Уран-233

Делящийся изотоп урана

Уран-233 ( ²³³ U или U-233 ) — делящийся изотоп урана , получаемый из тория-232 в рамках ториевого топливного цикла . Уран-233 исследовался на предмет использования в ядерном оружии и в качестве реакторного топлива . ^[2] 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 превращается в торий-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 с образованием урана-233; некоторые предлагаемые конструкции реакторов на расплавах солей пытаются физически изолировать протактиний от дальнейшего захвата нейтронов до того, как может произойти бета-распад, чтобы сохранить нейтронную экономику (если он не попадает в окно ²³³ U, следующей делящейся целью будет ²³⁵ U, что означает всего 4 нейтрона необходимо для запуска деления).

²³³ U обычно делится при поглощении нейтронов , но иногда сохраняет нейтроны, превращаясь в уран-234 . Отношение захвата к делению урана-233 меньше, чем у двух других основных делящихся видов топлива, урана-235 и плутония-239 . ^{[ нужна цитата ]}

Делящийся материал

Эксперимент с реактором на расплавленной соли

Атомная электростанция Шиппорта

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» (помимо урана-235 и плутония-239 ), после доклада Организации Объединенных Наций и выступления Гленн Т. Сиборг . ^{[3] [4]}

В ходе Холодной войны Соединенные Штаты произвели около 2 метрических тонн урана-233 различной степени химической и изотопной чистоты. ^[2] Они были произведены на площадках в Хэнфорде и на площадке в Саванне-Ривер в реакторах, предназначенных для производства плутония-239. ^[5]

Ядерное топливо

Уран-233 использовался в качестве топлива в нескольких типах реакторов и предлагается в качестве топлива для нескольких новых конструкций (см. ториевый топливный цикл) , все из которых производят его из тория. Уран-233 можно производить либо в быстрых реакторах , либо в тепловых реакторах , в отличие от топливных циклов на основе урана-238 , которые требуют превосходной нейтронной экономии быстрого реактора для производства плутония, то есть для производства большего количества делящегося материала, чем потребляется. .

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

Высвобожденная энергия

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 МВтч/кг, что в 1,8 миллиона раз больше, чем у дизельного топлива той же массы). ^[6]

Материал оружия

Первый взрыв ядерной бомбы, включавшей U-233, 15 апреля 1955 года.

Как потенциальный оружейный материал, чистый уран-233 больше похож на плутоний-239, чем на уран-235, с точки зрения источника (выращенного или природного), периода полураспада и критической массы (оба 4–5 кг в отражающей бериллии сфере). ^[7] В отличие от плутония, полученного в реакторе, он имеет очень низкую скорость самопроизвольного деления , что в сочетании с его низкой критической массой сделало его изначально привлекательным для компактного оружия артиллерийского типа , такого как артиллерийские снаряды малого диаметра . ^[8]

В рассекреченном меморандуме ядерной программы США от 1966 года говорилось, что уран-233 оказался весьма удовлетворительным в качестве оружейного материала, хотя он превосходил плутоний лишь 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. ^[9]

Совместное присутствие урана-232 ^[10] может затруднить производство и использование урана-233, хотя Ливерморский меморандум указывает на вероятность того, что это осложнение можно обойти. ^[9]

Хотя, таким образом, можно использовать уран-233 в качестве расщепляющегося материала ядерного оружия , если оставить в стороне предположения ^[11] , общедоступной информации о том, что этот изотоп действительно был использован в качестве оружия, очень мало:

• Соединенные Штаты взорвали экспериментальное устройство в ходе испытания « Чайник «МЕТ» в 1955 году, в котором использовалась яма из композита плутония и урана - ²³³ ; его конструкция была основана на яме с плутонием и ²³⁵ U от TX-7E, прототипа конструкции ядерной бомбы Mark 7, использовавшейся в испытании «Легкий» операции Buster-Jangle в 1951 году . Хотя это и не полный провал , фактическая мощность MET в 22 килотонны была значительно ниже прогнозируемых 33 килотонн, поэтому собранная информация имела ограниченную ценность. ^{[12] [13]}
• В том же году Советский Союз взорвал свою первую водородную бомбу РДС-37 , содержащую делящееся ядро ​​из ²³⁵ U и ²³³ U. ^[14]
• В 1998 году в рамках испытаний «Похран-II» Индия взорвала экспериментальное ^233- урановое устройство малой мощности (0,2 кт) под названием «Шакти-В». ^{[15] [16]}

