鈾-233

鈾-233(233U)是的一種可裂變同位素,由釷-232孕育而成,是燃料循環的一部分。鈾-233曾被研究用於核武器反應堆燃料,它已成功地用於實驗性核反應堆,並被提議更廣泛地用作核燃料。它的半衰期為16萬年。

鈾-233,233U
基本
符號233U
名稱鈾-233, U-233
原子序92
中子數141
核素数据
半衰期16萬年
母同位素237Pu (α)
233Np (β+)
233Pa (β)
衰變產物229Th
原子量233.039 u
鈾的同位素
完整核素表

鈾-233是由釷-232的中子輻照產生的。當釷-232吸收中子時,就變成釷-233,其半衰期只有22分鐘。釷-233通過β衰變變成鏷-233。原鏷-233的半衰期為27天,β衰變為鈾-233;一些擬建的熔鹽反應堆設計試圖在β衰變發生之前將原從物理上隔離開來,使其不再被中子俘獲,以保持中子經濟性(如果錯過鈾-233,下一個裂變目標便是鈾-235,意味著總共需要4個中子才能引發裂變)。

通常在它中子俘獲時裂變,但有時保留中子,成為鈾-234。鈾-233的捕獲裂變比小於其他兩種主要易裂變燃料鈾-235鈈-239

武器材料编辑

1955年4月15日,包括鈾-233在內的第一枚核彈爆炸

作為一種潛在的武器材料,就來源(繁殖對天然),半衰期和臨界質量(在鈹反射球體中的4-5千克)而言,純鈾-233與鈾-239相比與鈾-235更為相似。

1994年,美國政府解密了1966年的一份備忘錄,該備忘錄指出,鈾-233作為一種武器材料已經被證明是非常令人滿意的,儘管它只是在極少數情況下優於鈈。 據稱,如果現有的武器是以鈾-233為基礎,而不是以鈈-239為基礎,利弗莫爾公司就不會有興趣改用鈈。

鈾-232的共存會使鈾-233的製造和使用複雜化,儘管利弗莫爾的備忘錄表明這種複雜情況有可能被解決。

因此,雖然有可能將鈾-233用作核武器的裂變材料,但撇開猜測不談,關於這種同位素實際已經武器化的公開資料很少。

美國在1955年"茶壺行動""MET "試驗中引爆了一個實驗裝置,該裝置使用了钚/鈾-233複合坑道;其設計是以TX-7E的钚/235U坑道為基礎的,TX-7E是1951 年"Buster-Jangle行動""Easy "試驗中使用的Mark 7核彈設計原型。 雖然不是徹底的失敗,但MET的實際產量為22千噸,充分低於預測的33千噸,因此收集到的資料價值有限。

蘇聯在同年引爆了第一顆氫彈RDS-37,該氫彈的裂變芯為鈾235和鈾233。

1998年,作為波克蘭-II試驗的一部分,印度引爆了一個名為Shakti V的低當量(0.2千噸)鈾-233實驗裝置。

漢福德場地的B反應堆和其他為生產武器級材料而優化的反應堆被用來製造鈾-233。

據認為,美國總共生產了兩噸鈾-233,純度各不相同,有些鈾-233的雜質含量低至6ppm。

232U 雜質编辑

233U的生產(通過釷-232的輻照),由於鈾-233本身或原镤-233或釷-232的寄生(n,2n)反應,總會產生少量的鈾-232作為雜質。

釷-232 (n,γ) → 釷-233 (β−) → 鏷-233 (β−) →鈾-233(n,2n) → 鈾-232

另一個渠道涉及對少量釷-230的中子俘獲反應,釷-230是鈾-238衰變後存在的天然釷的一小部分。

釷-230 (n,γ) → 釷-231 (β−) → 鏷-231 (n,γ) → 鏷-232(β−) → 鈾-232

232U的衰變鏈迅速產生強伽馬輻射發射體, 鉈-208是其中最強的一種,為2.6MeV。

鈾-232 (α, 68.9年)
釷-228 (α, 1.9年)
鐳-224 (α, 5.44 MeV, 3.6天, with a γ of 0.24 MeV)
氡-220 (α, 6.29 MeV, 56秒, with a γ of 0.54 MeV)
釙-216 (α, 0.15秒)
鉛-212(β−, 10.64小時)
鉍-212 (α, 61分鐘, 0.78 MeV)
鉈-208(β−, 1.8 MeV, 3分鐘, with a γ of 2.6 MeV)
鉛-208 (穩定)

這就使得在手套箱中僅用輕型屏蔽裝置(如通常對钚所做的那樣)進行人工處理過於危險(可能在鈾與其衰變產物進行化學分離後的短時間內除外),而需要復雜的遠程操作來製造燃料。

即使在百萬分之五的情況下,危害也是很大的。 內爆型核武器要求鈾-232的含量低於50ppm(高於此水平的鈾-233被認為是"低級";參見"標準武器級钚要求鈈-240含量不超過6.5%。"即65000ppm,而類似的鈈-238的生產水平 為0.5%(5000ppm)或更低)。 槍式裂變武器另外還需要低水平(1ppm範圍)的輕雜質,以保持中子產生量低。

生產鈾-232含量低的 "清潔 "鈾-233,需要幾個因素  1)獲得相對純淨的釷-232源,低釷-230(也會轉化為鈾-232),2)調節入射中子的能量不高於6MeV(能量過高的中子會引起釷232(n,2n→釷231反應,因為這樣可能會產生鈾-232) 3)在鈾-233濃度積累到過高的水平之前,將釷樣品從中子通量中移除,以避免鈾-233本身發生裂變(會產生高能中子)。

熔鹽反應堆實驗(MSRE)使用的鈾-233,是在印第安點能源中心等輕水反應堆中培育出來的,約為220ppm的鈾-232。

核燃料循環编辑

1946年,在聯合國的一份報告和Glenn T. Seaborg的一次演講之後,公眾首次瞭解到由釷培育的鈾-233是 "除鈾-235和鈈-239之外的第三種可用的核能和原子彈來源"。

美國在冷戰期間生產了約2公噸鈾-233,其化學純度和同位素純度各不相同。 這些鈾-233是在漢福德場址和薩凡納河場址為生產鈈-239而設計的反應堆中生產的。

核燃料编辑

鈾-233已被用作若干不同類型反應堆的燃料,並被提議用作若干新設計的燃料(見釷燃料循環),所有這些設計都是從釷中孕育鈾-233的。鈾-233可以在快中子反應堆或熱中子反應堆中孕育,與鈾-238燃料循環不同的是,它需要快堆優越的中子經濟性來孕育鈈,即生產出比消耗更多的裂變材料。

印度擁有大量的釷儲量,其核電計劃的長期戰略是轉向以釷為原料培育鈾-233的核計劃。

釋放能量编辑

一颗铀-233原子的裂变会产生 197.9 焦耳 = 3.171·10−11 J  (i.e. 19.09 TJ/mol = 81.95 TJ/kg).

Source Average energy

released (MeV)

瞬時釋放的能量
裂片的動能 168.2
瞬發中子的動能 4.8
瞬發γ射線攜帶的能量 7.7
衰變裂變產物產生的能量
β-粒子的能量 5.2
中微子的能量 6.9
延遲γ射線的能量 5.0
總和(不包括反中微子逃逸) 191.0
捕獲那些不會(再)產生裂變的瞬發中子時釋放的能量 9.1
在運行中的熱核反應堆中,能量轉化為熱 200.1