Uran-233 - Uranium-233

Uran-233,  ²³³ U

Eine Ampulle enthält erstarrte Teile eines Flibe und Uran-233 Tetra Mischung
Allgemein
Symbol	233 U
Namen	Uran-233, U-233
Protonen	92
Neutronen	141
Nukliddaten
Halbes Leben	160.000 Jahre
Elternisotope	237 Pu  ( α ) 233 Np  ( β + ) 233 Pa  ( β − )
Zerfallsprodukte	229 Th
Isotopenmasse	233.039 u
Isotope des Urans Vollständige Tabelle der Nuklide

Uran-233 ( ²³³ U) ist ein spaltbares Uranisotop , das aus Thorium-232 als Teil des Thorium-Brennstoffkreislaufs gezüchtet wird . Uran-233 wurde für den Einsatz in Atomwaffen und als Reaktorbrennstoff untersucht . Es wurde erfolgreich in experimentellen Kernreaktoren verwendet und wurde für eine viel breitere Verwendung als Kernbrennstoff vorgeschlagen . Es hat eine Halbwertszeit von 160.000 Jahren.

Uran-233 wird durch die erzeugte Neutronenbestrahlung von Thorium-232. Wenn Thorium-232 ein Neutron absorbiert, wird es zu Thorium-233 mit einer Halbwertszeit von nur 22 Minuten. Thorium-233 zerfällt durch Beta-Zerfall in Protactinium -233 . Protactinium-233 hat eine Halbwertszeit von 27 Tagen und Beta zerfällt in Uran-233; Einige vorgeschlagene Salzschmelzenreaktordesigns versuchen, das Protactinium physikalisch von weiterem Neutroneneinfang zu isolieren, bevor ein Beta-Zerfall stattfinden kann, um die Neutronenökonomie aufrechtzuerhalten (wenn es das ²³³ U-Fenster verfehlt , ist das nächste spaltbare Ziel ²³⁵ U, was insgesamt 4 Neutronen bedeutet.) benötigt, um eine Spaltung auszulösen).

²³³ U spaltet normalerweise bei Neutronenabsorption , behält aber manchmal das Neutron und wird zu Uran-234 . Das Verhältnis von Einfang zu Spaltung von Uran-233 ist kleiner als das der anderen beiden großen spaltbaren Brennstoffe, Uran-235 und Plutonium-239 .

Spaltbares Material

Salzschmelzen-Reaktor-Experiment

Atomkraftwerk Shippingport

Deutsch THTR-300

Im Jahr 1946 wurde die Öffentlichkeit erstmals informiert von Uran-233 gezüchtet von Thorium als „eine dritten verfügbaren Quelle für Kernenergie und Atombomben“ (zusätzlich zu dem Uran-235 und Plutonium-239 ), nach einem der Vereinten Nationen Bericht und eine Rede von Glenn T. Seaborg .

Die Vereinigten Staaten produzierten im Verlauf des Kalten Krieges etwa 2 Tonnen Uran-233 in unterschiedlicher chemischer und isotopischer Reinheit. Diese wurden an den Standorten Hanford und Savannah River in Reaktoren hergestellt, die für die Produktion von Plutonium-239 ausgelegt waren.

Kernbrennstoff

Uran-233 wurde als Brennstoff in mehreren verschiedenen Reaktortypen verwendet und wird als Brennstoff für mehrere neue Konstruktionen vorgeschlagen (siehe Thorium-Brennstoffkreislauf) , die alle aus Thorium hervorgehen. Uran-233 kann entweder in schnellen Reaktoren oder thermischen Reaktoren gezüchtet werden, im Gegensatz zu den Uran-238- basierten Brennstoffkreisläufen , die die überlegene Neutronenökonomie eines schnellen Reaktors erfordern, um Plutonium zu züchten, d. h. um mehr spaltbares Material zu produzieren, als verbraucht wird .

