Уран-233
 | |
| Общий | |
|---|---|
| Символ | 233 В |
| Имена | уран-233, 233U, U-233 |
| Протоны ( С ) | 92 |
| Нейтроны ( Н ) | 141 |
| Данные о нуклидах | |
| Период полураспада ( т 1/2 ) | 160 000 лет [1] |
| масса изотопа | 233,039 Да |
| Родительские изотопы | 237 Пу ( а ) 233 Np ( β + ) 233 Па ( β − ) |
| Продукты распада | 229 че |
| Изотопы урана Полная таблица нуклидов | |
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 предлагается 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 поддерживать нейтронную экономику (если он не достигает 233 Окно U, следующая делящаяся цель — 235 U, что означает, что для запуска деления необходимо всего 4 нейтрона).
233 U обычно делится при поглощении нейтронов , но иногда сохраняет нейтроны, превращаясь в уран-234 . Как для тепловых нейтронов, так и для быстрых нейтронов отношение захвата к делению урана-233 меньше, чем у двух других основных делящихся видов топлива, урана-235 и плутония-239 . [3]
Делящийся материал
[ редактировать ]
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 . [4] [5]
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. [6]
Ядерное топливо
[ редактировать ]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 урана-238 на основе топливных циклов , которые требуют превосходной нейтронной экономии для быстрого реактора 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
[ редактировать ]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 = 22764 МВтч/кг, что в 1,8 миллиона раз больше, чем такая же масса дизельного топлива). [7]
| Источник | Средняя энергия выпущено (МэВ) |
|---|---|
| Мгновенно высвобождаемая энергия | |
| Кинетическая энергия осколков деления | 168.2 |
| Кинетическая энергия мгновенных нейтронов | 4.8 |
| Энергия, переносимая мгновенными γ-лучами | 7.7 |
| Энергия распада продуктов деления | |
| Энергия β − частицы | 5.2 |
| Энергия антинейтрино | 6.9 |
| Энергия запаздывающих γ-лучей | 5.0 |
| Сумма (исключая улетающие антинейтрино) | 191.0 |
| Энергия, выделяющаяся при захвате мгновенных нейтронов, которые не (вос) производят деление. | 9.1 |
| Энергия, преобразованная в тепло в работающем тепловом ядерном реакторе | 200.1 |
Материал оружия
[ редактировать ]
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). [8] 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 малого диаметра , такого как артиллерийские снаряды . [9]
В рассекреченной записке 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. [10]
Соприсутствие урана-232 [11] может осложнить производство и использование урана-233, хотя в Ливерморской записке указывается на вероятность того, что это осложнение можно обойти. [10]
Таким образом, можно использовать уран-233 в качестве расщепляющегося материала ядерного оружия . [12] Кроме того, в открытом доступе имеется скудная информация о том, что этот изотоп действительно использовался в качестве оружия:
- «МЕТ» в 1955 году Соединенные Штаты взорвали экспериментальное устройство В ходе испытания «Чайник , в котором использовался плутоний/ 233 U составная яма ; его конструкция была основана на плутонии/ 235 В отличие от TX-7E, прототипа ядерной бомбы Mark 7, использовавшейся в ходе испытаний «Легкий» в ходе 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. [13] [14]
- Советский Союз взорвал свою первую водородную бомбу В том же году РДС-37 , содержащую делящееся ядро из 235 У и 233 В. [15]
- В 1998 году в рамках испытаний «Похран-II» Индия взорвала экспериментальную ракету. 233 У-аппарат малой мощности (0,2 кт) под названием Шакти В. [16] [17]
Реактор B и другие реакторы на базе в Хэнфорде, оптимизированные для производства материалов оружейного качества , использовались для производства 233 В. [18] [19] [20] [21]
В целом Соединенные Штаты, как полагают, произвели две тонны 233 U, разной степени чистоты, некоторые с 232 Содержание примесей U не более 6 частей на миллион. [22]
232 U примесь
[ редактировать ]Производство 233 U (в результате облучения тория-232 ) неизменно производит небольшие количества урана-232 в качестве примеси из-за паразитных (n,2n) реакций на самом уране-233, или на протактинии-233 , или на тории-232:
- 232 Тх (n,γ) → 233 Ч (б − ) → 233 Пока (β − ) → 233 U (n,2n) → 232 В
- 232 Тх (n,γ) → 233 Ч (б − ) → 233 Па(n,2n) → 232 Пока (β − )→ 232 В
- 232 Тх (n,2n) → 231 Ч (б − ) → 231 Па(n,γ) → 232 Пока (β − ) → 232 В
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 Тх (n,γ) → 231 Ч (б − ) → 231 Па(n,γ) → 232 Пока (β − ) → 232 В
Цепь распада 232 U быстро дает сильные излучатели 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 (б − , 10,64 ч)
- 212 Би (α, 61 мин, 0,78 МэВ)
- 208 Тл (б − , 1,8 МэВ, 3 мин, с 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 232 Уровни U ниже 50 ppm (выше которого 233 U считается «низким сортом»; ср. «Стандартный плутоний оружейного качества требует 240 Содержание Pu не более 6,5%», что составляет 65 000 ppm, и аналогичный 238 Pu производился в количествах 0,5% (5000 частей на миллион) или меньше). Оружию деления пушечного типа дополнительно необходимы низкие уровни (диапазон 1 ppm) легких примесей, чтобы поддерживать низкое образование нейтронов. [11] [23]
Производство «чистое» 233 У, низкий уровень 232 U, требует нескольких факторов: 1) получение относительно чистого 232 Источник Th, низкий уровень 230 Th (который также трансмутирует в 232 U), 2) замедление падающих нейтронов до энергии не выше 6 МэВ (нейтроны слишком высокой энергии вызывают 232 Тх (n,2n) → 231 Эта реакция) и 3) удаление образца тория из нейтронного потока перед 233 Концентрация урана достигает слишком высокого уровня, чтобы избежать деления 233 Сам U (который будет производить энергичные нейтроны). [22] [24]
Использовался эксперимент с реактором на расплавленной соли (MSRE). 233 U, выведенный в легководных реакторах , таких как Энергетический центр Индиан-Пойнт , составлял около 220 частей на миллион. 232 В. [25]
Дополнительная информация
[ редактировать ]Торий, из которого 233 Урана, который образуется в земной коре, примерно в три-четыре раза больше, чем урана. [26] [27] Цепь распада 233 Сам U является частью ряда нептуния , цепи распада его прародителя. 237 Например.
