Уран-233 - Uranium-233

Для использования в других целях см. U-233 (значения).

Уран-233,²³³U

An ампула содержащие затвердевшие кусочки FLiBe и тетрафторид урана-233 смесь
Общий
Символ	^233U
Имена	уран-233, U-233
Протоны	92
Нейтронов	141
Данные о нуклидах
Период полураспада	160 000 лет[1]
Родительские изотопы	^237Пу  (α ) ^233Np  (β^+ ) ^233Па  (β^− )
Продукты распада	^229Чт
Изотопная масса	233.039 ты
Изотопы урана Полная таблица нуклидов

Уран-233 (²³³U) является делящийся изотоп урана это выведено из торий-232 как часть ториевый топливный цикл. Уран-233 исследовался на предмет использования в ядерное оружие и как реакторное топливо.^[2] Он успешно использовался в экспериментальных ядерные реакторы и был предложен для более широкого использования в качестве ядерное топливо. Оно имеет период полураспада 160 000 лет.

Уран-233 производится нейтрон облучение тория-232. Когда торий-232 поглощает нейтрон, он становится торий-233, период полураспада которого составляет всего 22 минуты. Торий-233 распадается на протактиний -233 через бета-распад. Протактиний-233 имеет период полураспада 27 дней, и бета-распад превращается в уран-233; некоторые предложили реактор с расплавленной солью В конструкции делается попытка физически изолировать протактиний от дальнейшего захвата нейтронов до того, как может произойти бета-распад, чтобы поддерживать нейтронная экономика (если он пропускает ²³³U окно, следующая делящаяся мишень ²³⁵U, что означает всего 4 нейтрона, необходимых для запуска деления).

²³³U обычно делится на поглощение нейтронов, но иногда сохраняет нейтрон, становясь уран-234. Отношение захвата к делению урана-233 меньше, чем у двух других основных делящихся топлив, уран-235 и плутоний-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 уран-235 и плутоний-239 ), следуя Объединенные Нации отчет и выступление Гленн Т. Сиборг.^[3][4]

Соединенные Штаты произвели в течение Холодная война, примерно 2 метрических тонны урана-233 с различными уровнями химической и изотопной чистоты.^[2] Они были произведены на Хэнфорд сайт и Сайт реки Саванна в реакторах, предназначенных для производства плутония-239.^[5]

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 выводят его из тория. Уран-233 можно разводить как в быстрые реакторы или же тепловые реакторы, в отличие от уран-238 -основан топливные циклы которые требуют высшего нейтронная экономика из быстрый реактор чтобы производить плутоний, то есть производить больше расщепляющегося материала, чем потребляется.

Долгосрочная стратегия ядерно-энергетическая программа Индии, обладающая значительными запасами тория, должна перейти к ядерной программе по выращиванию урана-233 из ториевого сырья.

Высвобожденная энергия

При делении одного атома урана-233 образуется 197,9 МэВ = 3.171·10⁻¹¹ Дж (т.е. 19,09 ТДж /моль = 81,95 ТДж / кг).^[6]

Источник	Средняя энергия выпущен (МэВ)
Мгновенно высвобождаемая энергия
Кинетическая энергия осколков деления	168.2
Кинетическая энергия мгновенных нейтронов	004.8
Энергия, переносимая стремительными γ-лучами	007.7
Энергия от распадающихся продуктов деления
Энергия β - частиц	005.2
Энергия антинейтрино	006.9
Энергия запаздывающих γ-лучей	005.0
Сумма (исключая убегающие антинейтрино)	191.0
Энергия, выделяющаяся при захвате быстрых нейтронов, которые не (повторно) производят деление	009.1
Энергия превращается в тепло в работающем тепловом ядерном реакторе	200.1

Материал оружия

Первый взрыв ядерной бомбы, включающей 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 критическая масса (оба по 4–5 кг в отраженной бериллием сфере).^[7]

В 1994 году правительство США рассекретило меморандум 1966 года, в котором говорится, что уран-233 оказался весьма подходящим в качестве оружейного материала, хотя в редких случаях он превосходит плутоний. Утверждалось, что если существующее оружие было основано на уране-233 вместо плутония-239, Ливермор не будет заинтересован в переходе на плутоний.^[8]

Совместное присутствие уран-232^[9] может усложнить производство и использование урана-233, хотя меморандум Ливермора указывает на вероятность того, что это затруднение можно обойти.^[8]

Таким образом, можно использовать уран-233 в качестве делящегося материала ядерное оружие, спекуляции^[10] кроме того, имеется скудная общедоступная информация о том, что этот изотоп фактически использовался в качестве оружия:

• США взорвали экспериментальное устройство в 1955 г. Операция Чайник Тест «МЕТ», в котором использовался плутоний /²³³U композитная яма; его конструкция была основана на плутонии /²³⁵Яма U от TX-7E, прототип Ядерная бомба Mark 7 конструкция, использованная в 1951 г. Операция Buster-Jangle «Легкий» тест. Хотя не совсем шипеть, Фактическая доходность НДПИ 22 килотонны была значительно ниже прогнозируемых 33 узлов, поэтому собранная информация имела ограниченную ценность.^[11][12]
• В Советский союз взорвал свой первый водородная бомба в том же году РДС-37, который содержал делящееся ядро ​​из ²³⁵U и ²³³U.^[13]
• В 1998 г. в рамках Похран-II испытаний, Индия взорвала экспериментальный ²³³U устройство малодоходный (0,2 кт) под названием Shakti V.^[14][15]

В Реактор B и другие на Хэнфорд сайт оптимизирован для производства оружейный материал был использован для изготовления ²³³U.^{[16][17][18][19]}

В целом считается, что Соединенные Штаты произвели две тонны ²³³U, разной степени чистоты, некоторые с ²³²Содержание примеси U всего 6 ppm.^[20]

²³²Примесь урана

Изготовление ²³³U (при облучении торий-232 ) неизменно производит небольшое количество уран-232 в качестве примеси из-за паразитных (n, 2n) реакций на самом уране-233 или на протактиний-233, или на тории-232:

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

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

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

Другой канал связан с реакцией захвата нейтронов на небольших количествах торий-230, который представляет собой крошечную долю природного тория, присутствующего в результате распада уран-238:

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

В цепочка распада из ²³²U быстро дает сильный гамма-излучение излучатели. Таллий-208 является самым сильным из них (2,6 МэВ):

²³²U (α, 68,9 у)

²²⁸Th (α, 1,9 года)

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

²²⁰Rn (α, 6,29 МэВ, 56 с, при γ 0,54 МэВ)

²¹⁶Po (α, 0,15 с)

²¹²Pb (β-, 10,64 ч)

²¹²Bi (α, 61 мин, 0,78 МэВ)

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

²⁰⁸Pb (стабильный)

Это делает ручную обработку в бардачок только с экранированием света (как обычно плутоний ) слишком опасны (за исключением, возможно, короткого периода времени сразу после химического отделения урана от продуктов его распада) и вместо этого требуют сложных удаленное манипулирование для изготовления топлива.

Опасности значительны даже при 5 частей на миллион. Имплозивное ядерное оружие требовать ²³²Уровни U ниже 50 ppm (выше которого ²³³U считается «низкосортным»; ср. «Стандартный оружейный плутоний требует ²⁴⁰Пу содержание не более 6,5% », что составляет 65000 ppm, и аналогичный ²³⁸Пу был произведен с уровнями 0,5% (5000 частей на миллион) или меньше). Оружие деления пушечного типа дополнительно требуются низкие уровни (диапазон 1 ppm) легких примесей, чтобы поддерживать низкую генерацию нейтронов.^[9][21]

Производство «чистых» ²³³U, низкий уровень ²³²U, требует нескольких факторов: 1) получение относительно чистого ²³²Источник Th, низкий уровень ²³⁰Th (который также трансмутируется в ²³²U), 2) замедление падающих нейтронов до энергии не выше 6 МэВ (нейтроны слишком высокой энергии вызывают ²³²Th (n, 2n) → ²³¹Th реакции) и 3) удаление образца тория из нейтронного потока перед ²³³Концентрация U возрастает до слишком высокого уровня, чтобы избежать расщепления ²³³Сам U (который будет производить энергичные нейтроны).^[20][22]

В Эксперимент в реакторе с расплавленной солью (MSRE) б / у ²³³U, выведен в легководные реакторы Такие как Индийский энергетический центр, это было около 220 частей на миллион ²³²U.^[23]

Дальнейшая информация

Торий, из которого ²³³Уран разводится, его в земной коре примерно в три-четыре раза больше, чем урана.^[24][25]Цепочка распада ²³³Сам U является частью нептуний ряд Цепочка распада его дедушки и бабушки ²³⁷Np.

Использование урана-233 включает производство медицинских изотопов. актиний-225 и висмут-213 которые входят в число его дочерей, маломассивные ядерные реакторы для космических путешествий, которые используются в качестве изотопный индикатор, исследования ядерного оружия и исследования реакторного топлива, включая ториевый топливный цикл.^[2]

В радиоизотоп висмут -213 - продукт распада урана-233; он обещает лечить определенные типы рак, включая острый миелоидный лейкоз и рак поджелудочная железа, почки и другие органы.

