铀-233
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。
| 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）.