Uran-233

Uran-233
{{{elektronová konfigurace}}} 233 U 92
Obecné
Název, značka, číslo	Uran-233, U, 92
Chemická skupina	Aktinoidy
Izotopy
I V (%) S T1/2 Z E (MeV) P 233U 5/2+ 159 200 roků α 4,908 7 229Th
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa).
U

Uran-233 (²³³U nebo U-233) je štěpitelný izotop uranu, s poločasem přeměny přibližně 159 200 roků, který vzniká v rámci thoriového palivového cyklu z thoria-232. Byl zkoumán pro možné využití v jaderných zbraních a reaktorech; byl použit v experimentálních reaktorech.

Uran-233 vzniká záchytem neutronu v thoriu-232, čímž se vytvoří thorium-233 (²³³Th), jež má poločas přeměny 21,8 minuty a přeměňuje se beta minus přeměnou na protaktinium-233 (²³³Pa). ²³³Pa má poločas necelých 27 dnů a mění se přeměnou beta minus na uran-233; v některých navržených reaktorech založených na roztavených solích se protaktinium izoluje, aby se zabránilo dalšímu záchytu neutronů před beta přeměnou, což umožňuje lepší využití neutronů (při přeskočení ²³³U by dalším štěpitelným izotopem byl ²³⁵U, takže k dosažení štěpení by byly třeba 4 neutrony).

²³³U se po záchytu neutronu obvykle rozštěpí, ale někdy ke štěpení nedojde a vznikne tím uran-234. Poměr záchytu ke štěpení je u uranu-233 menší, než u zbylých dvou hlavních štěpitelných nuklidů, uranu-235 a plutonia-239.^[zdroj?]

Štěpný materiál

Experiment s reaktorem založeným na roztavené soli, prováděný v Národních laboratořích v Oak Ridge

Jaderná elektrárna Shippingport

Jaderný reaktor THTR-300 v Německu

V roce 1946 byl uran-233 získaný z thoria poprvé veřejně označen za třetí možné palivo pro jaderné elektrárny a zbraně (vedle uranu-235 a plutonia-239).

Ve Spojených státech amerických se během studené války vyrobilo kolem 2 tun uranu-233, v různé chemické i izotopové čistotě.

Výroba probíhala na Hanford Site a Savannah River Site v reaktorech určených na výrobu plutonia-239.

Jaderné palivo

Uran-233 byl navržen jako palivo do několika druhů reaktorů, potenciální využití má v několika nových druzích reaktorů s thoriovým palivovým cyklem, kde vzniká z thoria. ²³³U může být vytvářen jak v rychlých reaktorech, tak i v tepelných reaktorech, zatímco palivové cykly založené na uranu-238 vyžadují ke vzniku silnější tok neutronů v rychlém reaktoru, aby se vytvářelo více štěpného materiálu, než se spotřebuje.

V Indii, která má velká ložiska thoria, je snaha o posun jaderného programu k získávání uranu-233 z thoria.

Uvolněná energie

Rozštěpením jednoho jádra uranu-233 se uvolní 197,9 MeV, tedy 3,171·10⁻¹¹ J, což je 19,09 TJ/mol a 81,95 TJ/kg).

Zdroj	Průměrná uvolněná energie (MeV)
Přímo uvolněná energie
Kinetická energie jader vzniklých štěpením	168,2
Kinetická energie uvolněných neutronů	4,8
Energie fotonů záření γ	7,7
Energie z rozpadu produktů štěpení
Energie částic β−	5,2
Energie antineutrin	6,9
Energie druhotných γ fotonů	5,0
Celkem (kromě odcházejících antineutrin)	191,0
Energie získaná záchytem neutronů uvolněných štěpením, které se neúčastní dalšího štěpení	9,1
Energie přeměněná na teplo při provozu tepelného jaderného reaktoru	200,1

Materiál pro zbraně

První výbuch jaderné bomby obsahující U-233, provedený 15. dubna 1955

Jako možný materiál pro jaderné zbraně je uran-233 více podobný plutoniu-239 než uranu-235, protože se vyrábí uměle, namísto izolace z přírodních zdrojů. Jeho kritická hmotnost je podobně jako u ²³⁹Pu 4–5 kg.

V roce 1994 přestal být uran-233 považován za velmi dobrý materiál pro zbraně, uznána ale byla jeho výhodnost v ojedinělých případech. Bylo ovšem oznámeno, že stávající zbraně založené na uranu-233 místo plutonia-239, nebudou nahrazovány plutoniovými.

Výrobu uranu-233 mohou ztěžovat příměsi ²³²U čemuž se však lze vyhnout.

