Hosszú élettartamú hasadási termék - Long-lived fission product

Hosszú életű hasadási termékek (LLFPs) radioaktív anyagok, a hosszú felezési idejű (több mint 200.000 évvel) által termelt maghasadás az urán és plutónium . Tartós radiotoxicitásuk miatt el kell különíteni őket az embertől és a bioszférától, és geológiai időtartamra a nukleáris hulladék tárolókba kell zárni őket.

A radioaktivitás alakulása a nukleáris hulladékban

A maghasadás termel hasadási termékek , valamint aktinidek származó nukleáris üzemanyag atommagok neutronok befogása, de nem hasadás és aktiválás termékek származó aktivációs reaktor vagy környezeti anyagok.

Rövid időszak

A magas rövid távú radioaktivitás a kiégett nukleáris fűtőelemek elsősorban hasadási termékek rövid felezési idejű . A hasadási termékkeverék radioaktivitása többnyire rövid élettartamú izotópok, például ¹³¹ I és ¹⁴⁰ Ba, körülbelül négy hónap múlva ¹⁴¹ Ce, ⁹⁵ Zr / ⁹⁵ Nb és ⁸⁹ Sr veszi a legnagyobb részt, míg körülbelül két vagy három év után a legnagyobb a részesedést ¹⁴⁴ Ce / ¹⁴⁴ Pr, ¹⁰⁶ Ru / ¹⁰⁶ Rh és ¹⁴⁷ Pm veszi. Ne feledje, hogy a reaktor vagy a használt üzemanyag radioaktivitásának felszabadulása esetén csak néhány elem szabadul fel. Ennek eredményeként a radioaktivitás izotópos aláírása nagyon különbözik a szabadtéri nukleáris detonációtól, ahol az összes hasadási termék diszpergált.

Közepes élettartamú hasadási termékek

Több éves hűtés után a legtöbb radioaktivitás a cézium-137 és a stroncium-90 hasadási termékekből származik , amelyek mindegyike a hasadás körülbelül 6% -ában termelődik, és felezési ideje körülbelül 30 év. A hasonló felezési idejű más hasadási termékek jóval alacsonyabb hasadási termék-hozammal , alacsonyabb bomlási energiával rendelkeznek , és számos ( ¹⁵¹ Sm, ¹⁵⁵ Eu, ^{113 m} Cd) is gyorsan elpusztul a neutronfelfogással, miközben még a reaktorban vannak, ezért nem felelősek többé mint bármikor a sugárzás termelésének apró töredéke. Ezért a felhasználás utáni több év és több száz év közötti időszakban a kiégett fűtőelemek radioaktivitása egyszerűen modellezhető a ¹³⁷ Cs és a ⁹⁰ Sr exponenciális bomlásaként . Ezeket néha közepes élettartamú hasadási termékeknek nevezik.

A Krypton-85 , a 3. legaktívabb MLFP, egy nemesgáz, amely a jelenlegi nukleáris újrafeldolgozás során távozhat ; tehetetlensége azonban azt jelenti, hogy nem a környezetben koncentrálódik, hanem egyenletesen alacsony koncentrációra diffundál a légkörben. Az USA-ban és néhány más országban a kiégett fűtőelemeket valószínűleg csak évtizedekig dolgozzák fel újra a felhasználás után, és addigra a ⁸⁵ Kr nagy része elbomlik.

Aktinidák

Miután ¹³⁷ Cs és ⁹⁰ Sr elbomlott, hogy alacsony szinten, a nagy részét radioaktivitás kiégett fűtőelemek jönnek nem a hasadási termékek, de aktinidák , nevezetesen plutónium-239 (felezési 24  ka ), a plutónium-240 (6,56 ka), amerícium-241 (432 év), amerícium-243 (7,37 ka), kűrium -245 (8,50 ka), és kűrium-246 (4,73 ka). Ezek visszanyerhetők nukleáris újrafeldolgozással (akár a legtöbb ¹³⁷ Cs és ⁹⁰ Sr bomlás előtt, akár utána ), és hasíthatók, felajánlva annak lehetőségét, hogy a hulladék radioaktivitását nagyjából 10 ³ - 10 ⁵ éves időintervallumban csökkentsék . ^{A 239} Pu a tüzelőanyagként használható a meglévő hőreaktorokban , de néhány kisebb aktinid, például a ²⁴¹ Am, valamint a nem hasadó és kevésbé termékeny plutónium-242 izotóp jobban megsemmisül a gyors reaktorokban , a gyorsító által vezérelt szubkritikus reaktorokban vagy a fúzióban reaktorok .

