Уран-233

Делящийся изотоп урана

Уран-233 (²³³
У
или U-233 ) — это делящийся изотоп урана , который производится из тория-232 в рамках ториевого топливного цикла . Уран-233 исследовался для использования в ядерном оружии и в качестве реакторного топлива . ^[2] Он успешно использовался в экспериментальных ядерных реакторах и был предложен для более широкого использования в качестве ядерного топлива . Его период полураспада составляет 160 000 лет.

Уран-233 получается при нейтронном облучении 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, а бета-распад приводит к образованию урана-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 экономичность (если он не попадает в окно ²³³ U, следующей делящейся целью становится ²³⁵ U, что означает, что для запуска деления необходимо всего 4 нейтрона).

²³³ U обычно делится при поглощении нейтронов , но иногда сохраняет нейтрон, превращаясь в уран-234 . Как для тепловых, так и для быстрых нейтронов отношение захвата к делению урана-233 меньше, чем у двух других основных видов делящегося топлива, урана-235 и плутония-239 . ^[3]

Расщепляющийся материал

Эксперимент с реактором на расплавленной соли

Атомная электростанция Шиппингпорт

Немецкий THTR-300

В 1946 году общественность впервые узнала об уране-233, полученном из тория, как о «третьем доступном источнике ядерной энергии и атомных бомб» (в дополнение к урану-235 и плутонию-239 ), после доклада Организации Объединенных Наций и речи Гленна Т. Сиборга . ^{[4] [5]}

В течение Холодной войны Соединенные Штаты произвели около 2 тонн урана-233 различной химической и изотопной чистоты. ^[2] Они были произведены на полигонах в Хэнфорде и Саванна-Ривер в реакторах, которые были спроектированы для производства плутония-239. ^[6]

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 получен как в быстрых реакторах , так и в тепловых реакторах , в отличие от топливных циклов на основе урана-238 , которые требуют превосходной нейтронной экономичности быстрого реактора для производства плутония, то есть для производства большего количества делящегося материала, чем потребляется.

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

Энергия, высвобождаемая

При делении одного атома урана-233 выделяется 197,9 МэВ = 3,171·10−11 ^Дж (т.е. 19,09 ТДж/ моль = 81,95 ТДж/кг = 22764 МВт·ч/кг, что в 1,8 миллиона раз больше, чем та же масса дизельного топлива). ^[7]

Материал оружия

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

Как потенциальный оружейный материал, чистый уран-233 больше похож на плутоний-239, чем на уран-235 с точки зрения источника (воспроизведенный против природного), периода полураспада и критической массы (оба 4–5 кг в бериллиевой отражающей сфере). ^[8] В отличие от реакторного плутония, он имеет очень низкую скорость спонтанного деления , что в сочетании с его низкой критической массой изначально сделало его привлекательным для компактного оружия пушечного типа , такого как артиллерийские снаряды малого диаметра . ^[9]

В рассекреченной записке 1966 года из ядерной программы США говорилось, что уран-233 показал себя весьма удовлетворительным материалом для оружия, хотя он превосходил плутоний только в редких случаях. Утверждалось, что если бы существующее оружие было основано на уране-233 вместо плутония-239, Ливермор не был бы заинтересован в переходе на плутоний. ^[10]

Совместное присутствие урана-232 ^[11] может усложнить производство и использование урана-233, хотя меморандум Ливермора указывает на вероятность того, что это осложнение можно обойти. ^[10]

Хотя, таким образом, возможно использование урана-233 в качестве расщепляющегося материала ядерного оружия , оставляя в стороне предположения ^[12] , имеется мало общедоступной информации о том, что этот изотоп фактически использовался в военных целях:

• Соединенные Штаты взорвали экспериментальное устройство в ходе испытания Operation Teapot "MET" 1955 года, в котором использовалась композитная яма из плутония/ ²³³ U ; ее конструкция была основана на яме из плутония/ ²³⁵ U из TX-7E, прототипа конструкции ядерной бомбы Mark 7, использованной в испытании Operation Buster-Jangle "Easy" 1951 года. Хотя это и не было полным провалом , фактическая мощность MET в 22 килотонны была существенно ниже прогнозируемых 33 кт, поэтому собранная информация имела ограниченную ценность. ^{[13] [14]}
• В том же году Советский Союз взорвал свою первую водородную бомбу РДС-37 , которая содержала делящееся ядро ​​из ^235U и ^233U . ^[15]
• В 1998 году в рамках испытаний «Покхран-II» Индия взорвала экспериментальное устройство на основе 233U ^малой мощности (0,2 кт), названное «Шакти V». ^{[16] [17]}

