El uranio-233 ( 233 U) es un isótopo fisionable del uranio que se obtiene a partir del torio-232 como parte del ciclo del combustible del torio . Se investigó el uranio-233 para su uso en armas nucleares y como combustible para reactores . [2] Se ha utilizado con éxito en reactores nucleares experimentales y se ha propuesto para un uso mucho más amplio como combustible nuclear . Tiene una vida media de 160.000 años.
General | |
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Símbolo | 233 U |
Nombres | uranio-233, U-233 |
Protones | 92 |
Neutrones | 141 |
Datos de nucleidos | |
Media vida | 160.000 años [1] |
Isótopos parentales | 237 Pu ( α ) 233 Np ( β + ) 233 Pa ( β - ) |
Productos de descomposición | 229 mil |
Masa de isótopos | 233.039 u |
Isótopos de uranio Tabla completa de nucleidos |
El uranio-233 es producido por la irradiación de neutrones de torio-232. Cuando el torio-232 absorbe un neutrón, se convierte en torio-233 , que tiene una vida media de solo 22 minutos. El torio-233 se desintegra en protactinio -233 a través de la desintegración beta . El protactinio-233 tiene una vida media de 27 días y la beta se desintegra en uranio-233; Algunos diseños propuestos de reactores de sales fundidas intentan aislar físicamente el protactinio de la captura de neutrones adicional antes de que pueda ocurrir la desintegración beta, para mantener la economía de neutrones (si no alcanza la ventana de 233 U, el siguiente objetivo fisible es 235 U, lo que significa un total de 4 neutrones necesario para desencadenar la fisión).
El 233 U generalmente se fisiona en la absorción de neutrones , pero a veces retiene el neutrón, convirtiéndose en uranio-234 . La relación de captura a fisión del uranio-233 es menor que la de los otros dos principales combustibles fisibles, el uranio-235 y el plutonio-239 . [ cita requerida ]
Material fisionable
En 1946, el público se enteró por primera vez del uranio-233 obtenido a partir del torio como "una tercera fuente disponible de energía nuclear y bombas atómicas" (además del uranio-235 y el plutonio-239 ), tras un informe de las Naciones Unidas y un discurso de Glenn T. Seaborg . [3] [4]
Estados Unidos produjo, en el transcurso de la Guerra Fría , aproximadamente 2 toneladas métricas de uranio-233, en diferentes niveles de pureza química e isotópica. [2] Estos fueron producidos en Hanford Site y Savannah River Site en reactores que fueron diseñados para la producción de plutonio-239. [5]
Combustible nuclear
El uranio-233 se ha utilizado como combustible en varios tipos de reactores diferentes y se propone como combustible para varios diseños nuevos (ver ciclo del combustible de torio) , todos los cuales lo generan a partir del torio. El uranio-233 se puede generar en reactores rápidos o térmicos , a diferencia de los ciclos de combustible basados en uranio-238 , que requieren la economía de neutrones superior de un reactor rápido para generar plutonio, es decir, producir más material fisible del que se consume. .
La estrategia a largo plazo del programa de energía nuclear de la India , que tiene reservas sustanciales de torio, es pasar a un programa nuclear que críe uranio-233 a partir de materia prima de torio.