Реактор B и другие реакторы на Хэнфордской площадке, оптимизированные для производства оружейного материала, использовались для производства ²³³ U. ^{[17] [18] [19] [20]}

Всего в Соединенных Штатах, как полагают, было произведено две тонны ²³³ U различной степени чистоты, в некоторых из которых содержание примеси ²³² U составляло всего 6 частей на миллион. ^[21]

примесь 232 U

При производстве урана- ²³³ (путем облучения тория-232 ) неизменно образуются небольшие количества урана-232 в качестве примеси из-за паразитных (n,2n) реакций на самом уране-233, или на протактинии-233 , или на тории-233. 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 крошечную часть 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 ²³² U быстро приводит к появлению сильных излучателей гамма-излучения . Таллий-208 — самый сильный из них, его энергия 2,6 МэВ:

²³² U (α, 68,9 лет)

²²⁸ Th (α, 1,9 лет)

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

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

²¹⁶ По (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, γ 2,6 МэВ)

²⁰⁸ Pb (стабильный)

Это делает ручное обращение в перчаточном боксе только со светозащитой (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 дистанционных манипуляций для изготовления топлива. .

Опасности значительны даже при концентрации 5 частей на миллион . Имплозионное ядерное оружие требует содержания урана ^-232 ниже 50 частей на миллион (выше этого уровня уран ^-233 считается «низкосортным»; ср. «Для стандартного плутония оружейного качества требуется содержание плутония 240 не более 6,5%», что составляет 65 000 частей на миллион, а аналогичный ²³⁸ Pu производился в концентрации 0,5% (5000 частей на миллион) или менее). Оружию деления пушечного типа дополнительно необходимы низкие уровни (диапазон 1 ppm) легких примесей, чтобы поддерживать низкое образование нейтронов. ^{[10] [22]}

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, чтобы энергия не выше 6 МэВ (нейтроны слишком высоких энергий вызывают реакцию ²³² Th (n,2n) → ²³¹ Th) и 3) удаление образца тория из нейтронного потока до того, как концентрация ²³³ U достигнет слишком высокого уровня, во избежание деления самого ²³³ U (которое приведет к образованию энергичных нейтронов). ^{[21] [23]}

В эксперименте с реактором на расплавленной соли (MSRE) использовался ²³³ U, выращенный в легководных реакторах , таких как Энергетический центр Индиан-Пойнт , что составляло около 220 частей на миллион ²³² U. ^[24]

Дальнейшая информация

Тория, из которого образуется ²³³ U, в земной коре примерно в три-четыре раза больше, чем урана. ^{[25] [26]} Цепь распада ²³³ U сама по себе является частью ряда нептуния , цепи распада его прародителя ²³⁷ Np.

Использование урана-233 включает производство медицинских изотопов актиния-225 и висмута-213 , которые входят в число его дочерних элементов, ядерные реакторы малой массы для космических путешествий, 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 жидкого фторида тория

