אורניום-235

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

אורניום-235 הוא איזוטופ של אורניום המכיל 235 נוקלאונים (92 פרוטונים ו-143 נייטרונים). הוא מהווה כ 0.72% מסך המסה של האורניום הטבעי המצוי במחצבים על פני כדור הארץ, ובכך הוא איזוטופ האורניום השני בשכיחותו לאחר אורניום-238.

למרות נדירותו היחסית, אורניום-235 הוא האיזוטופ החשוב ביותר בתעשייה הגרעינית, שכן בניגוד לאורניום-238 הוא חומר בקיע: חומר שגרעינו יכול לעבור ביקוע גרעיני מאולץ כתוצאה מפגיעת נייטרון ובכך לאתחל תגובת שרשרת גרעינית. האנרגיה הרבה המשתחררת בתהליך היא ההופכת אותו לדלק בכורים גרעיניים ולמרכיב חיוני בפצצות גרעיניות. גם לשחרור הנייטרונים תפקיד חשוב בכורים גרעיניים המשמשים לייצור פלוטוניום.

יחד עם פלוטוניום-239 ואורניום-233, אורניום-235 הוא אחד משלושת החומרים הבקיעים היחידים בשימוש, והיחידי המצוי באופן טבעי בכדור הארץ.

השיעור הנמוך של אורניום-235 באורניום טבעי אינו מאפשר שימוש באורניום טבעי לצורך הפקת אנרגיה גרעינית. לשם כך יש לבצע תהליך ארוך, יקר ומורכב של העשרת אורניום, המעלה את ריכוז האורניום-235 באופן מלאכותי.

המסה של אורניום-235 במצב היסוד היא 235.0439299u, והספין של הגרעין הוא 7/2.

[עריכה] ביקוע גרעיני כתוצאה מפגיעת נייטרון

התכונה החשובה ביותר של אורניום-235 היא יכולתו לעבור ביקוע גרעיני כתוצאה מפגיעת נייטרון, ולהתפרק לשני גרעינים קטנים יותר, תוך שחרור נייטרונים הממשיכים לבקע גרעינים נוספים שלו באופן דומה, וכך הלאה בתהליך העשוי לייצר תגובת שרשרת גרעינית.

כאשר נייטרון פוגע בגרעין של אורניום-235 הוא יכול להתחבר אליו וליצור גרעין מעורר בלתי יציב של אורניום-236, המתפרק מיד לשני גרעינים קטנים יותר (ולעתים נדירות לשלושה), תוך פליטת מספר נייטרונים, לרוב שניים או שלושה (בממוצע כ-2.5 נייטרונים לביקוע, לעומת ממוצע של כ-3 בפלוטוניום-239).

קיימים מספר אופני ביקוע אפשריים, חלקם מומחשים בנוסחאות הבאות:

צסיום=Cs, רובידיום=Rb, באריום=Ba, קריפטון=Kr, אורניום=U, נייטרון=n

תוצרי הביקוע (הגרעינים שנוצרים בתהליך) אינם דומים במסתם. עבור אורניום-235 מספרי המסה של תוצרי הביקוע מתפלגים סביב 135 עבור תוצר הביקוע הכבד יותר, וסביב 95 עבור תוצר הביקוע הקל יותר.

בכל אחת מצורות הפירוק האפשריות, סך מסת תוצרי הביקוע קטנה מעט מזו של אורניום-235 והנייטרון הפוגע, הפרש המשתחרר בצורת אנרגיה. האנרגיה הממוצעת המשתחררת מביקוע גרעין אחד של אורניום-235 היא כ-200 MeV (לעומת כ-210 MeV עבור פלוטוניום).

חשיבות מיוחדת יש לאנרגיה הקינטית של הנייטרון הפוגע הנדרשת עבור ביקוע. קיימים איזוטופים כבדים רבים שגרעיניהם יכולים להתבקע מפגיעת נייטרונים מהירים, אולם עבור רובם, האנרגיה הקינטית של הנייטרון הנדרשת כדי שיהיה סיכוי משמעותי שהוא יבקע את הגרעין, גבוהה מהאנרגיה הממוצעת שיש לנייטרון שנפלט בביקוע (סדר גודל של למעלה מ-MeV). לכן בחומרים אלה לא מתפתחת תגובת שרשרת, כלומר הם אינם חומרים בקיעים.

לעומת זאת, באורניום-235 הסיכוי לביקוע עם ירידת האנרגיה של הנייטרון הפוגע לא רק שאינו קטן, אלא אף עולה דרמטית: עבור נייטרון בעל אנרגיה של MeV (מיליון אלקטרון וולט), חתך הפעולה לביקוע כתוצאה מפגיעתו הוא בסדר גודל של 1b, לעומת נייטרון עם אנרגיה של מאית האלקטרון וולט, עבורו חתך הפעולה הוא בסדר גודל של כ-1000b, כלומר הסיכוי לביקוע עבורו גדל פי אלף [1]. תכונה זו היא ההופכת את האורניום-235 (ועוד מספר מועט של איזוטופים כבדים) לחומר בקיע אשר ניתן להשתמש בו ליצירת תגובת שרשרת גרעינית. תכונה זו אף מאפשרת להגביר את תגובת השרשרת על ידי שימוש בחומרים המאיטים את הנייטרונים המבקעים. חומרים אלו, כמו מים כבדים או גרפיט, נמצאים בשימוש בכורים גרעיניים.

[עריכה] דעיכה ספונטנית

אורניום-235 הוא איזוטופ רדיואקטיבי, אולם זמן מחצית החיים שלו הוא ארוך ביותר: 703.8 מיליון שנים.

כמעט תמיד הוא דועך בהתפרקות אלפא לתוריום-231 תוך פליטת אנרגיה של 4.679 MeV. בנוסף, גרעין של אורניום-235 יכול לעבור ביקוע גרעיני ספונטני, בו הוא מתפרק לשני גרעינים קלים יותר תוך פליטת נייטרונים, אולם הסיכוי להתפרקות כזו קטן מאוד, רק כאחת מתוך 10 מיליארד התפרקויות. בנוסף, כאחת מתוך 100 מיליארד התפרקויות היא דעיכה בה נפלט גרעין נאון והגרעין הופך לגרעין עופרת.

ייתכן שלפני מיליארדי שנים, כאשר ריכוזו של החומר הבקיע אורניום-235 היה גבוה יותר מאשר כיום, היו קיימים כורים גרעיניים טבעיים. מכרה האורניום באוקלו שבגבון הוא המקום היחיד שבו התגלו עד כה (2008) ראיות לקיומם של כורים גרעיניים טבעיים קדומים.

[עריכה] קישורים חיצוניים

• Some Physics of Uranium - מהאתר של "Uranium Information Centre"
• Nuclear Fission מהאתר HyperPhysics של אוניברסיטת מדינת ג'ורג'יה