Уран-233

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Уран-233 (233U або U-233) — це ізотоп урану, що розщеплюється, який утворюється з торію-232 у рамках торієвого паливного циклу. Уран-233 досліджувався для використання в ядерній зброї та як паливо для реакторів.[1] Він успішно використовувався в експериментальних ядерних реакторах і був запропонований для ширшого використання як ядерне паливо. Його період напіврозпаду становить 160 000 років.

Уран-233 отримують нейтронним опроміненням торію-232. Коли торій-232 поглинає нейтрон, він стає торієм-233, який має період напіврозпаду лише 22 хвилини. Торій-233 розпадається на протактиній-233(інші мови) шляхом бета-розпаду. Протактиній-233 має період напіврозпаду 27 днів і розпадається шляхом бета-розпаду на уран-233; деякі запропоновані конструкції реакторів на розплавах солей намагаються фізично ізолювати протактиній від подальшого захоплення нейтронів до бета-розпаду, щоб зберегти нейтронну ефективність (якщо пропущене вікно 233U, наступною ціллю, що розщеплюється, є 235U, тобто загалом 4 нейтрони необхідні для поділу).

233U зазвичай ділиться при поглинанні нейтронів, але іноді зберігає нейтрони, перетворюючись на уран-234. Відношення числа подій захоплення до поділу урану-233 менше, ніж у двох інших основних видів палива, що розщеплюються, урану-235 і плутонію-239.[джерело?]

Матеріал, що розщеплюється

[ред. | ред. код]
Експеримент із реактором на розплаві солей (інші мови)
Атомна електростанція Шиппінгпорт(інші мови)
Німецький THTR-300

У 1946 році вперше повідомили про уран-233, отриманий з торію, як «третє доступне джерело ядерної енергії та атомних бомб» (на додаток до урану-235 і плутонію-239), після доповіді Організації Об'єднаних Націй і виступу Гленна Сіборга.[2][3]

Сполучені Штати виробили протягом холодної війни приблизно 2 метричні тонни урану-233 різного рівня хімічної та ізотопної чистоти.[1] Вони були вироблені у Генфордському комплексі і Саванна-Рівер(інші мови) в реакторах, призначених для виробництва плутонію-239.[4]

Ядерне паливо

[ред. | ред. код]

Уран-233 використовувався як паливо в кількох різних типах реакторів і пропонується як паливо для кількох нових конструкцій (див. торієвий паливний цикл), усі з яких утворюють його з торію. Уран-233 можна виробляти як у реакторах на швидких нейтронах, так і в реакторах на теплових нейтронах, на відміну від паливних циклів на основі урану-238, які вимагають чудової нейтронної ефективності від реактора на швидких нейтронах для розмноження плутонію, тобто щоб виробляти більше матеріалу, що розщеплюється, ніж споживається.

Довгострокова стратегія ядерно-енергетичної програми Індії, яка має значні запаси торію, полягає в переході до розмноження урану-233 з торієвої сировини.

Енергія, що виділяється

[ред. | ред. код]

Поділ одного атома урану-233 генерує 197,9 МеВ = 3,171·10−11 Дж (тобто 19.09 ТДж/моль = 81,95 ТДж/кг = 22764 МВт·год/кг, що в 1,8 млн разів більше, ніж така ж маса дизельного палива).[5]

Джерело Середня виділена енергія, (МеВ)
Енергя, що виділяється негайно
Кінетична енергія осколків поділу 168.2
Кінетична енергія швидких нейтронів 00 4.8
Енергія, що переноситься швидкими γ-променями 00 7.7
Енергія продуктів розпаду
Енергія β − частинок 00 5.2
Енергія антинейтрино 00 6.9
Енергія запізнілих γ-променів 00 5,0
Сума (без урахування антинейтрино) 191,0
Енергія, що виділяється, коли вловлюються ті швидкі нейтрони, які не (відтворюють) поділу 00 9.1
Енергія перетворюється на тепло в працюючому тепловому ядерному реакторі 200.1

Матеріал для зброї

[ред. | ред. код]
Перший підрив ядерної бомби, до складу якої входив U-233, стався 15 квітня 1955 року

Як потенційний збройовий матеріал, чистий уран-233 більше схожий на плутоній-239, ніж уран-235 з точки зору походження (розмножений або природний), періоду напіврозпаду та критичної маси (обидва 4–5 кг у відбиваючій берилієвій сфері).[6] На відміну від розмноженого в реакторі плутонію, він має дуже низьку швидкість спонтанного поділу, що в поєднанні з його низькою критичною масою зробило його привабливим для компактної зброї гарматного типу, такої як артилерійські снаряди малого діаметра.[7]

