Kemian oppija

Uraani-235 on uraanimetallin luonnossa esiintyvä isotooppi. Se on ainoa halkeamiskelpoinen uraanin isotooppi, joka kykenee ylläpitämään ydinfissiota. Uraani-235:n osuus luonnossa esiintyvästä uraanista on noin 0,72 %, ja uraani-238 (toinen radioaktiivinen isotooppi) muodostaa yli 99 % metallin jäljellä olevasta massasta. Uraani-235 erotetaan uraani-238:sta diffuusioprosessin avulla käyttäen uraaniheksafluoridikaasua (UF6). Erittäin rikastettu uraani voi sisältää jopa 40 % uraani-235:tä.

Uraani-235 Symboli

Tämän radioaktiivisen isotoopin symboli tai kaava on 235U. Sitä merkitään myös U-235:llä.

Kuva 1 – Uraani-235

Uraani-235:n ominaisuudet

Tällä halkeamiskelpoisella aineella on seuraavat ominaisuudet:

Eritys: Se on hopeanvärinen metalli.

Molekyylipaino:

Atomiluku: Tämän metallin molekyylipaino on 235,044 g/mol.

Atomiluku:

Atomimamassa:

Kriittinen massa: Kriittinen massa: Tämän radioaktiivisen isotoopin kriittinen massa on 52 kg.

Kriittinen halkaisija: Sen kriittinen halkaisija on 17 cm.

Uraani-235:n ydin

Tämän radioaktiivisen metallin yhden isotoopin ytimessä on 92 protonia ja 143 neutronia.

Uraani-235:n radioaktiivinen hajoaminen

Tämän radioaktiivisen isotoopin epästabiili ydin menettää energiaa emittoimalla ionisoivia hiukkasia saavuttaakseen vakaan tilan. Se käy läpi alfahajoamisen säteilemällä alfasäteitä (α), joiden hajoamisenergia on 4,679 MeV.

Uraani-235:n hajoamisyhtälö

Seuraavassa on yksi hajoamisyhtälö tämän isotoopin alfahajoamiselle:

92235U → 90231Th + 24He

Tässä He (helium) edustaa yhtä alfahiukkasta (α).

Uraani-235 fissioituu spontaanisti radioaktiivisen hajoamisen aikana; tätä reaktiota ei kuitenkaan voida esittää millään vakioyhtälöllä, koska sen tulokset ovat melko arvaamattomia.

Uraani-235:n hajoamisketju

Tämän radioaktiivisen metallin hajoamisketju tunnetaan nimellä Actinium-sarja, jossa thorium-231 on seuraava isotooppi tässä hajoamisprosessissa. Se tekee toorium-231:stä tämän isotoopin tytärnuklidin. Uraani-235 tunnetaan myös nimellä aktinuraani, koska se on aktiniumsarjan kantaisotooppi. Se tuottaa lyijyä tämän alfahajoamisketjun viimeisenä stabiilina alkuaineena. Tässä on tämän isotoopin täydellinen hajoamissarja:

Uraani-235 →Torium-231 → Protaktinium-231 →Aktinium-227 →Torium-227 →Radium-223 →Radon-219 →Polonium-215 →Lyijy-211 →Vismutti-211 →Thallium-207→ Lyijy-207 (stabiili)

Uraani-235 Puoliintumisaika

Tämä radioaktiivinen isotooppi kestää 703,800 000 vuotta hajotakseen ja vähentyäkseen puoleen alkuperäisestä määrästään.

