Введение

Делящийся изотоп урана

Уран-233 (233U или U-233) — это делящийся изотоп урана, который образуется из тория-232 в рамках ториевого топливного цикла. Уран-233 исследовался на предмет использования в ядерном оружии и в качестве топлива для ядерных реакторов. Соединенные Штаты произвели в ходе холодной войны около 2 метрических тонн урана-233 с различной степенью химической и изотопной чистоты. Производство осуществлялось на объектах Ханфорд и Саванна-Ривер в реакторах, предназначенных для производства плутония-239.

Ядерное топливо

Уран-233 использовался в качестве топлива в нескольких различных типах реакторов и предлагается для использования в ряде новых конструкций (см. ториевый топливный цикл), все из которых производят его из тория. Уран-233 может быть получен как в быстрых, так и в тепловых реакторах, в отличие от топливных циклов на основе урана-238, которым для воспроизводства плутония, то есть для производства большего количества делящегося материала, чем расходуется, необходима более эффективная экономия нейтронов в быстром реакторе. Долгосрочная стратегия ядерной энергетической программы Индии, располагающей значительными запасами тория, заключается в переходе к ядерной программе, воспроизводящей уран-233 из ториевого сырья.

Выделяемая энергия

Расщепление одного атома урана-233 генерирует 197,9 МэВ = 3,171·10−11 Дж (т. е. 19,09 ТДж/моль = 81,95 ТДж/кг = 22764 МВт·ч/кг, что в 1,8 миллиона раз больше, чем та же масса дизельного топлива). Источник. Средняя высвобождаемая энергия (МэВ) Мгновенно высвобождаемая энергия. Кинетическая энергия осколков деления 168,2. Кинетическая энергия быстрых нейтронов 4,8. Энергия, переносимая мгновенными гамма-лучами 7,7. Энергия от распада продуктов деления. Энергия бета-частиц 5,2. Энергия антинейтрино 6,9. Энергия запаздывающих гамма-лучей 5,0. Сумма (без учета вылетающих антинейтрино) 191,0. Энергия, высвобождаемая при захвате быстрых нейтронов, не вызывающих (повторное) деление 9,1. Энергия, преобразуемая в тепло в работающем тепловом ядерном реакторе 200,1.

Материал для оружия

Как потенциальный оружейный материал, чистый уран-233 более похож на плутоний-239, чем на уран-235, с точки зрения источника (полученный в реакторе против природного), периода полураспада и критической массы (оба – 4–5 кг в сфере, отраженной бериллием). В отличие от плутония, наработанного в реакторе, он имеет очень низкую скорость спонтанного деления, что в сочетании с его низкой критической массой изначально делало его привлекательным для создания компактного оружия типа «пушка», такого как артиллерийские снаряды малого диаметра. В рассекреченном меморандуме ядерной программы США за 1966 год говорится, что уран-233 был признан вполне удовлетворительным оружейным материалом, хотя он превосходил плутоний лишь в редких случаях. Утверждалось, что если бы существующее оружие было основано на уране-233 вместо плутония-239, Ливерморская национальная лаборатория не стала бы переходить на плутоний. Совместное присутствие урана-232 может усложнить производство и использование урана-233, однако в меморандуме Ливермора указывается на возможность преодоления этого осложнения. Впрочем, общедоступной информации о том, что этот изотоп был фактически использован для создания оружия, крайне мало: Соединенные Штаты провели испытание экспериментального устройства в 1955 году в рамках операции «Teapot» под названием «MET», в котором использовался композитный стержень из плутония и урана-233; его конструкция была основана на стержне из плутония и урана-235 из TX 7E – прототипа ядерной бомбы типа Mark 7, использованного в испытаниях операции «Buster Jangle» под названием «Easy» в 1951 году. Хотя испытание нельзя назвать полным провалом, фактическая мощность взрыва в 22 килотонны оказалась значительно ниже прогнозируемых 33 кт, что снизило ценность полученных данных. В том же году Советский Союз испытал свою первую водородную бомбу, RDS-37, содержащую расщепляющееся ядро из урана-235 и урана-233. В 1998 году, в рамках испытаний «Pokhran II», Индия провела взрыв экспериментального устройства на основе урана-233 малой мощности (0,2 кт), получившего название Shakti V.

Реактор B и другие объекты на комплексе Hanford Site, оптимизированные для производства материалов оружейного класса, использовались для производства урана-233. В целом, считается, что Соединенные Штаты произвели две тонны урана-233 различной степени чистоты, некоторые образцы содержали примеси урана-232 в количестве до 6 ppm.

Дополнительная информация

Торий, из которого получают 233U, содержится в земной коре примерно в три-четыре раза больше, чем урана. Цепь распада 233U является частью серии нептуния, являющейся цепью распада его прародителя 237Np. Области применения урана-233 включают производство медицинских изотопов актиния-225 и висмута-213, являющихся продуктами его распада, малогабаритные ядерные реакторы для космических применений, использование в качестве изотопного индикатора, исследования в области ядерного оружия и исследования реакторного топлива, в том числе топливного цикла на основе тория. Радиоизотоп висмута-213 является продуктом распада урана-233 и демонстрирует перспективность в лечении определенных видов рака, включая острый миелоидный лейкоз и рак поджелудочной железы, почек и других органов.