Uranium-233

Uranium-233, ²³³U

Sebuah ampul yang berisi potongan-potongan campuran FLiBe dan uranium-233 tetrafluorida yang dipadatkan
Umum
Simbol	233U
Nama	uranium-233, U-233
Proton (Z)	92
Neutron (N)	141
Data nuklida
Waktu paruh (t1/2)	160.000 tahun
Isotop induk	237Pu (α) 233Np (β+) 233Pa (β−)
Produk peluruhan	229Th
Massa isotop	233,039 u
Isotop uranium Tabel nuklida lengkap

Uranium-233 (²³³U atau U-233) adalah sebuah isotop uranium yang fisil yang dibiakkan dari torium-232 sebagai bagian dari siklus bahan bakar torium. Uranium-233 digunakan dalam senjata nuklir dan sebagai bahan bakar reaktor. Uranium-233 telah berhasil digunakan dalam reaktor nuklir eksperimental dan telah diusulkan untuk penggunaan yang lebih luas sebagai bahan bakar nuklir. Ia memiliki waktu paruh 160.000 tahun.

Uranium-233 dihasilkan oleh iradiasi neutron dari torium-232. Ketika torium-232 menyerap neutron, ia menjadi torium-233, yang memiliki waktu paruh hanya 22 menit. Torium-233 meluruh menjadi protaktinium-233 melalui peluruhan beta. Protaktinium-233 memiliki waktu paruh 27 hari dan beta meluruh menjadi uranium-233; beberapa rancangan reaktor garam cair yang diusulkan untuk mencoba secara fisik mengisolasi protaktinium dari penangkapan neutron lebih lanjut sebelum peluruhan beta dapat terjadi, untuk mempertahankan ekonomi neutron (jika meleset dari jendela ²³³U, target fisil berikutnya adalah ²³⁵U, yang berarti total 4 neutron diperlukan untuk memicu pembelahan).

²³³U biasanya terbelah pada penyerapan neutron, tetapi kadang-kadang ia mempertahankan neutron, dan menjadi uranium-234. Rasio penangkapan-ke-fisi uranium-233 lebih kecil daripada dua bahan bakar fisil utama lainnya, uranium-235 dan plutonium-239.

Bahan fisil

Eksperimen Reaktor Garam Cair

Pembangkit Listrik Tenaga Atom Shippingport

THTR-300 di Jerman

Pada tahun 1946, publik pertama kali mendapat informasi tentang uranium-233 yang dikembangkan dari thorium sebagai "sumber energi nuklir dan bom atom ketiga yang tersedia" (selain uranium-235 dan plutonium-239), mengikuti laporan PBB dan pidato oleh Glenn T. Seaborg.

Selama Perang Dingin, Amerika Serikat memproduksi sekitar 2 metrik ton uranium-233, dalam berbagai tingkat kemurnian kimia dan isotop. Uranium-233 diproduksi di Situs Hanford dan Situs Sungai Savannah dalam reaktor yang dirancang untuk produksi plutonium-239.

Bahan bakar nuklir

Uranium-233 telah digunakan sebagai bahan bakar di beberapa jenis reaktor yang berbeda, dan diusulkan sebagai bahan bakar untuk beberapa desain baru (lihat siklus bahan bakar torium), semuanya dibiakkan dari torium. Uranium-233 dapat dibiakkan baik dalam reaktor cepat maupun reaktor termal, tidak seperti siklus bahan bakar berbasis uranium-238 yang membutuhkan ekonomi neutron superior dari reaktor cepat untuk membiakkan plutonium, yaitu, untuk menghasilkan lebih banyak bahan fisil daripada yang dikonsumsi.

Strategi jangka panjang program tenaga nuklir India, yang memiliki cadangan torium yang besar, adalah beralih ke program nuklir yang membiakkan uranium-233 dari bahan baku torium.

Energi yang dilepaskan

Pembelahan satu atom uranium-233 menghasilkan 197,9 MeV = 3,171×10⁻¹¹J (yaitu 19,09 TJ/mol = 81,95 TJ/kg).

Bahan senjata

Ledakan pertama bom nuklir yang mengandung U-233, pada 15 April 1955

Sebagai bahan senjata potensial, uranium-233 murni lebih mirip dengan plutonium-239 daripada uranium-235 dalam hal sumber (dibiakkan vs alami), waktu paruh, dan massa kritis (keduanya 4–5 kg dalam bola yang dipantulkan berilium).

Pada tahun 1994, pemerintah AS mendeklasifikasi memo tahun 1966 yang menyatakan bahwa uranium-233 telah terbukti sangat memuaskan sebagai bahan senjata, meskipun hanya unggul dari plutonium dalam keadaan yang langka. Dikatakan bahwa jika senjata yang ada didasarkan pada uranium-233 dan bukan plutonium-239, Livermore tidak akan tertarik untuk beralih ke plutonium.

Kehadiran uranium-232 dapat memperumit pembuatan dan penggunaan uranium-233, meskipun memo Livermore menunjukkan kemungkinan bahwa komplikasi ini dapat diatasi.

