Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см U-233 (значения) .

Уран-  233,233 U
FLiBe-Solid.gif
Ампула , содержащая затвердевшие куски
FLiBe и уран-233 тетрафторида смеси
Общий
Символ233 U
Именауран-233, U-233
Протоны92
Нейтронов141
Данные о нуклидах
Период полураспада160 000 лет [1]
Родительские изотопы237 Pu  ( α )
233 Np  ( β + )
233 Па  ( β - )
Продукты распада229 Чт
Изотопная масса233,039 ед.
Изотопы урана
Полная таблица нуклидов

Уран-233 ( 233 U) - делящийся изотоп урана, который образуется 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 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 расплаве солей пытаются физически изолировать протактиний от дальнейшего захвата нейтронов до того, как может произойти бета-распад, для поддержания экономии нейтронов (если он не попадает в окно 233 U, следующей делящейся мишенью будет 235 U, что означает всего 4 нейтрона. необходимо для запуска деления).

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 [ править ]

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 . [3] [4]

Соединенные Штаты произвели в течение холодной войны около 2 метрических тонн урана-233 с разным уровнем химической и изотопной чистоты. [2] Они производились на объектах Хэнфорд и Саванна Ривер в реакторах, которые были разработаны для производства плутония-239. [5]

Ядерное топливо [ править ]

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 выращиванию урана-233 из ториевого сырья.

Высвобожденная энергия [ править ]

Деление одного атома урана-233 дает 197,9 МэВ = 3,171 · 10 -11 Дж (т.е. 19,09 ТДж / моль = 81,95 ТДж / кг). [6]

ИсточникСредняя
выделяемая энергия (МэВ)
Мгновенно высвобождаемая энергия
Кинетическая энергия осколков деления168,2
Кинетическая энергия мгновенных нейтронов00 4.8
Энергия, переносимая стремительными γ-лучами00 7,7
Энергия от распадающихся продуктов деления
Энергия β - частиц00 5,2
Энергия антинейтрино00 6,9
Энергия запаздывающих γ-лучей00 5,0
Сумма (без учета убегающих антинейтрино)191,0
Энергия, выделяющаяся при захвате быстрых нейтронов, которые не (повторно) производят деление00 9,1
Энергия превращается в тепло в работающем тепловом ядерном реакторе200,1

Материал оружия [ править ]

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 естественным), периода полураспада и критической массы (оба 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 бы существующее оружие было основано на уране-233 вместо плутония-239, Ливермор не был бы заинтересован в переходе на плутоний. [8]

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

Хотя, таким образом, уран-233 можно использовать в качестве расщепляющегося материала ядерного оружия , не считая предположений [10] , имеется скудная общедоступная информация об этом изотопе, фактически использованном 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 МЕТ в 22 килотонны была значительно ниже прогнозируемых 33 килотонн, поэтому собранная информация имела ограниченную ценность. [11] [12]
  • В том же году Советский Союз взорвал свою первую водородную бомбу , РДС-37 , которая содержала делящуюся сердцевину из 235 U и 233 U. [13]
  • В 1998 году в рамках своих испытаний « Похран-II» Индия взорвала экспериментальную установку 233 U малой мощности (0,2 кт) под названием Shakti V. [14] [15]

В реактор и другие на Hanford Сайт оптимизирован для производства оружейного материала были использованы для изготовления 233 U. [16] [17] [18] [19]

В целом считается, что в Соединенных Штатах было произведено две тонны 233 U различной степени чистоты, в некоторых из которых содержание примеси 232 U составляет всего 6 частей на миллион. [20]

232 U примесь [ править ]

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 менее). Оружие деления пушечного типа дополнительно требует низких уровней (диапазон 1 ppm) легких примесей, чтобы поддерживать низкую генерацию нейтронов. [9] [21]

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 преобразуется 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 нейтронного потока до того, как концентрация 233 U возрастет до слишком высокого уровня, во избежание расщепления самого 233 U (которое произвело бы энергичные нейтроны). [20] [22]

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. [23]

Дополнительная информация [ править ]

Тория, из которого получают 233 U, в земной коре примерно в три-четыре раза больше, чем урана. [24] [25] Цепочка распадов 233 U сама по себе является частью нептуниевого ряда , цепочки распадов 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 . [2]

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 .