У розсекреченій записці ядерної програми США від 1966 року стверджувалося, що уран-233 виявився дуже задовільним як матеріал для зброї, хоча лише в рідкісних випадках він перевершує плутоній. Стверджувалося, що якби існуюча зброя базувалася на урані-233 замість плутонію-239, Лівермор не був би зацікавлений у переході на плутоній.[8]

Присутність урану-232[9] може ускладнити виробництво та використання урану-233, хоча Ліверморський меморандум вказує на ймовірність того, що це ускладнення можна вирішити.[8]

Хоча, таким чином, можна використовувати уран-233 як матеріал, що розщеплюється, для ядерної зброї, якщо не враховувати припущення[10], то публічно доступна інформація про те, що цей ізотоп фактично використовувався як зброя, обмежена:

Реактор B та інші на заводі в Генфорді, оптимізовані для виробництва збройового матеріалу, використовувалися для виробництва 233U.[16][17][18][19]

Вважається, що загалом Сполучені Штати виробили дві тонни 233U різного рівня чистоти, деякі партії з вмістом 232U до 6 ppm.[20]

Домішка 232U

[ред. | ред. код]

Виробництво 233U (через опромінення торію-232) незмінно утворює невеликі кількості урану-232 як домішки через паразитні (n, 2n) реакції у самому урані-233, або у протактинію-233(інші мови), або у торію-232:

232Th (n,γ) → 233Th (β−) → 233Pa (β−) → 233U (n,2n) → 232U
232Th (n,γ) → 233Th (β−) → 233Pa (n,2n) → 232Pa (β−) → 232U
232Th (n,2n) → 231Th (β−) → 231Pa (n,γ) → 232Па (β−) → 232U

Інший канал включає реакцію захоплення нейтронів на невеликих кількостях торію-230, який є крихітною часткою природного торію, присутнього внаслідок розпаду урану-238:

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

Ланцюг розпаду 232U швидко дає потужні джерела гамма-випромінювання. Талій-208(інші мови) є найпотужнішим з них, 2,6 МеВ:

232U (α, 68,9 y)
228Th (α, 1,9 y)
224Ra (α, 5,44 МеВ, 3,6 дня, з γ 0,24 МеВ)
220Rn (α, 6,29 МеВ, 56 с, з γ 0,54 МеВ)
216Po (α, 0,15 с)
212Pb (β−, 10,64 год)
212Bi (α, 61 хв, 0,78 МеВ)
208Tl (β−, 1,8 МеВ, 3 хв, з γ 2,6 МеВ)
208Pb (стабільний)

Це робить ручну роботу в боксі з рукавичками лише з легким екрануванням (як зазвичай робиться з плутонієм) надто небезпечною (за винятком, можливо, короткого періоду відразу після хімічного відділення урану від продуктів його розпаду), і натомість вимагає складних дистанційних маніпуляцій для виготовлення палива.

Небезпека є значною навіть при 5 частках домішок на мільйон. Вибухова ядерна зброя потребує рівня 232U нижче 50 частин на мільйон (якщо вище, то 233U вважається «низькозбагаченим»; для порівняння «стандартний збройовий плутоній вимагає вмісту 240Pu не більше 6,5 %», що становить 65 000 ppm, а аналогічний 238Pu вироблявся на рівнях 0,5 % (5000 ppm) або менше). Для зброї поділу гарматного типу додатково потрібні низькі рівні (1 ppm) легких домішок, щоб зберегти низьке утворення нейтронів.[9][21]

Виробництво «чистого» 233U з низьким вмістом 232U вимагає кількох факторів: 1) отримання відносно чистого джерела 232Th з низьким вмістом 230Th (який також перетворюється на 232U), 2) сповільнення нейтронів, щоб мати енергію не вище 6 МеВ (нейтрони надто високої енергії викликають реакцію 232Th (n,2n) → 231Th) і 3) видалення зразка торію з потоку нейтронів до того, як концентрація 233U досягне надто високого рівня, щоб уникнути розщеплення самого 233U (який виробляв би енергійні нейтрони).[20][22]

Molten-Salt Reactor Experiment[en] (MSRE) використовував 233U, розмножений у реакторах на легкій воді, таких як Індіан-Поінт, з вмістом 232U вище 220 ppm.[23]

Подальша інформація

[ред. | ред. код]

Торію, з якого виділяють 233U, міститься в земній корі приблизно в три-чотири рази більше, ніж урану.[24][25] Сам ланцюг розпаду 233U є частиною серії нептунію, ланцюга розпаду його прабатька 237Np(інші мови).

Застосування урану-233 включає виробництво медичних ізотопів актиній-225(інші мови) і бісмут-213(інші мови), які є одними з його дочірніх ізотопів, ядерні реактори малої маси для космічних подорожей, використання як ізотопного індикатора, дослідження ядерної зброї та дослідження реакторного палива, включаючи торієвий паливний цикл.[1]

Радіоізотоп бісмут-213 є продуктом розпаду урану-233; він є перспективним для лікування деяких видів раку, включаючи гострий мієлоїдний лейкоз і рак підшлункової залози, нирок та інших органів.