Die langfristige Strategie des Nuklearprogramms Indiens , das über beträchtliche Thoriumreserven verfügt, besteht darin, zu einem Nuklearprogramm überzugehen, das Uran-233 aus Thoriumrohstoffen züchtet.

Freigesetzte Energie

Die Spaltung eines Atoms Uran-233 erzeugt 197,9 MeV = 3,171·10 ⁻¹¹ J (dh 19,09 TJ/ mol = 81,95 TJ/kg).

Waffenmaterial

Die erste Detonation einer Atombombe mit U-233 am 15. April 1955

Als potenzielles Waffenmaterial ist reines Uran-233 Plutonium-239 ähnlicher als Uran-235 in Bezug auf Quelle (gezüchtet vs. natürlich), Halbwertszeit und kritische Masse (beide 4–5 kg in Beryllium-reflektierter Kugel).

1994 hat die US-Regierung ein Memo von 1966 freigegeben, in dem festgestellt wird, dass Uran-233 als Waffenmaterial sehr zufriedenstellend ist, obwohl es Plutonium nur in seltenen Fällen überlegen ist. Es wurde behauptet, dass Livermore kein Interesse daran hätte, auf Plutonium umzusteigen, wenn die bestehenden Waffen auf Uran-233 statt auf Plutonium-239 basieren würden.

Die gleichzeitige Anwesenheit von Uran-232 kann die Herstellung und Verwendung von Uran-233 erschweren, obwohl das Livermore-Memo eine Wahrscheinlichkeit angibt, dass diese Komplikation umgangen werden kann.

Während es somit möglich ist, Uran-233 als Spaltmaterial einer Atomwaffe zu verwenden , gibt es, abgesehen von Spekulationen, nur wenige öffentlich verfügbare Informationen darüber, dass dieses Isotop tatsächlich waffenfähig gemacht wurde:

• Die Vereinigten Staaten zündeten beim Test der Operation Teapot "MET" 1955 ein experimentelles Gerät, bei dem eine Plutonium/ ²³³ U- Verbundgrube verwendet wurde ; sein Design basierte auf der Plutonium/ ^235- U-Grube des TX-7E, einem Prototyp einer Mark-7-Atombombe , der 1951 im "Easy"-Test der Operation Buster-Jangle verwendet wurde. Obwohl es sich nicht um ein reines Verpuffen handelte , lag der tatsächliche Ertrag von MET von 22 Kilotonnen ausreichend unter den prognostizierten 33 kt, so dass die gesammelten Informationen von begrenztem Wert waren.
• Im selben Jahr zündete die Sowjetunion ihre erste Wasserstoffbombe , die RDS-37 , die einen spaltbaren Kern aus ²³⁵ U und ²³³ U enthielt .
• 1998 zündete Indien im Rahmen seiner Pokhran-II- Tests ein experimentelles ²³³ U-Gerät mit geringer Ausbeute (0,2 kt) namens Shakti V.

Der B-Reaktor und andere am Standort Hanford, die für die Herstellung von waffenfähigem Material optimiert wurden, wurden zur Herstellung von ²³³ U verwendet.

Insgesamt wird angenommen, dass die Vereinigten Staaten zwei Tonnen ²³³ U mit verschiedenen Reinheitsgraden produziert haben, einige mit einem ²³² U-Verunreinigungsgehalt von nur 6 ppm.

²³² U Verunreinigung

Die Produktion von ²³³ U (durch die Bestrahlung von Thorium-232 ) erzeugt aufgrund parasitärer (n,2n)-Reaktionen auf Uran-233 selbst oder auf Protactinium-233 oder auf Thorium ausnahmslos geringe Mengen an Uran-232 als Verunreinigung. 232:

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

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

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

Ein anderer Kanal beinhaltet die Neutroneneinfangreaktion an kleinen Mengen von Thorium-230 , einem winzigen Bruchteil des natürlichen Thoriums, das aufgrund des Zerfalls von Uran-238 vorhanden ist :

