אורניום-235

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.

כדוריות ומוט דלק גרעיני

למרות נדירותו היחסית, ²³⁵U הוא האיזוטופ החשוב ביותר בתעשייה הגרעינית, שכן בניגוד ל-²³⁸U 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 ²³⁹Pu ו-²³⁵U, ²³³U הוא אחד משלושת החומרים הבקיעים היחידים בשימוש, והיחידי המצוי באופן טבעי בכדור הארץ.

השיעור הנמוך של ²³⁵U 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 ה-²³⁵U באופן מלאכותי.

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

ביקוע גרעיני כתוצאה מפגיעת נייטרון

התכונה החשובה ביותר של ²³⁵U 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 ²³⁵U הוא יכול להתחבר אליו וליצור גרעין מעורר בלתי-יציב של ²³⁶U, המתפרק מיד לשני גרעינים קטנים יותר (ולעיתים נדירות לשלושה), תוך פליטת מספר נייטרונים, לרוב שניים או שלושה (בממוצע כ-2.5 נייטרונים לביקוע, לעומת ממוצע של כ-3 ב-²³⁹Pu).

קיימים מספר אופני ביקוע אפשריים, חלקם מומחשים בנוסחאות הבאות:

$\ ^{235}U+^{1}n\rightarrow ^{236}U^{*}\rightarrow ^{92}Kr+^{141}Ba+3^{1}n$

$\ ^{235}U+^{1}n\rightarrow ^{236}U^{*}\rightarrow ^{90}Kr+^{144}Ba+2^{1}n$

$\ ^{235}U+^{1}n\rightarrow ^{236}U^{*}\rightarrow ^{90}Rb+^{143}Cs+3^{1}n$

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 ²³⁵U והנייטרון הפוגע, הפרש המשתחרר בצורת אנרגיה. האנרגיה הממוצעת המשתחררת מביקוע גרעין אחד של ²³⁵U 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, ב-²³⁵U, 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 ה-²³⁵U (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.

קישורים חיצוניים

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