Див. також

[ред. | ред. код]

Примітки

[ред. | ред. код]
  1. ↑ а б в C. W. Forsburg; L. C. Lewis (24 вересня 1999). Uses For Uranium-233: What Should Be Kept for Future Needs? (PDF). Ornl-6952. Oak Ridge National Laboratory.
  2. ↑ Atomic Energy 'Secret' Put into Language That Public Can Understand. Pittsburgh Press[en]. United Press. 29 вересня 1946. Процитовано 18 жовтня 2011.
  3. ↑ Third Nuclear Source Bared. The Tuscaloosa News[en]. United Press. 21 жовтня 1946. Процитовано 18 жовтня 2011.
  4. ↑ Orth, D. A. (1 червня 1978). Savannah River Plant Thorium Processing Experience. Nuclear Technology. 43: 63—74. doi:10.13182/NT79-A16175.
  5. ↑ Nuclear fission 4.7.1. kayelaby.npl.co.uk. Процитовано 21 квітня 2018.
  6. ↑ Nuclear proliferation factbook. Committee on Governmental Affairs. Subcommittee on Energy, N. Proliferation., United States. Congress. House. Committee on Foreign Affairs. Subcommittee on International Economic Policy and Trade., United States. Congress. House. Committee on Foreign Affairs. Subcommittee on Arms Control, I. Security. 1985. с. 295. Процитовано 29 листопада 2019.
  7. ↑ Hansen, Chuck (2007). Swords of Armageddon: US Nuclear Weapons Development since 1945, Version 2. Chuckelea Publications. с. I-262, I-270.
  8. ↑ а б Woods, W. K. (10 лютого 1966). LRL interest in U-233. United States. DUN-677. doi:10.2172/79078. OSTI 79078.
  9. ↑ а б Langford, R. Everett (2004). Introduction to Weapons of Mass Destruction: Radiological, Chemical, and Biological. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons. с. 85. ISBN 0471465607.
  10. ↑ Agrawal, Jai Prakash (2010). High Energy Materials: Propellants, Explosives and Pyrotechnics. Wiley-VCH. с. 56—57. ISBN 978-3-527-32610-5. Процитовано 19 березня 2012.
  11. ↑ Operation Teapot. Nuclear Weapon Archive. 15 жовтня 1997. Процитовано 9 грудня 2008.
  12. ↑ Operation Buster-Jangle. Nuclear Weapon Archive. 15 жовтня 1997. Процитовано 18 березня 2012.
  13. ↑ Stephen F. Ashley. Thorium and its role in the nuclear fuel cycle. Процитовано 16 квітня 2014.
  14. ↑ Rajat Pandit (28 серпня 2009). Forces gung-ho on N-arsenal. The Times of India. Архів оригіналу за 21 травня 2013. Процитовано 20 липня 2012.
  15. ↑ India's Nuclear Weapons Program – Operation Shakti: 1998. 30 березня 2001. Процитовано 21 липня 2012.
  16. ↑ Historical use of thorium at Hanford (PDF). hanfordchallenge.org. Архів оригіналу (PDF) за 12 травня 2013. Процитовано 21 квітня 2018.
  17. ↑ Chronology of Important FOIA Documents: Hanford's Semi-Secret Thorium to U-233 Production Campaign (PDF). hanfordchallenge.org. Архів оригіналу (PDF) за 15 жовтня 2012. Процитовано 21 квітня 2018.
  18. ↑ Questions and Answers on Uranium-233 at Hanford (PDF). radioactivist.org. Процитовано 21 квітня 2018.
  19. ↑ Hanford Radioactivity in Salmon Spawning Grounds (PDF). clarku.edu. Архів оригіналу (PDF) за 7 лютого 2015. Процитовано 21 квітня 2018.
  20. ↑ а б Robert Alvarez. Managing the Uranium-233 Stockpile of the United States (PDF). Science and Global Security.
  21. ↑ Nuclear Materials FAQ
  22. ↑ US patent 4393510 
  23. ↑ SA LFTR Energy (Pty.) Ltd. The Superior Design Advantages over All Other Nuclear Reactor Designs of the Liquid Fluoride Thorium Reactor (LFTR), with an Emphasis on Its Anti-Proliferation Features (PDF). The South Africa Independent LFTR Power Producer Project. с. 10.
  24. ↑ Abundance in Earth's Crust: periodicity. WebElements.com. Архів оригіналу за 23 травня 2008. Процитовано 12 квітня 2014.
  25. ↑ It's Elemental — The Periodic Table of Elements. Jefferson Lab. Архів оригіналу за 29 квітня 2007. Процитовано 14 квітня 2007.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Уран-233&oldid=43366855