Meskipun demikian, dimungkinkan untuk menggunakan uranium-233 sebagai bahan fisil senjata nuklir, selain spekulasi, ada sedikit informasi yang tersedia untuk umum tentang isotop ini yang sebenarnya telah dijadikan senjata:

• Amerika Serikat meledakkan sebuah alat percobaan dalam tes Operasi Teapot "MET" 1955 yang menggunakan biji komposit plutonium/²³³U; desainnya didasarkan pada biji plutonium/²³⁵U dari TX-7E, sebuah prototipe desain bom nuklir Mark 7 yang digunakan dalam tes Operasi Buster-Jangle "Easy". Meskipun tidak langsung gagal, hasil aktual MET sebesar 22 kiloton cukup di bawah prediksi 33 kiloton sehingga informasi yang dikumpulkan nilainya terbatas.
• Uni Soviet meledakkan bom hidrogen pertamanya pada tahun yang sama, RDS-37, yang berisi inti fisil ²³⁵U dan ²³³U.
• Pada tahun 1998, sebagai bagian dari tes Pokhran-II, India meledakkan perangkat eksperimental ²³³U dengan hasil rendah (kiloton) yang disebut Shakti V.

Reaktor B dan lainnya di Situs Hanford yang dioptimalkan untuk produksi bahan jenis senjata telah digunakan untuk memproduksi ²³³U.

Secara keseluruhan Amerika Serikat diperkirakan telah menghasilkan dua ton ²³³U dari berbagai tingkat kemurnian, beberapa dengan kandungan pengotor ²³²U serendah 6 ppm.

Pengotor ²³²U

Produksi ²³³U (melalui penyinaran torium-232) selalu menghasilkan sejumlah kecil uranium-232 sebagai pengotor, karena reaksi parasit (n,2n) pada uranium-233 itu sendiri, atau pada protaktinium-233, atau pada torium-232:

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

Saluran lain melibatkan reaksi penangkapan neutron pada sejumlah kecil torium-230, yang merupakan sebagian kecil dari torium alami yang ada karena peluruhan uranium-238:

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

Rantai peluruhan ²³²U dengan cepat menghasilkan pemancar radiasi gama yang kuat. Talium-208 adalah yang terkuat, pada 2,6 MeV:

²³²U (α, 68,9 thn)

²²⁸Th (α, 1,9 thn)

²²⁴Ra (α, 5,44 MeV, 3,6 hri, dengan γ 0,24 MeV)

²²⁰Rn (α, 6,29 MeV, 56 dtk, dengan γ 0,54 MeV)

²¹⁶Po (α, 0,15 dtk)

²¹²Pb (β−, 10,64 jam)

²¹²Bi (α, 61 mnt, 0,78 MeV)

²⁰⁸Tl (β−, 1,8 MeV, 3 mnt, dengan γ 2,6 MeV)

²⁰⁸Pb (stabil)

Hal ini membuat penanganan manual dalam glovebox dengan hanya pelindung cahaya (seperti yang biasa dilakukan dengan plutonium) terlalu berbahaya, (kecuali mungkin dalam waktu singkat segera setelah pemisahan kimia uranium dari produk peluruhannya) dan sebagai gantinya memerlukan manipulator jarak jauh yang rumit untuk fabrikasi bahan bakar.

Bahayanya sangat signifikan bahkan pada 5 bagian per juta. Senjata nuklir ledakan membutuhkan tingkat ²³²U di bawah 50 ppm (di atas itu ²³³U dianggap "tingkat rendah"; "Plutonium jenis senjata standar membutuhkan kandungan ²⁴⁰Pu tidak lebih dari 6,5%." yaitu 65000 ppm, dan ²³⁸Pu yang serupa diproduksi di tingkat 0,5% (5000 ppm) atau kurang). Senjata fisi jenis bedil juga membutuhkan pengotor ringan tingkat rendah (kisaran 1 ppm), untuk menjaga generasi neutron tetap rendah.

Produksi ²³³U yang "bersih", rendah ²³²U, memerlukan beberapa faktor: 1) memperoleh sumber ²³²Th yang relatif murni, rendah ²³⁰Th (yang juga berubah menjadi ²³²U), 2) memoderasi neutron yang datang agar memiliki energi yang tidak lebih tinggi dari 6 MeV (neutron berenergi terlalu tinggi menyebabkan reaksi ²³²Th (n,2n) → ²³¹Th), dan 3) menghilangkan sampel torium dari fluks neutron sebelum konsentrasi ²³³U meningkat ke tingkat yang terlalu tinggi, untuk menghindari fisi ²³³U itu sendiri (yang akan menghasilkan neutron energik).

Eksperimen Reaktor Garam Cair (Molten-Salt Reactor Experiment, MSRE) menggunakan ²³³U, dibiakkan dalam reaktor air ringan seperti Indian Point Energy Center, yaitu sekitar 220 ppm ²³²U.

Informasi lebih lanjut

Torium, awal di mana ²³³U dibiakkan, kira-kira tiga sampai empat kali lebih banyak di kerak bumi daripada uranium. Rantai peluruhan ²³³U sendiri merupakan bagian dari deret neptunium, rantai peluruhan dari nenek moyangnya, ²³⁷Np.

Kegunaan uranium-233 lain termasuk produksi isotop medis aktinium-225 dan bismut-213 yang merupakan turunannya, reaktor nuklir bermassa rendah untuk aplikasi perjalanan ruang angkasa, digunakan sebagai pelacak isotop, penelitian senjata nuklir, dan penelitian bahan bakar reaktor termasuk siklus bahan bakar torium.

Radioisotop bismut-213 adalah produk peluruhan uranium-233; ia cukup menjanjikan untuk pengobatan jenis kanker tertentu, termasuk leukemia mieloid akut dan kanker pankreas, ginjal dan organ lainnya.

Lihat pula

• Reaktor pembiak
• Reaktor torium fluorida cair