El uranio-233 ( 233 U o U-233 ) es un isótopo fisible del uranio que se obtiene a partir del torio-232 como parte del ciclo del combustible de torio . El uranio-233 se investigó para su uso en armas nucleares y como combustible de reactores . [2] Se ha utilizado con éxito en reactores nucleares experimentales y se ha propuesto un uso mucho más amplio como combustible nuclear . Tiene una vida media de 160.000 años.
El uranio-233 se produce por la irradiación de neutrones del torio-232. Cuando el torio-232 absorbe un neutrón, se convierte en torio-233 , que tiene una vida media de solo 22 minutos. El torio-233 se desintegra en protactinio -233 mediante desintegración beta . El protactinio-233 tiene una vida media de 27 días y se desintegra beta en uranio-233; algunos diseños de reactores de sales fundidas propuestos intentan aislar físicamente el protactinio de una mayor captura de neutrones antes de que pueda ocurrir la desintegración beta, para mantener la economía de neutrones (si no alcanza la ventana del 233 U, el siguiente objetivo fisible es el 235 U, lo que significa que se necesitan un total de 4 neutrones para desencadenar la fisión).
El 233 U suele fisionarse por absorción de neutrones , pero a veces retiene el neutrón y se convierte en uranio-234 . Tanto en el caso de los neutrones térmicos como de los neutrones rápidos, la relación captura-fisión del uranio-233 es menor que la de los otros dos combustibles fisionables principales, el uranio-235 y el plutonio-239 . [3]
En 1946, el público fue informado por primera vez del uranio-233 obtenido a partir del torio como "una tercera fuente disponible de energía nuclear y bombas atómicas" (además del uranio-235 y el plutonio-239 ), tras un informe de las Naciones Unidas y un discurso de Glenn T. Seaborg . [4] [5]
Estados Unidos produjo, durante la Guerra Fría , aproximadamente 2 toneladas métricas de uranio-233, con distintos niveles de pureza química e isotópica. [2] Estas se produjeron en el sitio de Hanford y en el sitio de Savannah River en reactores que fueron diseñados para la producción de plutonio-239. [6]
El uranio-233 se ha utilizado como combustible en varios tipos de reactores diferentes y se propone como combustible para varios diseños nuevos (véase ciclo del combustible del torio) , todos los cuales lo generan a partir del torio. El uranio-233 se puede generar en reactores rápidos o en reactores térmicos , a diferencia de los ciclos de combustible basados en el uranio-238 , que requieren la mayor economía de neutrones de un reactor rápido para generar plutonio, es decir, para producir más material fisionable del que se consume.
La estrategia a largo plazo del programa de energía nuclear de la India , que posee importantes reservas de torio, es pasar a un programa nuclear de producción de uranio-233 a partir de torio como materia prima.