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 .
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ «Уран-233 на ядерной площадке в Хэнфорде» (PDF) . Департамент здравоохранения штата Вашингтон, Отдел гигиены окружающей среды, Управление радиационной защиты. Декабрь 2002 года.
- ^ Jump up to: а б с CW Форсбург; LC Льюис (24 сентября 1999 г.). «Использование урана-233: что следует сохранить для будущих нужд?» (PDF) . Орнл-6952 . Окриджская национальная лаборатория.
- ^ «Отношение захвата к делению» . Nuclear-Power.com . Проверено 26 июня 2024 г.
- ^ «Секрет атомной энергии, изложенный на языке, понятном публике» . Питтсбург Пресс . Юнайтед Пресс . 29 сентября 1946 года . Проверено 18 октября 2011 г.
- ^ «Третий обнаженный ядерный источник» . Новости Таскалузы . Юнайтед Пресс . 21 октября 1946 года . Проверено 18 октября 2011 г.
- ^ 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 .
- ^ «Деление ядра 4.7.1» . kayelaby.npl.co.uk . Проверено 21 апреля 2018 г.
- ^ Справочник по ядерному распространению . 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.
- ^ Хансен, Чак (2007). Мечи Армагеддона: Развитие ядерного оружия США с 1945 года, Версия 2 . Публикации Чукелеи. стр. И-262, И-270.
- ^ Jump up to: а б Вудс, WK (10 февраля 1966 г.). «Интерес ЛРЛ к U-233» . Соединенные Штаты . ДУН-677. дои : 10.2172/79078 . ОСТИ 79078 .
- ^ Jump up to: а б 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 стало много. ."
- ^ Агравал, Джай Пракаш (2010). Высокоэнергетические материалы: метательное 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.
- ^ «Операция Чайник» . Архив ядерного оружия . 15 октября 1997 года . Проверено 9 декабря 2008 г.
- ^ «Операция Бастер-Джангл» . Архив ядерного оружия . 15 октября 1997 года . Проверено 18 марта 2012 г.
- ^ 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.
- ^ Раджат Пандит (28 августа 2009 г.). «Формирование энтузиазма на Н-арсенале» . Таймс оф Индия . Архивировано из оригинала 21 мая 2013 года . Проверено 20 июля 2012 г.
- ^ «Индийская программа создания ядерного оружия - операция Шакти: 1998» . 30 марта 2001 г. Проверено 21 июля 2012 г.
- ^ «Историческое использование тория в Хэнфорде» (PDF) . hanfordchallenge.org . Архивировано из оригинала (PDF) 12 мая 2013 года . Проверено 21 апреля 2018 г.
- ^ «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.
- ^ «Вопросы и ответы по урану-233 в Хэнфорде» (PDF) . Radioactivist.org . Проверено 21 апреля 2018 г.
- ^ «Хэнфордская радиоактивность в нерестилищах лосося» (PDF) . Clarku.edu . Проверено 21 апреля 2018 г.
- ^ Jump up to: а б Роберт Альварес. «Управление запасами урана-233 в США» (PDF) . Наука и глобальная безопасность.
- ^ по ядерным материалам Часто задаваемые вопросы
- ^ Патент США 4393510.
- ^ 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.
- ^ «Изобилие в земной коре: периодичность» . WebElements.com. Архивировано из оригинала 23 мая 2008 года . Проверено 12 апреля 2014 г.
- ^ «Это элементарно — Периодическая таблица элементов» . Джефферсонская лаборатория. Архивировано из оригинала 29 апреля 2007 года . Проверено 14 апреля 2007 г.