اليورانيوم عنصرًا لا مفر منه أينما تعرض للإشعاع النيوتروني . وتختلف نسب اليورانيوم ^-239 تبعًا لدرجة الاحتراق ودرجة حرارة النيوترونات .يتم تحويل البلوتونيوم إلى ²⁴⁰يُحدد Pu "درجة" البلوتونيوم المُنتَج، بدءًا من درجة الأسلحة ، مرورًا بدرجة المفاعل ، وصولًا إلى البلوتونيوم عالي الجودة في ²⁴⁰لا يمكن استخدامه في المفاعلات الحالية التي تعمل بطيف النيوترونات الحرارية. يتضمن هذا الأخير عادةً وقود MOX "المعاد تدويره" الذي دخل المفاعل وهو يحتوي على كميات كبيرة من البلوتونيوم .

تستخدم معظم الأسلحة النووية الحديثة اليورانيوم ^-238 كمادة "مُغلِّفة" (انظر تصميم الأسلحة النووية ). تعمل هذه المادة المُغلِّفة، التي تُحيط بنواة الانشطار، على عكس النيوترونات وإضافة قصور ذاتي لضغط شحنة البلوتونيوم ^-239 . وبذلك، تزيد من كفاءة السلاح وتقلل من الكتلة الحرجة المطلوبة. في حالة السلاح النووي الحراري ، يُمكن استخدام اليورانيوم ^{-238 لتغليف وقود الاندماج، حيث يؤدي التدفق العالي} للنيوترونات عالية الطاقة الناتجة عن تفاعل الاندماج إلى انشطار نوى اليورانيوم ^-238 ، مما يُضيف المزيد من الطاقة إلى "قوة" السلاح. تُسمى هذه الأسلحة بأسلحة الانشطار-الاندماج-الانشطار نسبةً إلى ترتيب حدوث كل تفاعل. ومن أمثلة هذه الأسلحة " كاسل برافو" .

يأتي الجزء الأكبر من إجمالي القوة التفجيرية في هذا التصميم من مرحلة الانشطار النهائية التي تعمل بوقود اليورانيوم ^-238 ، مما ينتج كميات هائلة من نواتج الانشطار المشعة . على سبيل المثال، تشير التقديرات إلى أن 77% من قوة تفجير "آيفي مايك" النووي الحراري عام 1952، والتي بلغت 10.4 ميغا طن ، جاءت من الانشطار السريع لليورانيوم المنضب المستخدم كغطاء . ولأن اليورانيوم المنضب (أو الطبيعي) لا يمتلك كتلة حرجة، يمكن إضافته إلى القنابل النووية الحرارية بكميات غير محدودة تقريبًا. أما تجربة الاتحاد السوفيتي لقنبلة القيصر عام 1961، فقد أنتجت "فقط" 50 ميغا طن من القوة التفجيرية، جاء أكثر من 90% منها من الاندماج النووي، وذلك لاستبدال المرحلة النهائية من اليورانيوم ^{-238 بالرصاص. ولو استُخدم اليورانيوم -238} بدلًا من اليورانيوم-238، لكانت قوة قنبلة القيصر قد تجاوزت 100 ميغا طن، ولنتج عنها تساقط نووي يعادل ثلث إجمالي التساقط النووي العالمي الذي تم إنتاجه حتى ذلك الحين.

اليورانيوم-238 باعث لأشعة ألفا، وينتج الثوريوم-234 الذي باعث لأشعة بيتا، وهكذا. يؤدي هذا إلى سلسلة تحلل تُعرف باسم سلسلة الراديوم أو سلسلة اليورانيوم . تبدأ هذه السلسلة باليورانيوم-238 الموجود في الطبيعة، وتشمل نظائر الأستاتين ، والبزموت ، والرصاص ، والبولونيوم ، والبروتاكتينيوم ، والراديوم ، والرادون ، والثاليوم ، والثوريوم ، واليورانيوم ، وجميعها موجودة في مصادر اليورانيوم الطبيعية. يحدث التحلل كما يلي (تم عرض فروع التحلل الرئيسية فقط) : ^{[ 11 ]}

${\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{238}_{92}U->[\alpha ]]4.463\times 10^{9}\ {\ce {y}}]{^{234}_{90}Th}->[\beta ^{-}][24.11\ {\ce {d}}]{^{234\!m}_{91}Pa}}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[0.16\%][1.16\ {\ce {min}}]{^{234}_{91}Pa}->[\beta ^{-}][6.70\ {\ce {h}}]}}\\{\ce {->[99.84\%\ \beta ^{-}][1.16\ {\ce {min}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{234}_{92}U->[\alpha ]]2.455\times 10^{5}\ {\ce {y}}]{^{230}_{90}Th}->[\alpha ]]7.54\times 10^{4}\ {\ce {y}}]{^{226}_{88}Ra}->[\alpha ][1600\ {\ce {y}}]{^{222}_ {86}Rn}}}\\{\ce {^{222}_{86}Rn->[\alpha ][3.8235\ {\ce {d}}]{^{218}_{84}بو}->[\alpha ][3.097\ {\ce {دقيقة}}]{^{214}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][27.06\ {\ce {min}}]{^{214}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][19.9\ {\ce {min}}]{^{214}_{84}Po}->[\alpha ][164.3\ \mu {\ce {s}}]{^{210}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][22.2\ {\ce {y}}]{^{210}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][5.012\ {\ce {d}}]{^{210}_{84}Po}->[\alpha ]]138.376\ {\ce {d}}]{^{206}_{82}Pb}}}\end{array}}}$

