El uranio-233 ( 233 U o U-233 ) es un isótopo fisionable de uranio que se obtiene a partir del torio-232 como parte del ciclo del combustible del torio . Se investigó el uso del uranio-233 en armas nucleares y como combustible para reactores . [2] Se ha utilizado con éxito en reactores nucleares experimentales y se ha propuesto para un uso mucho más amplio como combustible nuclear . Tiene una vida media de 160.000 años.
El uranio-233 se produce mediante 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 sólo 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 de 233 U, el siguiente objetivo fisible es 235 U, lo que significa un total de 4 neutrones). necesario para desencadenar la fisión).
El 233 U suele fisionarse por absorción de neutrones , pero a veces retiene el neutrón, convirtiéndose en uranio-234 . La relación captura-fisión del uranio-233 es menor que la de los otros dos combustibles fisibles principales, el uranio-235 y el plutonio-239 . [ cita necesaria ]
En 1946, tras un informe de las Naciones Unidas y un discurso de Glenn T. Seaborg . [3] [4]
Estados Unidos produjo, durante el transcurso de la Guerra Fría , aproximadamente 2 toneladas métricas de uranio-233, en distintos niveles de pureza química e isotópica. [2] Estos se produjeron en Hanford Site y Savannah River Site en reactores que fueron diseñados para la producción de plutonio-239. [5]
El uranio-233 se ha utilizado como combustible en varios tipos diferentes de reactores y se propone como combustible para varios diseños nuevos (ver ciclo del combustible del torio) , todos los cuales lo obtienen 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 uranio-238 que requieren la economía de neutrones superior de un reactor rápido para generar plutonio, es decir, producir más material fisionable del que se consume. .
La estrategia a largo plazo del programa de energía nuclear de la India , que tiene importantes reservas de torio, es pasar a un programa nuclear que genere uranio-233 a partir de materia prima de torio.
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). [6]
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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 (creado versus natural), vida media y masa crítica (ambos de 4 a 5 kg en una esfera reflejada por berilio). [7] A diferencia del plutonio generado 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 , como proyectiles de artillería de pequeño diámetro . [8]
Un memorando desclasificado de 1966 del programa nuclear estadounidense afirmaba que se había demostrado que el uranio-233 era muy satisfactorio como material armamentístico, aunque sólo era superior al plutonio en raras circunstancias. Se afirmó que si las armas existentes se basaran en uranio-233 en lugar de plutonio-239, Livermore no estaría interesado en cambiar al plutonio. [9]
La copresencia de uranio-232 [10] puede complicar la fabricación y el uso de uranio-233, aunque el memorando de Livermore indica la probabilidad de que esta complicación pueda solucionarse. [9]
Si bien es posible utilizar uranio-233 como material fisionable de un arma nuclear , especulaciones [11] a un lado, hay poca información disponible públicamente sobre este isótopo que realmente se haya utilizado como arma:
El reactor B y otros en el sitio de Hanford optimizados para la producción de material apto para armas se han utilizado para fabricar 233 U. [17] [18] [19] [20]
En total, se cree que Estados Unidos produjo dos toneladas de 233 U, de diversos niveles de pureza, algunas con un contenido de impurezas de 232 U tan bajo como 6 ppm. [21]
La producción de 233 U (mediante 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. 232:
Otro canal implica la reacción de captura de neutrones en pequeñas cantidades de torio-230 , que es una pequeña fracción del torio natural presente debido a la desintegración del uranio-238 :
La cadena de desintegración del 232 U produce rápidamente potentes emisores de radiación gamma . El talio-208 es el más fuerte de ellos, con 2,6 MeV:
Esto hace que la manipulación manual en una guantera con sólo una protección ligera (como se hace comúnmente con el plutonio ) sea demasiado peligrosa (excepto posiblemente en un corto período inmediatamente después de la separación química del uranio de sus productos de desintegración) y, en cambio, requiera una compleja manipulación remota para la fabricación de combustible. .
Los peligros 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 "baja calidad"; cf. "El plutonio de calidad estándar para armas requiere un contenido de 240 Pu de no más del 6,5%", que es 65.000 ppm, y el Se produjo Pu 238 análogo en niveles del 0,5% (5.000 ppm) o menos). Las armas de fisión tipo pistola también necesitan niveles bajos (rango de 1 ppm) de impurezas ligeras para mantener baja la generación de neutrones. [10] [22]
La producción de 233 U "limpio", bajo en 232 U, requiere algunos factores: 1) obtener una fuente relativamente pura de 232 Th, bajo en 230 Th (que también transmuta a 232 U), 2) moderar los neutrones incidentes para tener una energía no superior a 6 MeV (los neutrones de energía demasiado alta causan la reacción 232 Th (n,2n) → 231 Th) y 3) eliminar 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). [21] [23]
El Experimento del reactor de sales fundidas (MSRE) utilizó 233 U, generado en reactores de agua ligera como el Indian Point Energy Center , que era aproximadamente 220 ppm 232 U. [24]
El torio, del que se obtiene el 233 U, es aproximadamente de tres a cuatro veces más abundante en la corteza terrestre que el uranio. [25] [26] La cadena de desintegración del 233 U es parte de la serie del neptunio , la cadena de desintegración de su abuelo 237 Np.
Los usos del uranio-233 incluyen la producción de los isótopos médicos actinio-225 y bismuto-213 , que se encuentran entre sus derivados, 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 del torio . [2]
El radioisótopo bismuto -213 es un producto de 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 .