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

Die Zerfallskette von ²³² U liefert schnell starke Gammastrahlungsemitter . Thallium-208 ist mit 2,6 MeV das stärkste davon:

²³² U (α, 68,9 Jahre)

²²⁸ Th (α, 1,9 Jahre)

²²⁴ Ra (α, 5,44 MeV, 3,6 d, mit einem γ von 0,24 MeV)

²²⁰ Rn (α, 6,29 MeV, 56 s, mit einem γ von 0,54 MeV)

²¹⁶ Po (α, 0,15 s)

²¹² Pb (β−, 10.64 h)

²¹² Bi (α, 61 min, 0,78 MeV)

²⁰⁸ Tl (β−, 1,8 MeV, 3 min, mit einem γ von 2,6 MeV)

²⁰⁸ Pb (stabil)

Dies macht die manuelle Handhabung in einem Handschuhfach mit nur leichter Abschirmung (wie bei Plutonium üblich ) zu gefährlich (außer möglicherweise in einem kurzen Zeitraum unmittelbar nach der chemischen Trennung des Urans von seinen Zerfallsprodukten) und erfordert stattdessen eine komplexe Fernmanipulation für die Brennstoffherstellung .

Die Gefahren sind selbst bei 5 Teilen pro Million beträchtlich . Implosions-Kernwaffen erfordern ²³² U-Werte unter 50 ppm (über denen ²³³ U als "niedriger Grad" angesehen wird; vgl. "Standard-Waffen-Plutonium erfordert einen ²⁴⁰ Pu- Gehalt von nicht mehr als 6,5%", was 65000 ppm entspricht analoges ²³⁸ Pu wurde in Mengen von 0,5% (5000 ppm) oder weniger hergestellt). Geschützartige Spaltwaffen benötigen zusätzlich geringe Mengen (1 ppm-Bereich) an leichten Verunreinigungen, um die Neutronenerzeugung gering zu halten.

Die Produktion von "sauberem" ²³³ U mit niedrigem ^232- U- ^Gehalt erfordert einige Faktoren: 1) Erhalten einer relativ reinen ^232- Th-Quelle mit niedrigem ^230- Th-Gehalt (die sich auch in ²³² U ^umwandelt ), 2) Abschwächung der einfallenden Neutronen eine Energie nicht höher als 6 MeV (zu hochenergetische Neutronen verursachen die Reaktion ²³² Th (n,2n) → ²³¹ Th) und 3) Entfernen der Thoriumprobe aus dem Neutronenfluss, bevor sich die ²³³ U-Konzentration auf ein zu hohes Niveau aufbaut, um eine Spaltung des ²³³ U selbst zu vermeiden (was energetische Neutronen erzeugen würde).

Das Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE) verwendete ²³³ U, gezüchtet in Leichtwasserreaktoren wie dem Indian Point Energy Center , das waren etwa 220 ppm ²³² U.

Weitere Informationen

Thorium, aus dem ²³³ U gezüchtet werden, kommt in der Erdkruste etwa drei- bis viermal häufiger vor als Uran. Die Zerfallskette von ²³³ U selbst ist Teil der Neptunium-Reihe , der Zerfallskette seines Großvaters ²³⁷ Np.

Zu den Verwendungen von Uran-233 gehören die Herstellung der medizinischen Isotope Actinium-225 und Wismut-213, die zu seinen Töchtern gehören, massearme Kernreaktoren für Raumfahrtanwendungen, die Verwendung als Isotopentracer , Kernwaffenforschung und Reaktorbrennstoffforschung einschließlich der Thoriumbrennstoffkreislauf .

Das Radioisotop Wismut -213 ist ein Zerfallsprodukt von Uran-233; Es ist vielversprechend für die Behandlung bestimmter Krebsarten , einschließlich akuter myeloischer Leukämie und Krebs der Bauchspeicheldrüse , der Nieren und anderer Organe .

Siehe auch

• Brutreaktor
• Flüssigfluorid-Thorium-Reaktor

Anmerkungen