Energía liberada
La fisión de un átomo de uranio-233 genera 197,9 MeV = 3,171 · 10 −11 J (es decir, 19,09 TJ / mol = 81,95 TJ / kg). [6]
Fuente | Energía media liberada (MeV) |
---|---|
Energía liberada instantáneamente | |
Energía cinética de fragmentos de fisión | 168,2 |
Energía cinética de los neutrones rápidos | 4.8 |
Energía transportada por rayos γ rápidos | 7.7 |
Energía de productos de fisión en descomposición | |
Energía de las partículas β −- | 5.2 |
Energía de los antineutrinos | 6,9 |
Energía de rayos γ retardados | 5.0 |
Suma (excluyendo los anti-neutrinos de escape) | 191.0 |
Energía liberada cuando se capturan los neutrones rápidos que no (re) producen fisión | 9.1 |
Energía convertida en calor en un reactor nuclear térmico en funcionamiento | 200,1 |
Material de arma
Como material de arma potencial, el uranio-233 puro es más similar al plutonio-239 que al uranio-235 en términos de fuente (criado frente a natural), vida media y masa crítica (ambos de 4 a 5 kg en la esfera reflejada de berilio). [7]
En 1994, el gobierno de Estados Unidos desclasificó un memorando de 1966 que afirma que se ha demostrado que el uranio-233 es muy satisfactorio como material de armamento, aunque solo es superior al plutonio en raras circunstancias. Se afirmó que si las armas existentes estuvieran basadas en uranio-233 en lugar de plutonio-239, Livermore no estaría interesado en cambiar a plutonio. [8]
La co-presencia de uranio-232 [9] puede complicar la fabricación y el uso del uranio-233, aunque el memo de Livermore indica una probabilidad de que esta complicación pueda solucionarse. [8]
Si bien, por lo tanto, es posible utilizar uranio-233 como material fisionable de un arma nuclear , aparte de las especulaciones [10] , hay poca información públicamente disponible sobre este isótopo que haya sido realmente armado:
- Estados Unidos detonó un dispositivo experimental en la prueba "MET" de la Operación Tetera de 1955, que utilizó un pozo compuesto de plutonio / 233 U ; su diseño se basó en el pozo de plutonio / 235 U del TX-7E, un prototipo de diseño de bomba nuclear Mark 7 utilizado en la prueba "Easy" de la Operación Buster-Jangle de 1951 . Aunque no es un fracaso absoluto , el rendimiento real de MET de 22 kilotones estuvo lo suficientemente por debajo de los 33 kt previstos, por lo que la información recopilada fue de valor limitado. [11] [12]
- La Unión Soviética detonó su primera bomba de hidrógeno el mismo año, la RDS-37 , que contenía un núcleo fisionable de 235 U y 233 U. [13]
- En 1998, como parte de sus pruebas Pokhran-II , India detonó un dispositivo experimental de 233 U de bajo rendimiento (0,2 kt) llamado Shakti V. [14] [15]
El Reactor B y otros en el sitio de Hanford optimizados para la producción de material apto para armas se han utilizado para fabricar 233 U. [16] [17] [18] [19]
En general, se cree que Estados Unidos ha producido dos toneladas de 233 U, de varios niveles de pureza, algunas con un contenido de impurezas de 232 U tan bajo como 6 ppm. [20]
232 U impureza
La producción de 233 U (a través de la irradiación de torio-232 ) produce invariablemente pequeñas cantidades de uranio-232 como impureza, debido a reacciones parásitas (n, 2n) en el propio uranio-233, o en el protactinio-233 o en el torio. 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
Otro canal involucra la reacción de captura de neutrones en pequeñas cantidades de torio-230 , que es una pequeña fracción del torio natural presente debido a la desintegración del uranio-238 :
- 230 Th (n, γ) → 231 Th (β−) → 231 Pa (n, γ) → 232 Pa (β−) → 232 U
La cadena de desintegración de 232 U rápidamente produce fuertes emisores de radiación gamma . El talio-208 es el más fuerte de estos, a 2,6 MeV:
- 232 U (α, 68,9 años)
- 228 miles (α, 1,9 años)
- 224 Ra (α, 5,44 MeV, 3,6 d, con una γ de 0,24 MeV)
- 220 Rn (α, 6,29 MeV, 56 s, con γ de 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, con una γ de 2.6 MeV)
- 208 Pb (estable)
Esto hace que el manejo manual en una guantera con solo un blindaje ligero (como se hace comúnmente con plutonio ) sea demasiado peligroso (excepto posiblemente en un período corto inmediatamente después de la separación química del uranio de sus productos de descomposición) y, en cambio, requiere una compleja manipulación remota para la fabricación de combustible. .