Реактор B и другие реакторы на объекте в Хэнфорде, оптимизированные для производства оружейного материала, использовались для производства ²³³ U. ^{[18] [19] [20] [21]}

Предполагается, что в целом Соединенные Штаты произвели две тонны ²³³ U различной степени чистоты, некоторые из которых содержали примеси ²³² U всего лишь 6 ppm. ^[22]

232примесь урана

Производство ²³³ U (путем облучения тория-232 ) неизменно приводит к образованию небольших количеств урана-232 в качестве примеси из-за паразитных (n,2n) реакций на самом уране-233, или 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 включает реакцию захвата нейтронов на небольших количествах тория-230 , который представляет собой малую часть природного тория, присутствующего из-за распада урана-238 :

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

Цепочка распада 232 U быстро дает сильные излучатели гамма ^- излучения . Таллий-208 является самым сильным из них, с энергией 2,6 МэВ:

²³² U (α, 68,9 лет)

^228Th (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 ручную обработку в перчаточном боксе только с легкой защитой (как это обычно делается с плутонием ) слишком опасной (за исключением, возможно, короткого периода сразу после химического разделения урана от продуктов его распада) и вместо этого требует сложных дистанционных манипуляций для изготовления топлива.

Опасности значительны даже при 5 частях на миллион . Для имплозивного ядерного оружия требуются уровни ²³² U ниже 50 ppm (выше которых ²³³ U считается «низкокачественным»; ср. «Стандартный оружейный плутоний требует содержания ²⁴⁰ Pu не более 6,5%», что составляет 65 000 ppm, а аналогичный ²³⁸ Pu производился на уровнях 0,5% (5000 ppm) или меньше). Для оружия деления пушечного типа также требуются низкие уровни (в диапазоне 1 ppm) легких примесей, чтобы поддерживать генерацию нейтронов на низком уровне. ^{[11] [23]}

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 трансмутирует в ²³² U), 2) замедление падающих нейтронов до энергии не выше 6 МэВ (слишком высокоэнергетические нейтроны 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 деления самого ²³³ U (что привело бы к образованию энергичных нейтронов). ^{[22] [24]}

В эксперименте с реактором на расплавленной соли (MSRE) использовался ^233U , выращенный в легководных реакторах , таких как Indian Point Energy Center , что составляло около 220 ppm ^232U . ^[25]

Дополнительная информация

Торий, из которого образуется ²³³ U, примерно в три-четыре раза более распространен в земной коре, чем уран. ^{[26] [27]} Цепочка распада ²³³ U сама по себе является частью серии нептуния , цепочки распада его прародителя ²³⁷ Np.

Применение урана-233 включает производство медицинских изотопов актиния-225 и висмута-213 , которые являются его дочерними элементами, ядерные реакторы малой массы для космических полетов, использование в качестве изотопного индикатора , исследования ядерного оружия и исследования реакторного топлива, включая ториевый топливный цикл . ^[2]

Радиоизотоп 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 на жидком фториде тория