La fisión de un átomo de uranio-233 genera 197,9 MeV = 3,171·10 −11 J (es decir, 19,09 TJ/ mol = 81,95 TJ/kg = 22764 MWh/kg, es decir, 1,8 millones de veces más que la misma masa de diésel). [7]
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Como material potencial para armas, el uranio-233 puro es más similar al plutonio-239 que al uranio-235 en términos de fuente (criado vs. natural), vida media y masa crítica (ambas de 4 a 5 kg en una esfera reflejada con berilio). [8] A diferencia del plutonio criado en reactores, tiene una tasa de fisión espontánea muy baja , lo que combinado con su baja masa crítica lo hizo inicialmente atractivo para armas compactas tipo cañón , como proyectiles de artillería de diámetro pequeño . [9]
En un memorando desclasificado de 1966 del programa nuclear estadounidense se afirmaba que el uranio-233 había demostrado ser muy satisfactorio como material para armas, aunque sólo era superior al plutonio en circunstancias excepcionales. Se afirmaba que si las armas existentes se basaban en uranio-233 en lugar de plutonio-239, Livermore no estaría interesado en cambiar al plutonio. [10]
La copresencia del uranio-232 [11] puede complicar la fabricación y el uso del uranio-233, aunque el memorando de Livermore indica que es probable que esta complicación pueda solucionarse. [10]
Si bien es posible utilizar el uranio-233 como material fisible de un arma nuclear , especulaciones [12] aparte, hay poca información públicamente disponible sobre si este isótopo ha sido realmente utilizado como arma:
El reactor B y otros del sitio de Hanford optimizados para la producción de material apto para armas se han utilizado para fabricar 233 U. [18] [19] [20] [21]
En total, se cree que Estados Unidos ha producido dos toneladas de 233 U, de diversos niveles de pureza, algunos con un contenido de impurezas de 232 U tan bajo como 6 ppm. [22]
La producción de 233 U (a través de la irradiación de torio-232 ) produce invariablemente pequeñas cantidades de uranio-232 como impureza, debido a reacciones parásitas (n,2n) en el propio uranio-233, o en el protactinio-233 , o en el torio-232:
Otro canal implica la reacción de captura de neutrones en pequeñas cantidades de torio-230 , que es una fracción minúscula del torio natural presente debido a la desintegración del uranio-238 :
La cadena de desintegración del 232 U produce rápidamente emisores de radiación gamma potentes . El talio-208 es el más potente de ellos, con 2,6 MeV:
Esto hace que la manipulación manual en una caja de guantes con solo una protección ligera (como se hace comúnmente con el plutonio ) sea demasiado peligrosa (excepto posiblemente en un breve período inmediatamente después de la separación química del uranio de sus productos de desintegración) y, en cambio, requiera una manipulación remota compleja para la fabricación del combustible.
Los riesgos son significativos incluso con 5 partes por millón . Las armas nucleares de implosión requieren niveles de 232 U por debajo de 50 ppm (por encima de los cuales el 233 U se considera de "bajo grado"; véase "El plutonio de grado armamentístico estándar requiere un contenido de 240 Pu de no más del 6,5%", que es de 65.000 ppm, y el análogo 238 Pu se produjo en niveles de 0,5% (5.000 ppm) o menos). Las armas de fisión de tipo cañón necesitan además niveles bajos (en el rango de 1 ppm) de impurezas ligeras, para mantener baja la generación de neutrones. [11] [23]
La producción de 233 U "limpio" , con bajo contenido de 232 U, requiere algunos factores: 1) obtener una fuente de 232 Th relativamente pura, con bajo contenido de 230 Th (que también se transmuta en 232 U), 2) moderar los neutrones incidentes para que tengan una energía no superior a 6 MeV (los neutrones de energía demasiado alta causan la reacción 232 Th (n,2n) → 231 Th) y 3) retirar la muestra de torio del flujo de neutrones antes de que la concentración de 233 U alcance un nivel demasiado alto, para evitar la fisión del propio 233 U (lo que produciría neutrones energéticos). [22] [24]
El experimento del reactor de sal fundida (MSRE) utilizó 233 U, generado en reactores de agua ligera como el Indian Point Energy Center , que era aproximadamente 220 ppm de 232 U. [25]
El torio, del que se obtiene el 233 U, es aproximadamente tres o cuatro veces más abundante en la corteza terrestre que el uranio. [26] [27] La cadena de desintegración del 233 U en sí misma es parte de la serie del neptunio , la cadena de desintegración de su abuelo, el 237 Np.
Los usos del uranio-233 incluyen la producción de los isótopos médicos actinio-225 y bismuto-213 que se encuentran entre sus hijos, reactores nucleares de baja masa para aplicaciones de viajes espaciales, uso como trazador isotópico , investigación de armas nucleares e investigación de combustible para reactores, incluido el ciclo del combustible de torio . [2]
El radioisótopo bismuto -213 es un producto de la desintegración del uranio-233; es prometedor para el tratamiento de ciertos tipos de cáncer , incluida la leucemia mieloide aguda y los cánceres de páncreas , riñones y otros órganos .