Уран-233 - Uranium-233

Уран-233,  ²³³ U

Ампула , содержащая затвердевшие куски FLiBe и уран-233 тетрафторида смеси
Общий
Условное обозначение	233 U
Имена	уран-233, U-233
Протоны	92
Нейтронов	141
Данные о нуклидах
Период полураспада	160 000 лет
Родительские изотопы	237 Pu  ( α ) 233 Np  ( β + ) 233 Па  ( β - )
Продукты распада	229 Чт
Изотопная масса	233,039 ед.
Изотопы урана Полная таблица нуклидов

Уран-233 ( ²³³ U) представляет собой делящийся изотоп урана, который получают из тория-232 в рамках ториевого топливного цикла . Уран-233 исследовался на предмет использования в ядерном оружии и в качестве реакторного топлива . Он успешно использовался в экспериментальных ядерных реакторах и был предложен для гораздо более широкого использования в качестве ядерного топлива . Его период полураспада составляет 160 000 лет.

Уран-233 получают нейтронным облучением тория-232. Когда торий-232 поглощает нейтрон, он становится торием-233 , период полураспада которого составляет всего 22 минуты. Торий-233 распадается на протактиний- 233 посредством бета-распада . Протактиний-233 имеет период полураспада 27 дней, и бета-распад превращается в уран-233; Некоторые предлагаемые конструкции реакторов на расплавленных солях пытаются физически изолировать протактиний от дальнейшего захвата нейтронов до того, как может произойти бета-распад, чтобы сохранить нейтронную экономию (если он не попадает в окно ²³³ U, следующей делящейся мишенью будет ²³⁵ U, что означает всего 4 нейтрона. необходимо, чтобы вызвать деление).

²³³ U обычно делится при поглощении нейтронов , но иногда сохраняет нейтрон, превращаясь в уран-234 . Отношение захвата к делению урана-233 меньше, чем у двух других основных делящихся топлив, урана-235 и плутония-239 .

Делящийся материал

Эксперимент в реакторе с расплавленной солью

Шиппорт Атомная Электростанция

Немецкий THTR-300

В 1946 году общественность впервые узнала об уране-233, полученном из тория, в качестве «третьего доступного источника ядерной энергии и атомных бомб» (в дополнение к урану-235 и плутонию-239 ) после доклада Организации Объединенных Наций и выступления Гленн Т. Сиборг .

В течение « холодной войны» Соединенные Штаты произвели примерно 2 метрических тонны урана-233 с разным уровнем химической и изотопной чистоты. Они были произведены на площадках Хэнфорд и Саванна-Ривер в реакторах, которые были разработаны для производства плутония-239.

Ядерное топливо

Уран-233 использовался в качестве топлива в нескольких различных типах реакторов и предлагается в качестве топлива для нескольких новых конструкций (см. Ториевый топливный цикл) , все из которых производят его из тория. Уран-233 может быть выведен либо в реакторах на быстрых или тепловых реакторах , в отличии от урана-238 основанных топливных циклов , которые требуют высоких нейтронных экономик от более быстрого реактора для того , чтобы развести плутоний, то есть, чтобы производить больше делящийся материал , чем потребляются .

Долгосрочная стратегия ядерно-энергетической программы Индии , располагающей значительными запасами тория, заключается в переходе к ядерной программе по воспроизводству урана-233 из ториевого сырья.

Высвобожденная энергия

Деление одного атома урана-233 дает 197,9 МэВ = 3,171 · 10 ^-11 Дж (т.е. 19,09 ТДж / моль = 81,95 ТДж / кг).

Материал оружия

Первый взрыв ядерной бомбы, в состав которой входила U-233, 15 апреля 1955 г.

В качестве потенциального оружейного материала чистый уран-233 больше похож на плутоний-239, чем на уран-235, с точки зрения источника (разведение по сравнению с природным), периода полураспада и критической массы (оба 4–5 кг в отраженной бериллием сфере).

В 1994 году правительство США рассекретило меморандум 1966 года, в котором говорится, что уран-233 оказался весьма удовлетворительным в качестве оружейного материала, хотя в редких случаях он превосходит плутоний. Утверждалось, что если бы существующее оружие было основано на уране-233 вместо плутония-239, Ливермор не был бы заинтересован в переходе на плутоний.

Совместное присутствие урана-232 может усложнить производство и использование урана-233, хотя меморандум Ливермора указывает на вероятность того, что это осложнение можно обойти.

Хотя, таким образом, можно использовать уран-233 в качестве расщепляющегося материала ядерного оружия , не говоря уже о спекуляциях, имеется скудная общедоступная информация о том, что этот изотоп фактически использовался в качестве оружия:

• Соединенные Штаты взорвали экспериментальное устройство в 1955 Эксплуатации чайник теста «МЕТЫ» , который использовал плутоний / ²³³ U композитную яму ; его конструкция была основана на яме плутоний / ²³⁵ U из TX-7E, прототипа ядерной бомбы Mark 7, использовавшейся в 1951 году в ходе операции «Легкое» испытание Buster-Jangle . Хотя это и не было явным провалом , фактическая выработка MET в 22 килотонны была значительно ниже прогнозируемых 33 килотонн, поэтому собранная информация имела ограниченную ценность.
• В том же году Советский Союз взорвал свою первую водородную бомбу , РДС-37 , которая содержала делящееся ядро ​​из ²³⁵ U и ²³³ U.
• В 1998 году в рамках испытаний « Покран-II» Индия взорвала экспериментальный ^233- U маломощный (0,2 кт) прибор под названием Shakti V.

