ウラン233

ウラン233、 ²³³あなた

FLiBeと四フッ化ウラン233の混合物の固化した破片が入ったアンプル
一般的な
シンボル	233う
名前	ウラン233、233U、U-233
陽子 ( Z )	92
中性子 ( N )	141
核種データ
半減期 （t 1/2）	16万年[1]
同位体質量	233.039日
親同位体	237 Pu  ( α ) 233 Np  ( β + ) 233 Pa  ( β − )
崩壊生成物	229日
ウランの同位体 核種の完全な表

ウラン233（²³³
あなた
ウラン233（U-233）は、トリウム燃料サイクルの一環としてトリウム232から生成されるウランの核分裂性 同位体である。ウラン233は、核兵器や原子炉燃料としての使用が研究された。^[2]実験用原子炉での使用に成功しており、核燃料としてより幅広い用途への使用が提案されている。半減期は16万年である。

ウラン 233 は、トリウム 232 の中性子 照射によって生成されます。トリウム 232 が中性子を吸収すると、半減期がわずか 22 分のトリウム 233になります。トリウム 233 はベータ崩壊によってプロトアクチニウム233 に崩壊します。プロトアクチニウム 233 の半減期は 27 日で、ベータ崩壊してウラン 233 になります。提案されている溶融塩炉の設計の中には、ベータ崩壊が起こる前にプロトアクチニウムをそれ以上の中性子捕獲から物理的に隔離して、中性子の節約を維持しようとするものがあります ( ²³³ U ウィンドウを逃した場合、次の核分裂ターゲットは²³⁵ U であり、核分裂を誘発するには合計 4 個の中性子が必要になります)。

²³³ Uは通常、中性子を吸収して核分裂しますが、中性子を保持してウラン234になることもあります。熱中性子と高速中性子の両方において、ウラン233の捕獲対核分裂比は、他の2つの主要な核分裂性燃料であるウラン235とプルトニウム239よりも小さくなります。^[3]

1946年、国連の報告書とグレン・T・シーボーグの演説を受けて、トリウムから生成されたウラン233が「ウラン235とプルトニウム239に加えて、核エネルギーと原子爆弾の3番目の利用可能な源」であることが初めて一般に知られるようになりました。^{[4] [5]}

冷戦中、米国は化学的純度や同位体純度の異なるウラン233を約2トン生産した。^{[2]これらは}ハンフォードサイトとサバンナリバーサイトでプルトニウム239生産用に設計された原子炉で生産された。^[6]

ウラン 233 は、いくつかの異なるタイプの原子炉の燃料として使用されており、いくつかの新しい設計の燃料として提案されています(トリウム燃料サイクルを参照)。これらの設計はすべて、ウラン 233 をトリウムから生成します。ウラン 233 は、高速炉でも熱中性子炉でも生成できます。一方、ウラン 238ベースの燃料サイクルでは、プルトニウムを生成するために高速炉の優れた中性子経済性、つまり消費されるよりも多くの核分裂性物質を生成することが必要です。

相当量のトリウム埋蔵量を有するインドの原子力発電計画の長期戦略は、トリウム原料からウラン233を増殖させる原子力計画に移行することである。

ウラン233の原子1個が核分裂すると、197.9 MeV = 3.171·10 ⁻¹¹ J（すなわち19.09 TJ/ mol = 81.95 TJ/kg = 22764 MWh/kg）のエネルギーが発生し、これは同じ質量のディーゼル燃料の180万倍に相当します。^[7]

潜在的な兵器材料として、純粋なウラン233は、起源（増殖vs天然）、半減期、臨界質量（ベリリウム反射球で両方とも4～5kg）の点で、ウラン235よりもプルトニウム239に似ています。^{[8]原子炉増殖プルトニウムとは異なり、}自発核分裂率が非常に低く、その低い臨界質量と相まって、当初は小口径砲弾などのコンパクトな銃型兵器に魅力的でした。^[9]

1966年に機密解除された米国の核計画に関するメモには、ウラン233は兵器材料として非常に優れていることが示されたが、プルトニウムより優れているのはまれな状況に限られると記されていた。既存の兵器がプルトニウム239ではなくウラン233をベースにしていたら、リバモアはプルトニウムへの切り替えには興味がないだろうと主張された。^[10]

ウラン232 ^[11]の共存はウラン233の製造と使用を複雑にする可能性があるが、リバモアのメモでは、この複雑さを回避できる可能性があることが示されている。^[10]

このようにウラン233を核兵器の核分裂性物質として使用することは可能であるが、憶測^[12]はさておき、この同位体が実際に兵器化されたという公開情報はほとんどない。

• 1955年のティーポット作戦「MET」テストでは、プルトニウム/ ²³³ U複合ピットを使用した実験装置を爆発させた。その設計は、1951年のバスター・ジャングル作戦「イージー」テストで使用されたマーク7核爆弾のプロトタイプ設計であるTX-7Eのプルトニウム/ ²³⁵ Uピットに基づいていた。完全に失敗したわけではないが、METの実際の威力は22キロトンで、予測された33キロトンよりかなり低かったため、収集された情報の価値は限られていた。^{[13] [14]}
• ソ連は同年、ウラン²³⁵とウラン²³³の核分裂性核を含むRDS-37という初の水素爆弾を爆発させた^。[15]
• 1998年、インドはポカランII実験の一環として、シャクティVと呼ばれる低出力（0.2kt）の実験用233U装置を^{爆発させた。[16] [17]}