См. Также [ править ]

  • Реактор-размножитель
  • Реактор с жидким фторидом тория

Примечания [ править ]

  1. ^ http://www.doh.wa.gov/portals/1/Documents/Pubs/320-086_u233han_fs.pdf
  2. ^ a b c 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. ^ UP (29 сентября 1946 г.). «Секрет атомной энергии изложен на понятном для общественности языке» . Питтсбург Пресс . Проверено 18 октября 2011 года .
  4. ^ UP (21 октября 1946 г.). «Обнаружен третий ядерный источник» . Новости Тускалусы . Проверено 18 октября 2011 года .
  5. ↑ Orth, DA (1 июня 1978 г.). «Опыт переработки тория завода в Саванна-Ривер» . 43 . Ядерные технологии: 63. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  6. ^ "Ядерное деление 4.7.1" . www.kayelaby.npl.co.uk . Проверено 21 апреля 2018 года .
  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 . Проверено 29 ноября 2019 .
  8. ^ a b Вудс, WK (10 февраля 1966 г.). "Интерес LRL к U-233" . США . ДУН-677. DOI : 10.2172 / 79078 . ОСТИ 79078 . 
  9. ^ а б Лэнгфорд, Р. Эверетт (2004). Введение в оружие массового уничтожения: радиологическое, химическое и биологическое . Хобокен, Нью-Джерси : John Wiley & Sons . 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. ^ Агроэл, Джай Пракаш (2010). Высокоэнергетические материалы: топливо, взрывчатые вещества и пиротехника . Wiley-VCH . С. 56–57. ISBN 978-3-527-32610-5. Проверено 19 марта 2012 года .Вкратце говорится, что U-233 «считается компонентом индийской оружейной программы из-за наличия тория в изобилии в Индии», а может быть и где-нибудь еще.
  11. ^ «Операция Чайник» . Архив ядерного оружия . 15 октября 1997 . Проверено 9 декабря 2008 года .
  12. ^ «Операция Бастер-Джангл» . Архив ядерного оружия . 15 октября 1997 . Проверено 18 марта 2012 года .
  13. ^ Стивен Ф. Эшли. «Торий и его роль в ядерном топливном цикле» . Проверено 16 апреля 2014 года .PDF, страница 8, цитируется: Д. Холлоуэй, «Советское термоядерное развитие», Международная безопасность 4: 3 (1979–80) 192–197.
  14. ^ Раджат Пандит (28 августа 2009). "Силы фанатиков на N-арсенале" . Таймс оф Индия . Проверено 20 июля 2012 года .
  15. ^ «Программа ядерного оружия Индии - Операция Шакти: 1998» . 30 марта 2001 . Проверено 21 июля 2012 года .
  16. ^ «Историческое использование тория в Хэнфорде» (PDF) . hanfordchallenge.org . Архивировано из оригинального (PDF) 12 мая 2013 года . Проверено 21 апреля 2018 года .
  17. ^ «Хронология важных документов FOIA: полусекретный торий Хэнфорда для производственной кампании U-233» (PDF) . hanfordchallenge.org . Архивировано из оригинального (PDF) 15 октября 2012 года . Проверено 21 апреля 2018 года .
  18. ^ «Вопросы и ответы по урану-233 в Хэнфорде» (PDF) . radioactivist.org . Проверено 21 апреля 2018 года .
  19. ^ "Радиоактивность Хэнфорда в нерестилищах лосося" (PDF) . clarku.edu . Проверено 21 апреля 2018 года .
  20. ^ a b Роберт Альварес «Управление запасами урана-233 в Соединенных Штатах» http://scienceandglobalsecurity.org/archive/sgs21alvarez.pdf
  21. ^ Вопросы и ответы по ядерным материалам
  22. ^ Патент США 4393510 
  23. ^ [1] (см. PDF, стр. 10)
  24. ^ «Изобилие в земной коре: периодичность» . WebElements.com. Архивировано из оригинального 23 мая 2008 года . Проверено 12 апреля 2014 года .
  25. ^ «Это элементаль - Периодическая таблица элементов» . Jefferson Lab. Архивировано 29 апреля 2007 года . Проверено 14 апреля 2007 года .


Зажигалка:
уран-232		Уран-233 является
изотопом из урана		Тяжелее:
уран-234
Продукт распада :
плутоний-237 ( α )
нептуний-233 ( β + )
протактиний-233 ( β- )		Цепочка распада
урана-233		Распадается на:
торий-229 (α)