铀-233
![]() |
基本 | |
---|---|
符号 | 233U |
名称 | 铀-233、U-233 |
原子序 | 92 |
中子数 | 141 |
核素数据 | |
半衰期 | 16万年 |
母同位素 | 237Pu (α) 233Np (β+) 233Pa (β−) |
衰变产物 | 229Th |
原子量 | 233.039 u |
铀的同位素 完整核素表 |
铀-233(233
U
)是铀的一种可裂变同位素,由钍-232孕育而成,是钍燃料循环的一部分。铀-233曾被研究用于核武器和核
反应堆燃料,它已成功地用于实验性核反应堆,并被提议更广泛地用作核燃料[1]。它的半衰期为16万年。
铀-233是由钍-232的中子辐照产生的。当钍-232吸收中子时,就变成钍-233,其半衰期只有22分钟。钍-233通过β衰变变成镤-233。原镤-233的半衰期为27天,β衰变为铀-233;一些拟建的熔盐反应堆设计试图在β衰变发生之前将原镤从物理上隔离开来,使其不再被中子俘获,以保持中子经济性(如果错过铀-233,下一个裂变目标便是铀-235,意味着总共需要4个中子才能引发裂变)。
通常在它中子俘获时裂变,但有时保留中子,成为铀-234。铀-233的捕获裂变比小于其他两种主要易裂变燃料铀-235和钚-239。
武器材料
[编辑]1955年4月15日,包括铀-233在内的第一枚核弹爆炸
作为一种潜在的武器材料,就来源(繁殖对天然),半衰期和临界质量(在铍反射球体中的4-5千克)而言,纯铀-233与铀-239相比与铀-235更为相似。
1994年,美国政府解密了1966年的一份备忘录,该备忘录指出,铀-233作为一种武器材料已经被证明是非常令人满意的,尽管它只是在极少数情况下优于钚。 据称,如果现有的武器是以铀-233为基础,而不是以钚-239为基础,利弗莫尔公司就不会有兴趣改用钚[2][3]。
铀-232的共存会使铀-233的制造和使用复杂化,尽管利弗莫尔的备忘录表明这种复杂情况有可能被解决。
因此,虽然有可能将铀-233用作核武器的裂变材料,但撇开猜测不谈,关于这种同位素实际已经武器化的公开资料很少。
美国在1955年"茶壶行动""MET "试验中引爆了一个实验装置,该装置使用了钚/铀-233复合坑道;其设计是以TX-7E的钚/235U坑道为基础的,TX-7E是1951 年"Buster-Jangle行动""Easy "试验中使用的Mark 7核弹设计原型。 虽然不是彻底的失败,但MET的实际产量为22千吨,充分低于预测的33千吨,因此收集到的资料价值有限。
苏联在同年引爆了第一颗氢弹RDS-37,该氢弹的裂变芯为铀235和铀233。
1998年,作为波克兰-II试验的一部分,印度引爆了一个名为Shakti V的低当量(0.2千吨)铀-233实验装置。
汉福德场地的B反应堆和其他为生产武器级材料而优化的反应堆被用来制造铀-233。
据认为,美国总共生产了两吨铀-233,纯度各不相同,有些铀-233的杂质含量低至6ppm。
232U 杂质
[编辑]233U的生产(通过钍-232的辐照),由于铀-233本身或原镤-233或钍-232的寄生(n,2n)反应,总会产生少量的铀-232作为杂质。
钍-232 (n,γ) → 钍-233 (β−) → 镤-233 (β−) →铀-233(n,2n) → 铀-232
另一个渠道涉及对少量钍-230的中子俘获反应,钍-230是铀-238衰变后存在的天然钍的一小部分。
- 钍-230 (n,γ) → 钍-231 (β−) → 镤-231 (n,γ) → 镤-232(β−) → 铀-232
232U的衰变链迅速产生强伽马辐射发射体, 铊-208是其中最强的一种,为2.6MeV。
- 铀-232 (α, 68.9年)
- 钍-228 (α, 1.9年)
- 镭-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)
- 钋-216 (α, 0.15秒)
- 铅-212(β−, 10.64小时)
- 铋-212 (α, 61分钟, 0.78 MeV)