Примечания

1. "Уран-233 на ядерном объекте в Хэнфорде" (PDF) . Департамент здравоохранения штата Вашингтон, Отдел охраны окружающей среды, Управление радиационной защиты. Декабрь 2002 г.
2. CW Forsburg; LC Lewis (24 сентября 1999 г.). «Использование урана-233: что следует сохранить для будущих нужд?» (PDF) . Ornl-6952 . Национальная лаборатория Оук-Ридж.
3. "Capture-to-fission Ratio". nuclear-power.com . Получено 26 июня 2024 г. .
4. «Секрет атомной энергии, изложенный на понятном публике языке». Pittsburgh Press . United Press . 29 сентября 1946 г. Получено 18 октября 2011 г.
5. "Третий ядерный источник обнажен". The Tuscaloosa News . United Press . 21 октября 1946 г. Получено 18 октября 2011 г.
6. Орт, ДА (1 июня 1978 г.). «Опыт переработки тория на заводе Savannah River». Ядерные технологии . 43 : 63–74. doi : 10.13182/NT79-A16175.
7. "Ядерное деление 4.7.1". kayelaby.npl.co.uk . Получено 21 апреля 2018 г. .
8. Справочник по распространению ядерного оружия. Комитет по правительственным делам. Подкомитет по энергетике, N. Распространение., Соединенные Штаты. Конгресс. Палата представителей. Комитет по иностранным делам. Подкомитет по международной экономической политике и торговле., Соединенные Штаты. Конгресс. Палата представителей. Комитет по иностранным делам. Подкомитет по контролю над вооружениями, I. Безопасность. 1985. стр. 295. Получено 29 ноября 2019 г.
9. Хансен, Чак (2007). Мечи Армагеддона: Развитие ядерного оружия США с 1945 года, Версия 2. Chuckelea Publications. С. I-262, I-270.
10. Woods, WK (10 февраля 1966 г.). "LRL interest in U-233". Соединенные Штаты . DUN-677. doi :10.2172/79078. OSTI  79078.
11. Langford, R. Everett (2004). Введение в оружие массового поражения: радиологическое, химическое и биологическое . Хобокен, Нью-Джерси : John Wiley & Sons . стр. 85. ISBN 0471465607.«США испытали несколько бомб на основе урана-233, но наличие урана-232 в уране-233 было проблемой; уран-232 является обильным альфа-излучателем и имеет тенденцию «отравлять» бомбу на основе урана-233, выбивая случайные нейтроны из примесей в материале бомбы, что приводит к возможной предварительной детонации. Отделение урана-232 от урана-233 оказалось очень сложным и непрактичным. Бомба на основе урана-233 так и не была развернута, поскольку плутоний-239 становился обильным».
12. Агравал, Джай Пракаш (2010). Высокоэнергетические материалы: ракетное топливо, взрывчатые вещества и пиротехника. Wiley-VCH . С. 56–57. ISBN 978-3-527-32610-5. Получено 19 марта 2012 г.вкратце говорится, что U233 «считается компонентом индийской оружейной программы из-за наличия тория в изобилии в Индии», и может находиться и в другом месте.
13. "Операция Чайник". Архив ядерного оружия . 15 октября 1997 г. Получено 9 декабря 2008 г.
14. "Операция Buster-Jangle". Архив ядерного оружия . 15 октября 1997 г. Получено 18 марта 2012 г.
15. Стивен Ф. Эшли. "Торий и его роль в ядерном топливном цикле" . Получено 16 апреля 2014 г.Страница PDF 8, ссылка: Д. Холлоуэй, «Советские термоядерные разработки», Международная безопасность 4:3 (1979–80) 192–197.
16. Раджат Пандит (28 августа 2009 г.). «Forces gung-ho on N-arsenal». The Times of India . Архивировано из оригинала 21 мая 2013 г. Получено 20 июля 2012 г.
17. "Программа создания ядерного оружия Индии – Операция Шакти: 1998". 30 марта 2001 г. Получено 21 июля 2012 г.
18. "Историческое использование тория в Хэнфорде" (PDF) . hanfordchallenge.org . Архивировано из оригинала (PDF) 12 мая 2013 г. . Получено 21 апреля 2018 г. .
19. "Хронология важных документов FOIA: полусекретная кампания по производству тория из U-233 в Хэнфорде" (PDF) . hanfordchallenge.org . Архивировано из оригинала (PDF) 15 октября 2012 г. . Получено 21 апреля 2018 г. .
20. "Вопросы и ответы по урану-233 в Хэнфорде" (PDF) . radioactivist.org . Получено 21 апреля 2018 г. .
21. "Радиоактивность в местах нереста лосося в Ханфорде" (PDF) . clarku.edu . Получено 21 апреля 2018 г. .
22. Роберт Альварес. «Управление запасами урана-233 в Соединенных Штатах» (PDF) . Наука и глобальная безопасность.
23. Часто задаваемые вопросы о ядерных материалах
24. Патент США 4393510 
25. SA LFTR Energy (Pty.) Ltd. «Превосходные преимущества конструкции жидкофторидного ториевого реактора (LFTR) по сравнению со всеми другими конструкциями ядерных реакторов с упором на его антираспространенческие характеристики» (PDF) . Южноафриканский независимый проект LFTR Power Producer. стр. 10.
26. "Распространенность в земной коре: периодичность". WebElements.com. Архивировано из оригинала 23 мая 2008 г. Получено 12 апреля 2014 г.
27. "It's Elemental — The Periodic Table of Elements". Jefferson Lab. Архивировано из оригинала 29 апреля 2007 г. Получено 14 апреля 2007 г.