Uraani-235:n fissioreaktio

Se oli ensimmäinen löydetty fissiokykyinen uraanin isotooppi. Kun yksi U-235:n fissioreaktion neutroni saa toisen tämän metallin ytimen fissioon, se saa koko ketjureaktion jatkumaan. Tätä tilaa kutsutaan ”kriittiseksi tilaksi”, kun taas tämän tilan aikaansaamiseksi tarvittavaa U-235:n massaa kutsutaan ”kriittiseksi massaksi”. Kriittinen ketjureaktio on mahdollista saada aikaan pienellä U-235-pitoisuudella. Tällöin neutroneita hillitään, jotta niiden nopeus reaktiossa pienenee, koska fissiomahdollisuudet ovat suuremmat hitaiden kuin nopeiden neutronien kanssa. Tässä ketjureaktiossa syntyy monia radioaktiivisen massan välifragmentteja, jotka pystyvät tuottamaan energiaa käymällä itse läpi radioaktiivisen hajoamisen. Uraani-235:n fissio tuottaa suuria määriä energiaa.

Suurin osa koko uraani-235:stä hajoaa fissiossa pienemmiksi ytimiksi. Vain pieni osa tästä aineesta käy läpi neutronisieppauksen muodostaen uraani-236:n.

Uraani-235:n käyttötarkoitukset

Se, että tämä isotooppi on halkeamiskelpoinen aine, joka kykenee tuottamaan suuria määriä lämpöä ja energiaa, tekee siitä erittäin käyttökelpoisen teollisuudessa.

Käyttökohteet ydinreaktoreissa

Se on laajalti käytetty ydinreaktoreissa, koska se kykenee tuottamaan riittävästi neutroneja ydinfissioreaktion ylläpitämiseksi tai jatkamiseksi. Se tarvitsee kuitenkin neutronimoderaattorin, joka auttaa sitä ylläpitämään ketjureaktiota hidastamalla neutroneita. Tämä johtuu siitä, että U-235:n pitoisuus on hyvin pieni luonnossa esiintyvässä uraanissa. Joskus ydinreaktoreissa käytetään myös säätösauvoja hidastamaan koko prosessia. Säätösauvat on valmistettu boorin ja kadmiumin kaltaisista alkuaineista, jotka pystyvät absorboimaan ylimääräiset alfahiukkaset ilman, että ne itse fissioivat. Moderaattoreiden ja säätösauvojen avulla luonnollista uraani-235:tä voidaan käyttää teollisiin tarkoituksiin. Sitä käytetään syrjäseutujen sääasemien ja avaruusajoneuvojen virtalähteenä.

Uraani-235:llä rikastettua uraanimetallia käytetään raskasvesireaktoreissa, kun taas kevytvesireaktoreissa käytetään matalasti rikastettua uraania.

Käyttökohteet ydinaseissa

Tätä radioaktiivista metallia käytetään toisinaan ydinaseiden valmistuksessa köyhdytetyn uraanin korvikkeena. Korkeasti rikastettua uraania käytettiin Little Boy -nimisessä atomipommissa, joka pudotettiin Hiroshimaan 2. maailmansodan aikana (6. elokuuta 1945).

Käyttökohteet radioaktiivisessa ajoituksessa

Tämän isotoopin radioaktiivisia ominaisuuksia käytetään monien esineiden, kuten fossiilien ja kivien iän määrittämiseen. Tämän metallin pitkä puoliintumisaika auttaa selvittämään näiden esineiden oikean iän.

Miten uraani-235 voi vaikuttaa ihmisen terveyteen?

Tämä radioaktiivinen aine voi joutua ihmiskehoon hengittämällä tai nauttimalla saastunutta ruokaa tai vettä. Suurin osa hengitetystä tai niellystä U-235:stä poistuu elimistöstä lukuun ottamatta pientä osaa, joka jää kertymään munuaisiin tai luihin hajoamaan. Se lisää maksavaurion ja syövän riskiä.

Uraani-235:tä voidaan käyttää runsaana energianlähteenä. Yksi kilo tätä radioaktiivista ainetta sisältää saman määrän energiaa kuin miljoona gallonaa bensiiniä. Jotta tästä metallista saataisiin näin paljon energiaa, on luonnossa esiintyvää uraania rikastettava siten, että se sisältää vähintään 2-3 % uraani-235:tä pelkän 0,72 %:n sijaan.