兵器級物質の製造に最適化されたハンフォードサイトのB原子炉やその他の原子炉は、ウラン^233の製造に使用されてきた。 ^{[18] [19] [20] [21]}

全体として、米国は様々な純度の^{233 Uを2トン生産したと考えられており、中には232} Uの不純物含有量が6ppmと低いものもあった。^[22]

²³³ Uの生成（トリウム 232の照射による）では、ウラン 233 自体、プロトアクチニウム 233 、またはトリウム 232 に対する寄生 (n,2n) 反応により、不純物として少量のウラン 232が必ず生成されます。

²³² Th (n,γ) → ²³³ Th (β ⁻ ) → ²³³ Pa (β ⁻ ) → ²³³ U (n,2n) → ²³² U

²³² Th (n,γ) → ²³³ Th (β ⁻ ) → ²³³ Pa (n,2n) → ²³² Pa (β ⁻ )→ ²³² U

²³² Th (n,2n) → ²³¹ Th (β ⁻ ) → ²³¹ Pa (n,γ) → ²³² Pa (β ⁻ ) → ²³² U

もう一つの経路は、ウラン 238の崩壊によって存在する天然トリウムのごく一部である少量のトリウム 230に対する中性子捕獲反応です。

²³⁰ Th (n,γ) → ²³¹ Th (β ^- ) → ²³¹ Pa (n,γ) → ²³² Pa (β ^- ) → ²³² U

²³² Uの崩壊系列はすぐに強力なガンマ線放射体を生成します。タリウム 208 は 2.6 MeV で、これらの中で最も強力です。

²³² U (α, 68.9年)

²²⁸ Th (α, 1.9年)

²²⁴ Ra (α、5.44 MeV、3.6 d、γは0.24 MeV)

²²⁰ Rn (α、6.29 MeV、56 秒、γは 0.54 MeV)

²¹⁶ Po（α、0.15秒）

²¹² Pb (β ⁻ , 10.64 時間)

²¹² Bi (α, 61分, 0.78 MeV)

²⁰⁸ Tl (β ⁻、1.8 MeV、3分、γ線は2.6 MeV)

²⁰⁸ Pb（安定）

このため、（プルトニウムで一般的に行われているように）光遮蔽のみのグローブボックス内での手作業による取り扱いは危険すぎる（ウランをその崩壊生成物から化学的に分離した直後の短期間を除く）ため、燃料製造には複雑な遠隔操作が必要となる。

5 ppmでも危険性は大きい。爆縮核兵器には²³² U レベルが 50 ppm 未満でなければならない（これを超えると²³³ U は「低品位」とみなされる。「標準的な兵器級プルトニウムには²⁴⁰ Pu含有量が 6.5% 以下でなければならない」を参照。これは 65,000 ppm であり、類似の²³⁸ Pu は0.5% (5,000 ppm) 以下のレベルで製造された）。銃型核分裂兵器には、中性子生成を低く抑えるために、さらに低レベル (1 ppm 程度) の軽不純物が必要である。^{[11] [23]}

²³² U の含有量が少ない「クリーンな」²³³ U の製造には、いくつかの要素が必要です。1) ²³⁰ Th (これも²³² U に変換されます)の含有量が少ない、比較的純粋な²³² Th 源を入手する、2) 入射中性子のエネルギーを 6 MeV 以下に抑える (エネルギーが高すぎる中性子は²³² Th (n,2n) → ^{231 Th 反応を引き起こす)、3) 233} U の濃度が高くなりすぎる前にトリウムサンプルを中性子束から除去し、 ²³³ U 自体が核分裂するのを防ぐ (核分裂すると高エネルギー中性子が生成される)。^{[22] [24]}

溶融塩炉実験（MSRE）では、インディアンポイントエネルギーセンターなどの軽水炉で生成された²³³ Uが使用され、その濃度は²³² Uで約220 ppmでした。 ^[25]

²³³ Uの原料となるトリウムは、地殻中にウランのおよそ3～4倍多く存在します。^{[26] [27] 233} U の崩壊系列自体はネプツニウム系列の一部であり、その祖先である²³⁷ Npの崩壊系列です。

ウラン233の用途としては、その娘核種である医療用同位体アクチニウム225とビスマス213の製造、宇宙旅行用の低質量原子炉、同位体トレーサーとしての使用、核兵器研究、トリウム燃料サイクルを含む原子炉燃料研究などがある。^[2]

放射性同位元素 ビスマス-213はウラン-233の崩壊生成物であり、急性骨髄性白血病や膵臓、腎臓、その他の臓器の癌など、特定の種類の癌の治療に有望である。

• 増殖炉
• 液体フッ化トリウム原子炉