Urânio-233 - Uranium-233
Em geral | |
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Símbolo | 233 U |
Nomes | urânio-233, U-233 |
Prótons | 92 |
Nêutrons | 141 |
Dados de nuclídeo | |
Meia-vida | 160.000 anos |
Isótopos pais |
237 Pu ( α ) 233 Np ( β + ) 233 Pa ( β - ) |
Produtos decadentes | 229 th |
Massa isotópica | 233,039 u |
Isótopos de urânio Tabela completa de nuclídeos |
Urânio-233 ( 233 U) é um isótopo físsil de urânio que é gerado a partir de tório-232 como parte do ciclo de combustível de tório . O urânio-233 foi investigado para uso em armas nucleares e como combustível de reator . Ele tem sido usado com sucesso em reatores nucleares experimentais e proposto para um uso muito mais amplo como combustível nuclear . Sua meia-vida é de 160.000 anos.
O urânio-233 é produzido pela irradiação de nêutrons do tório-232. Quando o tório-232 absorve um nêutron, ele se torna o tório-233 , que tem meia-vida de apenas 22 minutos. Thorium-233 decai em protactinium -233 através do decaimento beta . O protactínio-233 tem meia-vida de 27 dias e o beta decai em urânio-233; alguns projetos de reatores de sal fundido propostos tentam isolar fisicamente o protactínio da captura de nêutrons adicionais antes que o decaimento beta possa ocorrer, para manter a economia de nêutrons (se ele perder a janela 233 U, o próximo alvo físsil é 235 U, o que significa um total de 4 nêutrons necessário para desencadear a fissão).
O 233 U geralmente se divide na absorção de nêutrons , mas às vezes retém o nêutron, tornando - se urânio-234 . A proporção de captura para fissão do urânio-233 é menor do que a dos outros dois principais combustíveis físseis, urânio-235 e plutônio-239 .
Material físsil
Em 1946, o público foi informado pela primeira vez do urânio-233 produzido a partir do tório como "uma terceira fonte disponível de energia nuclear e bombas atômicas" (além do urânio-235 e do plutônio-239 ), após um relatório das Nações Unidas e um discurso de Glenn T. Seaborg .
Os Estados Unidos produziram, ao longo da Guerra Fria , aproximadamente 2 toneladas métricas de urânio-233, em diversos níveis de pureza química e isotópica. Estes foram produzidos em Hanford Site e Savannah River Site em reatores que foram projetados para a produção de plutônio-239.
Combustível nuclear
O urânio-233 tem sido usado como combustível em vários tipos de reatores diferentes e é proposto como combustível para vários projetos novos (veja o ciclo de combustível do tório) , todos os quais o originam do tório. O urânio-233 pode ser cultivado em reatores rápidos ou reatores térmicos , ao contrário dos ciclos de combustível à base de urânio-238, que requerem a economia de nêutrons superior de um reator rápido para gerar plutônio, ou seja, produzir mais material físsil do que o consumido .
A estratégia de longo prazo do programa de energia nuclear da Índia , que tem reservas substanciais de tório, é passar para um programa nuclear de criação de urânio-233 a partir de matéria-prima de tório.
Energia liberada
A fissão de um átomo de urânio-233 gera 197,9 MeV = 3,171 · 10 −11 J (ou seja, 19,09 TJ / mol = 81,95 TJ / kg).
Fonte | Energia média liberada (MeV) |
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Energia liberada instantaneamente | |
Energia cinética de fragmentos de fissão | 168,2 |
Energia cinética de nêutrons imediatos | 4,8 |
Energia transportada por raios γ imediatos | 7,7 |
Energia de produtos de fissão em decomposição | |
Energia das partículas β | 5,2 |
Energia de anti-neutrinos | 6,9 |
Energia de raios γ atrasados | 5.0 |
Soma (excluindo anti-neutrinos de escape) | 191,0 |
Energia liberada quando os nêutrons imediatos que não (re) produzem fissão são capturados | 9,1 |
Energia convertida em calor em um reator nuclear térmico em operação | 200,1 |
Material de arma
Como um potencial material de arma, o urânio-233 puro é mais semelhante ao plutônio-239 do que o urânio-235 em termos de fonte (criado vs natural), meia-vida e massa crítica (ambos 4-5 kg em esfera refletida de berílio).
Em 1994, o governo dos Estados Unidos divulgou um memorando de 1966 que afirma que o urânio-233 demonstrou ser altamente satisfatório como material para armas, embora só seja superior ao plutônio em raras circunstâncias. Foi alegado que se as armas existentes fossem baseadas em urânio-233 em vez de plutônio-239, Livermore não estaria interessado em mudar para plutônio.
A co-presença de urânio-232 pode complicar a fabricação e o uso de urânio-233, embora o memorando de Livermore indique uma probabilidade de que essa complicação possa ser contornada.