أو في شكل جدولي، بما في ذلك الفروع الثانوية:

يبلغ متوسط ​​عمر اليورانيوم ^-238 (أو أي نظير مشع) نصف العمر مقسومًا على ln(2)  ≈  0.693 (أو مضروبًا في 1/ln(2)  ≈  1.443)، وهو ما يعادل تقريبًا 2 × 10¹⁷ ثانية، لذا فإن مولًا واحدًا من ^{اليورانيوم -238} ينبعث منه 3 × 10^ست جسيمات ألفا في الثانية، منتجةً نفس عدد ذرات الثوريوم-234. في نظام مغلق، يتحقق توازنٌ تكون فيه نسب جميع العناصر، باستثناء الناتج النهائي المستقر، ثابتة، ولكن بكميات متناقصة ببطء.ستزداد كمية الرصاص ^{-206 تبعًا لذلك، بينما تتناقص كمية اليورانيوم -238} ؛ جميع خطوات سلسلة التحلل لها نفس المعدل البالغ 3 × 10⁶ جسيمات متحللة في الثانية لكل مول ²³⁸ وحدة.

على الرغم من أن اليورانيوم ^-238 ذو إشعاع ضئيل، فإن نواتج تحلله، الثوريوم-234 والبروتكتينيوم-234، تُصدر جسيمات بيتا بنصف عمر يبلغ حوالي 20 يومًا ودقيقة واحدة على التوالي. يتحلل البروتكتينيوم-234 إلى يورانيوم-234، الذي يبلغ نصف عمره مئات الآلاف من السنين، ولا يصل هذا النظير إلى تركيز التوازن إلا بعد فترة طويلة جدًا. عندما يصل أول نظيرين في سلسلة التحلل إلى تركيزات توازن منخفضة نسبيًا، فإن عينة من اليورانيوم ^-238 النقي في البداية ستُصدر ثلاثة أضعاف الإشعاع الناتج عن اليورانيوم ^-238 نفسه، ومعظم هذا الإشعاع عبارة عن جسيمات بيتا.

كما سبق ذكره، عند البدء باليورانيوم ^-238 النقي ، فإن التوازن، ضمن النطاق الزمني البشري، ينطبق فقط على الخطوات الثلاث الأولى في سلسلة التحلل. وبالتالي، بالنسبة لمول واحد من اليورانيوم ^-238 ، 3 × 10^{يتم إنتاج جسيم ألفا واحد وجسيمين بيتا وشعاع جاما ست} مرات في الثانية، بإجمالي طاقة 6.7 ميجا إلكترون فولت، بمعدل 3 ميكرو واط. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

تُصدر ذرة اليورانيوم-238 أشعة غاما عند طاقة 49.55 كيلو إلكترون فولت باحتمالية 0.084%، إلا أن هذا الخط الإشعاعي ضعيف للغاية، لذا يُقاس النشاط الإشعاعي من خلال النوى الناتجة عنها في سلسلة اضمحلالها ^{. [ 14 ] [ 15 ]}

^{يشمل استخدام وفرة اليورانيوم -238} وتحلله إلى نظائره الوليدة العديد من تقنيات تأريخ اليورانيوم، وهو أحد أكثر النظائر المشعة شيوعًا في التأريخ الإشعاعي . وتُعدّ طريقة تأريخ اليورانيوم-الرصاص الطريقة الأكثر شيوعًا ، حيث تُستخدم لتأريخ الصخور التي يزيد عمرها عن مليون سنة، وقد حددت أعمار أقدم الصخور على الأرض بـ 4.4 مليار سنة. ^{[ 16 ]}

تشير العلاقة بين نظيري اليورانيوم ²³⁸ و ^{234 إلى عمر} الرواسب ومياه البحر، والذي يتراوح بين 100,000 و1,200,000 سنة. ^{[ 17 ]}

يُعد ناتج تحلل اليورانيوم ^{238 ، وهو الرصاص 206} ، جزءًا لا يتجزأ من تأريخ الرصاص-الرصاص ، والذي اشتهر بتحديد عمر الأرض . ^{[ 18 ]}

تحمل مركبات برنامج فوياجر الفضائية كميات صغيرة من اليورانيوم ^-238 النقي في البداية على أغلفة أقراصها الذهبية لتسهيل تحديد تاريخها بنفس الطريقة. ^{[ 19 ]}

يُصدر اليورانيوم إشعاع ألفا ، لذا فإن التعرض الخارجي له محدود التأثير. أما التعرض الداخلي الكبير لجزيئات دقيقة من اليورانيوم أو نواتج تحلله، مثل الثوريوم-230 والراديوم-226 والرادون -222 ، فقد يُسبب آثارًا صحية خطيرة، مثل سرطان العظام أو الكبد.

يُعد اليورانيوم سامًا كيميائيًا أيضًا، مما يعني أن ابتلاعه قد يُسبب تلفًا في الكلى نتيجة لخصائصه الكيميائية في وقت أقرب بكثير من الوقت الذي تُسبب فيه خصائصه الإشعاعية سرطانات العظام أو الكبد. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

• اليورانيوم المنضب
• تحديد العمر باستخدام اليورانيوم والرصاص

• قاعدة بيانات المواد الخطرة التابعة للمكتبة الوطنية للطب - اليورانيوم، المواد المشعة