Примечания

1. «Уран-233 на ядерной площадке в Хэнфорде» (PDF) . Департамент здравоохранения штата Вашингтон, Отдел гигиены окружающей среды, Управление радиационной защиты. Декабрь 2002 года.
2. CW Форсбург; LC Льюис (24 сентября 1999 г.). «Использование урана-233: что следует сохранить для будущих нужд?» (PDF) . Орнл-6952 . Окриджская национальная лаборатория.
3. «Секрет атомной энергии, изложенный на языке, понятном публике» . Питтсбург Пресс . Юнайтед Пресс . 29 сентября 1946 года . Проверено 18 октября 2011 г.
4. "Третий обнаженный ядерный источник" . Новости Таскалузы . Юнайтед Пресс . 21 октября 1946 года . Проверено 18 октября 2011 г.
5. Орт, Д.А. (1 июня 1978 г.). «Опыт переработки тория на заводе в Саванне Ривер». Ядерные технологии . 43 : 63–74. дои : 10.13182/NT79-A16175.
6. «Деление ядра 4.7.1». kayelaby.npl.co.uk . Проверено 21 апреля 2018 г.
7. Справочник фактов по распространению ядерного оружия. Комитет по делам правительства. Подкомитет по энергетике, Н. Распространение, США. Конгресс. Дом. Комитет по иностранным делам. Подкомитет по международной экономической политике и торговле., США. Конгресс. Дом. Комитет по иностранным делам. Подкомитет по контролю над вооружениями, I. Безопасность. 1985. с. 295 . Проверено 29 ноября 2019 г.
8. Хансен, Чак (2007). Мечи Армагеддона: Развитие ядерного оружия США с 1945 года, Версия 2 . Публикации Чукелеи. стр. И-262, И-270.
9. Вудс, WK (10 февраля 1966 г.). «Интерес LRL к U-233». Соединенные Штаты . ДУН-677. дои : 10.2172/79078. ОСТИ  79078.
10. Лэнгфорд, Р. Эверетт (2004). Введение в оружие массового поражения: радиологическое, химическое и биологическое . Хобокен, Нью-Джерси : John Wiley & Sons . п. 85. ИСБН 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» бомбу с ураном-233, сбивая ее с места. нейтроны из примесей в материале бомбы, что привело к возможной предварительной детонации. Отделение урана-232 от урана-233 оказалось очень трудным и непрактичным. Бомба с ураном-233 так и не была развернута, поскольку плутония-239 становилось много. ."
11. Агравал, Джай Пракаш (2010). Высокоэнергетические материалы: ракетное топливо, взрывчатые вещества и пиротехника. Вайли-ВЧ . стр. 56–57. ISBN 978-3-527-32610-5. Проверено 19 марта 2012 г.кратко говорится, что U233 «считается компонентом индийской программы вооружения из-за наличия тория в изобилии в Индии», а также может быть где-то еще.
12. «Операция Чайник». Архив ядерного оружия . 15 октября 1997 года . Проверено 9 декабря 2008 г.
13. "Операция Бастер-Джангл" . Архив ядерного оружия . 15 октября 1997 года . Проверено 18 марта 2012 г.
14. Стивен Ф. Эшли. «Торий и его роль в ядерном топливном цикле» . Проверено 16 апреля 2014 г.Страница PDF 8, цитирование: Д. Холлоуэй, «Советское термоядерное развитие», International Security 4:3 (1979–80) 192–197.
15. Раджат Пандит (28 августа 2009 г.). «Формирование энтузиазма на N-арсенале». Таймс оф Индия . Проверено 20 июля 2012 г.
16. «Индийская программа создания ядерного оружия - Операция Шакти: 1998» . 30 марта 2001 года . Проверено 21 июля 2012 года .
17. «Историческое использование тория в Хэнфорде» (PDF) . hanfordchallenge.org . Архивировано из оригинала (PDF) 12 мая 2013 года . Проверено 21 апреля 2018 г.
18. «Хронология важных документов FOIA: полусекретная кампания Хэнфорда по производству тория и U-233» (PDF) . hanfordchallenge.org . Архивировано из оригинала (PDF) 15 октября 2012 года . Проверено 21 апреля 2018 г.
19. «Вопросы и ответы по урану-233 в Хэнфорде» (PDF) . Radioactivist.org . Проверено 21 апреля 2018 г.
20. «Хэнфордская радиоактивность в нерестилищах лосося» (PDF) . Clarku.edu . Проверено 21 апреля 2018 г.
21. Роберт Альварес. «Управление запасами урана-233 в США» (PDF) . Наука и глобальная безопасность.
22. Часто задаваемые вопросы по ядерным материалам
23. Патент США 4393510. 
24. SA LFTR Energy (Pty.) Ltd. «Превосходные конструктивные преимущества жидкофторидного ториевого реактора (LFTR) перед всеми другими конструкциями ядерных реакторов с упором на его антираспространяющие свойства» (PDF) . Проект независимого производителя электроэнергии LFTR в Южной Африке. п. 10.
25. «Изобилие в земной коре: периодичность». WebElements.com. Архивировано из оригинала 23 мая 2008 года . Проверено 12 апреля 2014 г.
26. «Это элементарно - Периодическая таблица элементов» . Джефферсонская лаборатория. Архивировано из оригинала 29 апреля 2007 года . Проверено 14 апреля 2007 г.