Los peligros son significativos incluso a 5 partes por millón . Las armas nucleares de implosión requieren niveles de 232 U por debajo de 50 ppm (por encima del cual el 233 U se considera "bajo grado"; cf. "El plutonio de grado de arma estándar requiere un contenido de 240 Pu de no más del 6,5%", que es 65000 ppm, y se produjo un análogo de 238 Pu en niveles de 0,5% (5000 ppm) o menos). Las armas de fisión tipo pistola también necesitan niveles bajos (rango de 1 ppm) de impurezas ligeras, para mantener baja la generación de neutrones. [9] [21]
La producción de 233 U "limpios" , baja en 232 U, requiere algunos factores: 1) obtener una fuente de 232 Th relativamente pura , baja en 230 Th (que también transmuta a 232 U), 2) moderar los neutrones incidentes para tener una energía no superior a 6 MeV (los neutrones de energía demasiado alta provocan la reacción de 232 Th (n, 2n) → 231 Th) y 3) eliminar la muestra de torio del flujo de neutrones antes de que la concentración de 233 U aumente a un nivel demasiado alto, para evitar la fisión del propio 233 U (que produciría neutrones energéticos). [20] [22]
El Experimento del Reactor de Sal Fundida (MSRE) utilizó 233 U, criados en reactores de agua ligera como el Indian Point Energy Center , que fue de aproximadamente 220 ppm 232 U. [23]
Más información
El torio, del que se obtiene el 233 U, es aproximadamente de tres a cuatro veces más abundante en la corteza terrestre que el uranio. [24] [25] La cadena de desintegración de 233 U en sí es parte de la serie del neptunio , la cadena de desintegración de su abuelo 237 Np.
Los usos del uranio-233 incluyen la producción de los isótopos médicos actinio-225 y bismuto-213, que se encuentran entre sus hijos, reactores nucleares de baja masa para aplicaciones de viajes espaciales, uso como trazador isotópico , investigación de armas nucleares e investigación de combustible de reactores, incluido el ciclo del combustible de torio . [2]
El radioisótopo bismuto -213 es un producto de desintegración del uranio-233; es prometedor para el tratamiento de ciertos tipos de cáncer , incluida la leucemia mieloide aguda y los cánceres de páncreas , riñones y otros órganos .
Ver también
- Reactor reproductor
- Reactor de fluoruro de torio líquido
Notas
- ^ http://www.doh.wa.gov/portals/1/Documents/Pubs/320-086_u233han_fs.pdf
- ↑ a b c C. W. Forsburg y LC Lewis (24 de septiembre de 1999). "Usos del uranio-233: ¿Qué se debe conservar para las necesidades futuras?" (PDF) . Ornl-6952 . Laboratorio Nacional de Oak Ridge.
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|journal=
( ayuda ) - ^ "Fisión nuclear 4.7.1" . www.kayelaby.npl.co.uk . Consultado el 21 de abril de 2018 .
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- ^ Agrawal, Jai Prakash (2010). Materiales de alta energía: propulsores, explosivos y pirotecnia . Wiley-VCH . págs. 56–57. ISBN 978-3-527-32610-5. Consultado el 19 de marzo de 2012 .declara brevemente que se cree que el U233 "es un componente del programa de armas de la India debido a la disponibilidad de torio en abundancia en la India", y que también podría serlo en otros lugares.
- ^ "Operación Tetera" . Archivo de armas nucleares . 15 de octubre de 1997 . Consultado el 9 de diciembre de 2008 .
- ^ "Operación Buster-Jangle" . Archivo de armas nucleares . 15 de octubre de 1997 . Consultado el 18 de marzo de 2012 .
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- ^ Rajat Pandit (28 de agosto de 2009). "Fuerzas gung-ho en N-arsenal" . Los tiempos de la India . Consultado el 20 de julio de 2012 .
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- ^ Preguntas frecuentes sobre materiales nucleares
- ^ Patente estadounidense 4393510
- ^ [1] (ver PDF p. 10)
- ^ "Abundancia en la corteza terrestre: periodicidad" . WebElements.com. Archivado desde el original el 23 de mayo de 2008 . Consultado el 12 de abril de 2014 .
- ^ "Es elemental - la tabla periódica de elementos" . Laboratorio de Jefferson. Archivado desde el original el 29 de abril de 2007 . Consultado el 14 de abril de 2007 .
Mechero: uranio-232 | El uranio-233 es un isótopo del uranio | Más pesado: uranio-234 |
Producto de desintegración de: plutonio-237 ( α ) neptunio-233 ( β + ) protactinio-233 ( β− ) | Cadena de desintegración del uranio-233 | Decae a: torio-229 (α) |