Uranio-233

Uranio-233 ( ²³³⁾El uranio-233 (U o U-233 ) es un isótopo fisionable del uranio que se obtiene a partir del torio-232 como parte del ciclo del combustible de torio . Se investigó el uso del uranio-233 en armas nucleares y como combustible para reactores . ^{[ 4 ]} 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 159 200 años hasta la desintegración alfa y forma parte de la cadena de desintegración del neptunio .

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 unos 22 minutos. El torio-233 se desintegra en protactinio -233 mediante desintegración beta . El protactinio-233 tiene una vida media más larga, de unos 27 días, para desintegrarse aún más en uranio-233; algunos diseños propuestos de reactores de sales fundidas intentan aislar físicamente el protactinio de la captura de neutrones antes de que se produzca la desintegración beta, para mantener la economía de neutrones (si no se alcanza la ventana del ^233U , el siguiente objetivo fisionable es el ^235U , lo que significa que se necesitan un total de 4 neutrones para desencadenar la fisión).  

^{El uranio -233} generalmente se fisiona por absorción de neutrones , pero a veces retiene el neutrón, convirtiéndose en uranio-234 . Tanto para neutrones térmicos como para neutrones rápidos, la relación de captura a fisión del uranio-233 es menor que la de los otros dos combustibles fisionables principales, el uranio-235 y el plutonio-239 . ^{[ 5 ]}

En 1946, el público fue informado por primera vez del uranio-233 producido a partir de 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 . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Durante la Guerra Fría , Estados Unidos produjo aproximadamente 2 toneladas métricas de uranio-233, con distintos grados de pureza química e isotópica. ^{[ 4 ]} Estos se produjeron en los sitios de Hanford y Savannah River , en reactores diseñados para la producción de plutonio-239. ^{[ 8 ]}

El uranio-233 se ha utilizado como combustible en varios tipos de reactores y se propone como combustible para varios diseños nuevos ( véase el ciclo del combustible de torio ), todos los cuales lo generan a partir de torio. El uranio-233 se puede generar tanto en reactores rápidos como en reactores térmicos , a diferencia de los ciclos de combustible basados ​​en uranio-238 , que requieren la economía neutrónica superior 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 cuenta con importantes reservas de torio, consiste en avanzar hacia un programa nuclear que produzca uranio-233 a partir de materia prima de torio.

Como material potencial para armas, el uranio-233 puro es más similar al plutonio-239 que al uranio-235 en términos de fuente (generado frente a natural), vida media y masa crítica (ambos de 4 a 5  kg en una esfera reflectante de berilio). ^{[ 10 ]} 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 de tipo cañón , como proyectiles de artillería de pequeño diámetro . ^{[ 11 ]}

Un memorando desclasificado de 1966 del programa nuclear estadounidense afirmaba que el uranio-233 había demostrado ser muy satisfactorio como material para armas, aunque solo era superior al plutonio en raras ocasiones. Se sostenía que si las armas existentes se basaran en uranio-233 en lugar de plutonio-239, Livermore no estaría interesado en cambiar a plutonio. ^{[ 12 ]}

La presencia conjunta de uranio-232 ^{[ 13 ]} puede complicar la fabricación y el uso de uranio-233, aunque el memorando de Livermore indica la probabilidad de que esta complicación pueda sortearse. ^{[ 12 ]}

Chuck Hansen escribió en Swords of Armageddon que Estados Unidos evaluó el 233U por su capacidad para sustituir al ^plutonio de alta pureza en armas nucleares. Dado que se consideró equivalente al plutonio, en lugar de superior, el interés militar en las armas basadas en ^233U disminuyó a finales de la década de 1960. Sin embargo, Estados Unidos probó varias armas nucleares basadas en 233U entre 1955 y 1968. ^{[ 14 ] La} planta de Rocky Flats , que refinaba materiales fisionables para la producción de armas, estuvo refinando ^233U hasta principios de la década de 1980. ^{[ 15 ]}

Si bien es posible utilizar el uranio-233 como material fisionable de un arma nuclear , dejando de lado las especulaciones ^{[ 16 ]} , existe escasa información pública disponible sobre si este isótopo se ha utilizado realmente como arma:

• Estados Unidos detonó un dispositivo experimental en la prueba "MET" de la Operación Teapot de 1955 , que utilizó un núcleo compuesto de plutonio/ ^233U ; su diseño se basó en el núcleo de plutonio/ ^{235U de la TX-7E, un prototipo} de bomba nuclear Mark 7 utilizado en la prueba "Easy" de la Operación Buster-Jangle de 1951. Aunque no fue un fracaso total , el rendimiento real de MET de 22 kilotones fue suficientemente inferior a los 33 kt previstos como para que la información recopilada tuviera un valor limitado. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Estados Unidos realizó varias pruebas de armas adicionales con ^233U con fines desconocidos. ^{[ 19 ] [ 14 ]}
• La Unión Soviética detonó su primera bomba de hidrógeno ese mismo año, la RDS-37 , que contenía un núcleo fisionable de ^235U y ^233U . ^{[ 20 ]}
• En 1998, como parte de sus pruebas Pokhran-II , India detonó un dispositivo experimental de ^{233U de} bajo rendimiento (0,2 kt) llamado Shakti V. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

El reactor B y otros en el sitio de Hanford optimizados para la producción de material apto para armas se han utilizado para fabricar ^233U . ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} La Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos utilizó los reactores de producción de armas en Hanford para generar cantidades significativas de ^233U a partir de torio para su uso tanto en armas nucleares como para investigación civil. ^{[ 27 ]} En total, se cree que Estados Unidos ha producido dos toneladas de ^233U , de varios niveles de pureza, algunos con un contenido de impurezas de ^232U tan bajo como 6  ppm. ^{[ 15 ]}

Los riesgos son significativos incluso a 5 partes por millón . Las armas nucleares de implosión requieren niveles de 232U inferiores a 50 ppm ⁽  por encima de los cuales el ^{233U se considera} de "bajo grado"; cf. "El plutonio estándar para armas requiere un contenido de ^240Pu de no más del 6,5%", que son 65 000  ppm, y el análogo ^238Pu se produjo en niveles del 0,5% (5 000  ppm) o menos). Las armas de fisión tipo cañón necesitan además bajos niveles (en el rango de 1  ppm) de impurezas ligeras para mantener baja la generación de neutrones. ^{[ 13 ] [ 19 ]}

La producción de ^233U "limpio" , con bajo contenido de ^232U , requiere algunos factores: 1) obtener una fuente de 232Th relativamente pura, con bajo contenido de ^{230Th (} que también se transmuta a ^232U ), 2) moderar los neutrones incidentes para que tengan una energía no superior a 6  MeV (los neutrones de energía demasiado alta causan la reacción ^232Th (n,2n) → ^231Th ) y 3) retirar la muestra de torio del flujo de neutrones antes de que la concentración de ^233U alcance un nivel demasiado alto, para evitar la fisión del propio ^233U (que produciría neutrones energéticos). ^{[ 15 ] [ 28 ]} El Experimento del Reactor de Sales Fundidas (MSRE) utilizó ^233U que contenía 222  ppm ^{de 232U} . ^{[ 29 ]}

El torio, del cual se obtiene ^{el 233U} , es aproximadamente de tres a cuatro veces más abundante en la corteza terrestre que el uranio. ^{[ 30 ] [ 31 ]} La cadena de desintegración del ^233U forma parte de la serie del neptunio , la cadena de desintegración de su abuelo, el ^237Np .

Los usos del uranio-233 incluyen la producción de los isótopos médicos actinio-225 y bismuto-213 , que se encuentran entre sus productos de desintegración, reactores nucleares de baja masa para aplicaciones de viajes espaciales, su uso como trazador isotópico , investigación de armas nucleares e investigación de combustible para reactores, incluido el ciclo del combustible de torio . ^{[ 4 ]} El isótopo bismuto-213 es prometedor para el tratamiento de ciertos tipos de cáncer , incluida la leucemia mieloide aguda y los cánceres de páncreas , riñones y otros órganos . Sin embargo, la producción de los isótopos médicos a partir de ^233U requiere prácticamente la separación del intermedio de larga vida torio-229 ; las reservas de ese isótopo son muy limitadas y no hay planes para aumentarlas.

• reactor reproductor
• reactor de fluoruro líquido de torio