Смотрите также

• Реактор-размножитель
• Реактор с жидким фторидом тория

Примечания

1. http://www.doh.wa.gov/portals/1/Documents/Pubs/320-086_u233han_fs.pdf
2. К. В. Форсбург и Л. К. Льюис (24 сентября 1999 г.). «Использование урана-233: что следует сохранить для будущих нужд?» (PDF). Орнл-6952. Национальная лаборатория Ок-Ридж.
3. ВВЕРХ (29 сентября 1946 г.). «Секрет атомной энергии выражен языком, понятным общественности». Питтсбург Пресс. Получено 18 октября 2011.
4. ВВЕРХ (21 октября 1946 г.). "Обнаружен третий ядерный источник". Новости Таскалуса. Получено 18 октября 2011.
5. Орт, Д.А. (1 июня 1978 г.). «Опыт переработки тория завода в Саванна-Ривер». 43. Ядерные технологии: 63.
6. «Ядерное деление 4.7.1». www.kayelaby.npl.co.uk. Получено 21 апреля 2018.
7. Отдел политики в области окружающей среды и природных ресурсов, США. Конгресс. Сенат. (1985). «Справочник по ядерному распространению». Комитет по делам правительства. Подкомитет по энергетике, N. Proliferation., США. Конгресс. Жилой дом. Комитет по иностранным делам. Подкомитет по международной экономической политике и торговле, США. Конгресс. Жилой дом. Комитет по иностранным делам. Подкомитет по контролю над вооружениями, I. Безопасность.: 295. Получено 29 ноябрь 2019.
8. Вудс, W.K. (10 февраля 1966 г.). "Интерес LRL к U-233". Соединенные Штаты. ДУН-677. Дои:10.2172/79078. OSTI  79078.
9. Лэнгфорд, Р. Эверетт (2004). Введение в оружие массового уничтожения: радиологическое, химическое и биологическое. Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья. п. 85. ISBN  0471465607. «США испытали несколько бомб с ураном-233, но наличие урана-232 в уране-233 было проблемой; уран-232 является обильным альфа-излучателем и имеет тенденцию« отравлять »уран-233 бомбу, сбивая случайных ударов. нейтронов от примесей в материале бомбы, что может привести к возможной преждевременной детонации. Отделение урана-232 от урана-233 оказалось очень трудным и непрактичным. Уран-233 бомба так и не была развернута, поскольку плутония-239 становилось много . "
10. Агравал, Джай Пракаш (2010). Высокоэнергетические материалы: топливо, взрывчатые вещества и пиротехника. Вайли-ВЧ. С. 56–57. ISBN  978-3-527-32610-5. Получено 19 марта 2012. вкратце заявляет, что U233 "считается компонентом Оружейная программа Индии из-за наличия тория в изобилии в Индии », а также может быть где-нибудь еще.
11. «Операция Чайник». Архив ядерного оружия. 15 октября 1997 г.. Получено 9 декабря 2008.
12. «Операция Бастер-Джангл». Архив ядерного оружия. 15 октября 1997 г.. Получено 18 марта 2012.
13. Стивен Ф. Эшли. «Торий и его роль в ядерном топливном цикле». Получено 16 апреля 2014. PDF страница 8, цитируется: Д. Холлоуэй, "Советское термоядерное развитие", Международная безопасность 4:3 (1979–80) 192–197.
14. Раджат Пандит (28 августа 2009 г.). "Силы фанатизма на N-арсенале". Таймс оф Индия. Получено 20 июля 2012.
15. "Программа Индии по ядерному оружию - Операция Шакти: 1998". 30 марта 2001 г.. Получено 21 июля 2012.
16. «Историческое использование тория в Хэнфорде» (PDF). hanfordchallenge.org. Архивировано из оригинал (PDF) 12 мая 2013 г.. Получено 21 апреля 2018.
17. «Хронология важных документов FOIA: полусекретный торий Хэнфорда для производственной кампании U-233» (PDF). hanfordchallenge.org. Архивировано из оригинал (PDF) 15 октября 2012 г.. Получено 21 апреля 2018.
18. «Вопросы и ответы по урану-233 в Хэнфорде» (PDF). radioactivist.org. Получено 21 апреля 2018.
19. «Хэнфордская радиоактивность в нерестилищах лосося» (PDF). clarku.edu. Получено 21 апреля 2018.
20. Роберт Альварес "Управление запасами урана-233 в Соединенных Штатах" http://scienceandglobalsecurity.org/archive/sgs21alvarez.pdf
21. Ядерные материалы Часто задаваемые вопросы
22. Патент США 4393510 
23. [1] (см. PDF стр.10)
24. «Изобилие в земной коре: периодичность». WebElements.com. Архивировано из оригинал 23 мая 2008 г.. Получено 12 апреля 2014.
25. "Это элементаль - Периодическая таблица элементов". Jefferson Lab. В архиве из оригинала 29 апреля 2007 г.. Получено 14 апреля 2007.

Более легкий: уран-232	Уран-233 - это изотоп из уран	Тяжелее: уран-234
Продукт распада из: плутоний-237(α ) нептуний-233(β + ) протактиний-233(β− )	Цепочка распада урана-233	Распада к: торий-229(α)