В реактор и другие на Хэнфордского Сайт оптимизирован для производства оружейного материала были использованы для производства ²³³ U.

В целом в Соединенных Штатах было произведено две тонны ²³³ U различной степени чистоты, некоторые с содержанием примеси ²³² U всего 6 ppm.

²³² U примесь

При производстве ²³³ U (путем облучения тория-232 ) неизменно образуются небольшие количества урана-232 в качестве примеси из-за паразитных (n, 2n) реакций на самом уране-233, на протактинии-233 или на тории- 232:

²³² Th (n, γ) → ²³³ Th (β−) → ²³³ Па (β−) → ²³³ U (n, 2n) → ²³² U

²³² Th (n, γ) → ²³³ Th (β−) → ²³³ Па (n, 2n) → ²³² Па (β−) → ²³² U

²³² Th (n, 2n) → ²³¹ Th (β−) → ²³¹ Па (n, γ) → ²³² Па (β−) → ²³² U

Другой канал связан с реакцией захвата нейтронов небольшими количествами тория-230 , который представляет собой крошечную долю природного тория, присутствующего в результате распада урана-238 :

²³⁰ Th (n, γ) → ²³¹ Th (β−) → ²³¹ Па (n, γ) → ²³² Па (β−) → ²³² U

Цепочка распада из ²³² U быстро приводит к сильным гамма - излучения эмиттеров. Таллий-208 является самым сильным из них (2,6 МэВ):

²³² U (α, 68.9 у)

²²⁸ Th (α, 1,9 года)

²²⁴ Ra (α, 5,44 МэВ, 3,6 дня, с γ 0,24 МэВ)

²²⁰ Rn (α, 6.29 МэВ, 56 с, с γ 0.54 МэВ)

²¹⁶ Po (α, 0,15 с)

²¹² Pb (β-, 10,64 ч)

²¹² Bi (α, 61 мин, 0,78 МэВ)

²⁰⁸ Tl (β-, 1,8 МэВ, 3 мин, с γ 2,6 МэВ)

²⁰⁸ Pb (стабильный)

Это делает ручное обращение в перчаточном ящике только с защитой от света (как это обычно делается с плутонием ) слишком опасным (за исключением, возможно, короткого периода сразу после химического отделения урана от продуктов его распада) и вместо этого требует сложных удаленных манипуляций для изготовления топлива. .

Опасности значительны даже при 5 частях на миллион . Имплозивное ядерное оружие требует уровней ²³² U ниже 50 частей на миллион (выше которых ²³³ U считается «низкосортным»; ср. «Стандартный оружейный плутоний требует содержания ²⁴⁰ Pu не более 6,5%», что составляет 65000 частей на миллион, и аналог ²³⁸ Pu был произведен в количестве 0,5% (5000 ppm) или меньше). Оружие деления пушечного типа дополнительно требует низких уровней (диапазон 1 ppm) легких примесей, чтобы поддерживать низкую генерацию нейтронов.

Производство «чистого» ²³³ U с низким содержанием ²³² U требует нескольких факторов: 1) получение относительно чистого источника ²³² Th с низким содержанием ²³⁰ Th (который также превращается в ²³² U), 2) замедление падающих нейтронов для получения энергия не выше 6 МэВ (нейтроны слишком высокой энергии вызывают реакцию ²³² Th (n, 2n) → ²³¹ Th) и 3) удаление образца тория из потока нейтронов до того, как концентрация ²³³ U достигнет слишком высокого уровня, чтобы избежать расщепления самого ²³³ U (которое могло бы произвести энергичные нейтроны).

В эксперименте с реактором с расплавленной солью (MSRE) использовался ²³³ U, выведенный в легководных реакторах, таких как Indian Point Energy Center , что составляло около 220 ppm ²³² U.

Дальнейшая информация

Тория, из которого ^{получают 233} U, примерно в три-четыре раза больше в земной коре, чем урана. Цепочка распада ²³³ U сама по себе является частью нептуниевого ряда , цепи распада его прародителя ²³⁷ Np.

Использование урана-233 включает производство медицинских изотопов актиния-225 и висмута-213, которые входят в его число дочерних, маломассивные ядерные реакторы для космических путешествий, использование в качестве изотопного индикатора , исследования ядерного оружия и исследования реакторного топлива, включая ториевого топливного цикла .

Радиоизотопный висмут -213 является продуктом распада урана-233; он перспективен для лечения некоторых видов рака , включая острый миелоидный лейкоз и рак поджелудочной железы , почек и других органов .

Смотрите также

• Реактор-размножитель
• Реактор с жидким фторидом тория

Примечания