Uran-233

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;^[2] 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^[1] a přeměňuje se beta minus přeměnou na protaktinium-233 (²³³Pa). ²³³Pa má poločas necelých 27 dnů^[1] 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?]

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).^[3][4]

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

Výroba probíhala na Hanford Site a Savannah River Site v reaktorech určených na výrobu plutonia-239.^[5]

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.

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).^[6]

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.^[7]

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.^[8]

Výrobu uranu-233 mohou ztěžovat příměsi ²³²U^[9] čemuž se však lze vyhnout.^[8]

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,^[10] 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.^[11][12]
• Ve stejném roce odpálil Sovětský svaz první vodíkovou bombu, RDS-37, obsahující štěpné jádro z ²³⁵U a ²³³U.^[13]
• Roku 1998 vybouchla indická experimentální zbraň založená na uranu-233 o nízké síle (0,2 kilotuny) nazvaná Šakti V.^[14][15]

Na výrobu ²³³U v  Hanford Site byly použity reaktor B i jiné reaktory vytvořené na výrobu zbraňového materiálu.^{[16][17][18][19]}

Celkově bylo ve Spojených státech vyrobeno kolem dvou tun ²³³U, s rozdílnou čistotou, přičemž některé vzorky obsahovaly jen 6 ppm ²³²U.^[20]

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.^[9][21]

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.^[20][22]

Při experimentu s reaktorem založeným na roztavených solích (MSRE) byl vytvořen v lehkovodním reaktoru ²³³U mající kolem 220 ppm ²³²U.^[23]

Thorium, ze kterého se vyrábí ²³³U, se v zemské kůře vyskytuje v třikrát až čtyřikrát větším množství než uran.^[24][25]

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.^[2]

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

• Množivý reaktor
• Reaktor s kapalným fluoridem thoričitým

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