Embora seja possível usar o urânio-233 como o material físsil de uma arma nuclear , especulações à parte, há poucas informações disponíveis publicamente sobre este isótopo realmente ter sido transformado em arma :
- Os Estados Unidos detonaram um dispositivo experimental no teste "MET" da Operação Teapot de 1955, que utilizou um poço composto de plutônio / 233 U ; seu projeto foi baseado no poço de plutônio / 235 U do TX-7E, um protótipo de bomba nuclear Mark 7 usado no teste "Fácil" da Operação Buster-Jangle de 1951 . Embora não seja um fracasso total , o rendimento real do MET de 22 quilotons foi suficientemente abaixo dos 33 kt previstos que as informações coletadas foram de valor limitado.
- A União Soviética detonou sua primeira bomba de hidrogênio no mesmo ano, a RDS-37 , que continha um núcleo físsil de 235 U e 233 U.
- Em 1998, como parte de seus testes Pokhran-II , a Índia detonou um dispositivo experimental 233 U de baixo rendimento (0,2 kt) chamado Shakti V.
O B Reactor e outros no local de Hanford otimizados para a produção de material adequado para armas foram usados para fabricar 233 U.
No geral, acredita-se que os Estados Unidos tenham produzido duas toneladas de 233 U, de vários níveis de pureza, alguns com teor de impurezas 232 U tão baixo quanto 6 ppm.
Impureza 232 U
A produção de 233 U (através da irradiação de tório-232 ) invariavelmente produz pequenas quantidades de urânio-232 como impureza, por causa de reações parasitárias (n, 2n) no próprio urânio-233, ou no protactínio-233 , ou no tório- 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
Outro canal envolve a reação de captura de nêutrons em pequenas quantidades de tório-230 , que é uma pequena fração de tório natural presente devido à decomposição do urânio-238 :
- 230 Th (n, γ) → 231 Th (β−) → 231 Pa (n, γ) → 232 Pa (β−) → 232 U
A cadeia de decaimento de 232 U rapidamente produz fortes emissores de radiação gama . Tálio-208 é o mais forte deles, a 2,6 MeV:
- 232 U (α, 68,9 y)
- 228 Th (α, 1,9 y)
- 224 Ra (α, 5,44 MeV, 3,6 d, com um γ de 0,24 MeV)
- 220 Rn (α, 6,29 MeV, 56 s, com um 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, com um γ de 2,6 MeV)
- 208 Pb (estável)
Isso torna o manuseio manual em um porta - luvas com apenas proteção contra luz (como comumente feito com plutônio ) muito perigoso (exceto possivelmente em um curto período imediatamente após a separação química do urânio de seus produtos de decomposição) e, em vez disso, requer manipulação remota complexa para fabricação de combustível .
Os riscos são significativos mesmo em 5 partes por milhão . As armas nucleares de implosão requerem níveis de 232 U abaixo de 50 ppm (acima do qual o 233 U é considerado de "baixo grau"; cf. "Plutônio de grau de arma padrão requer um conteúdo de 240 Pu de não mais que 6,5%." Que é 65000 ppm, e o 238 Pu análogo foi produzido em níveis de 0,5% (5000 ppm) ou menos). As armas de fissão do tipo canhão também precisam de baixos níveis (faixa de 1 ppm) de impurezas leves, para manter baixa a geração de nêutrons.
A produção de 233 U "limpo" , baixo em 232 U, requer alguns fatores: 1) obtenção de uma fonte 232 Th relativamente pura , baixa em 230 Th (que também transmuta para 232 U), 2) moderando os nêutrons incidentes para ter uma energia não superior a 6 MeV (nêutrons de energia muito alta causam a reação 232 Th (n, 2n) → 231 Th) e 3) remover a amostra de tório do fluxo de nêutrons antes que a concentração de 233 U se acumule a um nível muito alto, a fim de evitar a fissão do próprio 233 U (que produziria nêutrons energéticos).
O Experimento de Reator de Sal Fundido (MSRE) usou 233 U, produzidos em reatores de água leve como o Indian Point Energy Center , que era cerca de 220 ppm 232 U.
Outras informações
Tório, do qual 233 U é gerado, é cerca de três a quatro vezes mais abundante na crosta terrestre do que o urânio. A cadeia de decomposição do próprio 233 U faz parte da série do neptúnio , a cadeia de decomposição de seu avô 237 Np.
Os usos do urânio-233 incluem a produção dos isótopos médicos actinium-225 e bismuto-213, que estão entre suas filhas, reatores nucleares de baixa massa para aplicações de viagens espaciais, uso como traçador isotópico , pesquisa de armas nucleares e pesquisa de combustível de reator, incluindo o ciclo de combustível de tório .
O radioisótopo bismuto -213 é um produto do decaimento do urânio-233; é uma promessa para o tratamento de certos tipos de câncer , incluindo leucemia mieloide aguda e câncer de pâncreas , rins e outros órgãos .
Veja também
Notas