I když je možné použít uran-233 jako štěpný materiál v jaderných zbraních, tak existují pochybnosti o jeho skutečném využívání; předpokládá se, že je U-233 obsažen v indických jaderných zbraních, protože je zde snadno dostupné thorium, a může být používán i jinde, ovšem veřejně dostupných údajů o jeho používání není mnoho:

• Spojené státy americké odpálily v roce 1955 v rámci Operace Teapot bombu obsahující směs ²³³U a plutonia; sestavenou stejně jako u zbraně obsahující plutonium/²³⁵U z TX-7E, prototypu jaderné bomby Mark 7 testované roku 1951. Dosažená energie 22 kilotun byla nižší, než očekávaných 33 kilotun.
• Ve stejném roce odpálil Sovětský svaz první vodíkovou bombu, RDS-37, obsahující štěpné jádro z ²³⁵U a ²³³U.
• Roku 1998 vybouchla indická experimentální zbraň založená na uranu-233 o nízké síle (0,2 kilotuny) nazvaná Šakti V.

Na výrobu ²³³U v  Hanford Site byly použity reaktor B i jiné reaktory vytvořené na výrobu zbraňového materiálu.

Celkově bylo ve Spojených státech vyrobeno kolem dvou tun ²³³U, s rozdílnou čistotou, přičemž některé vzorky obsahovaly jen 6 ppm ²³²U.

Příměsi ²³²U

Při výrobě ²³³U ozařováním ²³²Th vznikají také malá množství ²³²U (n,2n) reakcí ²³³U, ²³³Pa, nebo ²³²Th:

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

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

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

Dalším způsobem jeho tvorby je záchyt neutronů na malých množstvích ²³⁰Th, které je součástí přeměnové řady uranu-238 a tak se v malých množstvích také nachází v přírodě:

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

V rozpadové řadě ²³²U rychle vznikají nuklidy, které jsou silnými zdroji záření gama; nejsilnějším z nich je thallium-208, u nějž mají gama fotony energii 2,6 MeV:

²³²U (α, 68,9 r)

²²⁸Th (α, 1,9 r)

²²⁴Ra (α, 5,44 MeV, 3,6 d; γ, 0,24 MeV)

²²⁰Rn (α, 6,29 MeV, 56 s; γ, 0.54 MeV)

²¹⁶Po (α, 0,15 s)

²¹²Pb (β⁻, 10,64 h)

²¹²Bi (α, 61 min, 0,78 MeV)

²⁰⁸Tl (β⁻, 1,8 MeV, 3 min; γ, 2,6 MeV)

²⁰⁸Pb (stabilní)

Z tohoto důvodu je přechovávání v rukavicových boxech se slabým odstíněním (časté u plutonia) příliš nebezpečné a vyžaduje při výrobě paliva použití dálkových manipulátorů.

Významné nebezpečí se objevuje i při koncentracích na úrovni 5 ppm. Implozní jaderné zbraně musí mít obsah ²³²U pod 50 ppm (u zbraňového plutonia nemá obsah ²⁴⁰Pu překročit 6,5 %, tedy 65 000 ppm a zastoupení ²³⁸Pu nemá být vyšší než 0,5 % (5 000 ppm). U pistolových jaderných zbraní je navíc potřebný nízký obsah (nejvýše 1 ppm) lehkých nečistot, aby se nevytvářelo příliš mnoho neutronů.

Výroba „čistého“ ²³³U, s nízkým zastoupením ²³²U, vyžaduje několik faktorů: 1) zdroj dostatečně čistého ²³²Th, s nízkým obsahem ²³⁰Th (které se přeměňuje na ²³²U), 2) zpomalování vznikajících neutronů, aby jejich energie nepřesáhla 6 MeV (při vyšší energii vyvolávají reakci ²³²Th (n,2n) → ²³¹Th) a 3) oddělení thoria od proudu neutronů před dosažením vysoké koncentrace ²³³U, což by způsobilo jeho štěpení a uvolňování vysokoenergetických neutronů.

Při experimentu s reaktorem založeným na roztavených solích (MSRE) byl vytvořen v lehkovodním reaktoru ²³³U mající kolem 220 ppm ²³²U.

Další údaje

Thorium, ze kterého se vyrábí ²³³U, se v zemské kůře vyskytuje v třikrát až čtyřikrát větším množství než uran.

Rozpadová řada ²³³U je součástí neptuniové řady, jejímž výchozím nuklidem je ²³⁷Np.

Uran-233 má využití při získávání izotopů ²²⁵Ac a ²¹³Bi, které se vyskytují v jeho rozpadové řadě, pro lékařská použití, v nízkohmotnostních jaderných reaktorech s vesmírnými využitími, jako izotopový značkovač, ve výzkumu jaderných zbraní, a jako palivo reaktorů s thoriovým palivovým cyklem.

Bismut-213 je potenciálně využitelný na léčbu některých nádorových onemocnění, jako jsou akutní myeloidní leukémie a nádory slinivky břišní a ledvin.

Odkazy

Související články

• Množivý reaktor
• Reaktor s kapalným fluoridem thoričitým

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Uran-233 na Wikimedia Commons

Portály: Chemie