- 铊-208(β−, 1.8 MeV, 3分钟, with a γ of 2.6 MeV)
- 铅-208 (稳定)
这就使得在手套箱中仅用轻型屏蔽装置(如通常对钚所做的那样)进行人工处理过于危险(可能在铀与其衰变产物进行化学分离后的短时间内除外),而需要复杂的远程操作来制造燃料。
即使在百万分之五的情况下,危害也是很大的。 内爆型核武器要求铀-232的含量低于50ppm(高于此水平的铀-233被认为是"低级";参见"标准武器级钚要求钚-240含量不超过6.5%。"即65000ppm,而类似的钚-238的生产水平 为0.5%(5000ppm)或更低)。 枪式裂变武器另外还需要低水平(1ppm范围)的轻杂质,以保持中子产生量低。
生产铀-232含量低的 "清洁 "铀-233,需要几个因素 1)获得相对纯净的钍-232源,低钍-230(也会转化为铀-232),2)调节入射中子的能量不高于6MeV(能量过高的中子会引起钍232(n,2n→钍231反应,因为这样可能会产生铀-232) 3)在铀-233浓度积累到过高的水平之前,将钍样品从中子通量中移除,以避免铀-233本身发生裂变(会产生高能中子)。
熔盐反应堆实验(MSRE)使用的铀-233,是在印第安点能源中心等轻水反应堆中培育出来的,约为220ppm的铀-232。
核燃料循环
[编辑]1946年,在联合国的一份报告和Glenn T. Seaborg的一次演讲之后,公众首次了解到由钍培育的铀-233是 "除铀-235和钚-239之外的第三种可用的核能和原子弹来源"。
美国在冷战期间生产了约2公吨铀-233,其化学纯度和同位素纯度各不相同。 这些铀-233是在汉福德场址和萨凡纳河场址为生产钚-239而设计的反应堆中生产的。
核燃料
[编辑]铀-233已被用作若干不同类型反应堆的燃料,并被提议用作若干新设计的燃料(见钍燃料循环),所有这些设计都是从钍中孕育铀-233的。铀-233可以在快中子反应堆或热中子反应堆中孕育,与铀-238燃料循环不同的是,它需要快堆优越的中子经济性来孕育钚,即生产出比消耗更多的裂变材料。
印度拥有大量的钍储量,其核电计划的长期战略是转向以钍为原料培育铀-233的核计划。
释放能量
[编辑]一颗铀-233原子的裂变会产生 197.9 MeV = 3.171·10−11 J (19.09 TJ/mol = 81.95 TJ/kg).
来源 | 平均释放能量 (MeV) |
---|---|
瞬时释放的能量 | |
裂片的动能 | 168.2 |
瞬发中子的动能 | 4.8 |
瞬发γ射线携带的能量 | 7.7 |
衰变裂变产物产生的能量 | |
β-粒子的能量 | 5.2 |
中微子的能量 | 6.9 |
延迟γ射线的能量 | 5.0 |
总和(不包括反中微子逃逸) | 191.0 |
捕获那些不会(再)产生裂变的瞬发中子时释放的能量 | 9.1 |
在运行中的热核反应堆中,能量转化为热 | 200.1 |
参考资料
[编辑]- ^ C. W. Forsburg; L. C. Lewis. Uses For Uranium-233: What Should Be Kept for Future Needs? (PDF). Ornl-6952 (Oak Ridge National Laboratory). 24 September 1999 [2023-10-19]. (原始内容存档 (PDF)于2021-07-23).
- ^ Atomic Energy 'Secret' Put into Language That Public Can Understand. Pittsburgh Press. United Press. 29 September 1946 [18 October 2011]. (原始内容存档于2017-03-13).
- ^ Third Nuclear Source Bared. The Tuscaloosa News. United Press. 21 October 1946 [18 October 2011]. (原始内容存档于2017-03-13).