Hosszú életű hasadási termékek

10 ⁵ évnél hosszabb skálán a hasadási termékek, elsősorban a ⁹⁹ Tc , ismét a maradék, bár alacsonyabb radioaktivitás jelentős részét képviselik, a hosszabb élettartamú aktinidokkal együtt, mint a neptúnium-237 és a plutónium-242 , ha azokat nem pusztították el.

A leggyakoribb hosszú élettartamú hasadási termékek teljes bomlási energiája 100–300 keV körül van, amelynek csak egy része jelenik meg a béta részecskében; a többit elveszíti egy neutrino , amelynek nincs hatása. Ezzel szemben az aktinidek több alfa- bomláson mennek keresztül , amelyek mindegyikének bomlási energiája 4-5 MeV körül van.

Csak hét hasadási terméknek van hosszú felezési ideje, és ezek sokkal hosszabbak, mint 30 év, 200 000 és 16 millió év közötti tartományban. Ezeket hosszú élettartamú hasadási termékeknek (LLFP) nevezik. Háromnak viszonylag magas, körülbelül 6% -os hozama van, míg a többi jóval alacsonyabb hozamokkal jelenik meg. (Ez a hét felsorolás kizárja az univerzum koránál hosszabb, nagyon lassan bomló és felezési idejű izotópokat, amelyek gyakorlatilag stabilak és már megtalálhatók a természetben, valamint néhány nuklidot, mint például a technécium -98 és a szamárium -146 " árnyékolt "a béta-bomlástól, és csak közvetlen hasadási termékként fordulhat elő, nem pedig neutronban gazdagabb kezdeti hasadási termékek béta-bomlástermékeiként. Az árnyékolt hasadási termékek hozama körülbelül egymilliomodnyi, mint a jód-129.)

A 7 hosszú életű hasadási termék

Az első három hasonló felezési idővel rendelkezik, 200 ezer és 300 ezer év között; az elmúlt négynek hosszabb a felezési ideje, az alacsony millió év alatt.

1. A legnagyobb mennyiségű LLFP radioaktivitást a technécium-99 produkálja. Kis és közepes energiájú béta-részecskéket bocsát ki, de nem gamma-sugarakat , ezért a külső expozíciót kevéssé veszélyezteti, de csak lenyelve. A technécium kémia azonban lehetővé teszi a környezetben viszonylag mozgékony anionok ( pertechnetát , TcO ₄ ^- ) képződését .
2. A Bádog-126 nagy bomlási energiával rendelkezik (rövid rövid felezési idejű bomlásterméke miatt ), és ez az egyetlen LLFP, amely energikus gamma-sugárzást bocsát ki , ami külső veszélyt jelent. Ezt az izotópot azonban termikus neutronok hasadásával nagyon kis mennyiségben állítják elő , így a ¹²⁶ Sn Sn időegységenkénti energiája csak körülbelül 5% annyi, mint az U-235 hasadásnál a ⁹⁹ Tc-től, vagy 65% ​​-nál 20% -nál nagyobb. U-235 + 35% Pu-239. A gyors hasadás magasabb hozamot eredményezhet. Az ón egy inert fém, amely kevéssé mozog a környezetben, és segít csökkenteni a sugárzásából eredő egészségügyi kockázatokat.
3. A szelén-79 alacsony hozamokkal termelődik, és csak gyenge sugárzást bocsát ki. Időegységenkénti bomlási energiája csak körülbelül 0,2% lehet a Tc-99énél.
4. A cirkónium-93- at viszonylag magas, körülbelül 6% -os hozammal állítják elő, de bomlása 7,5-szer lassabb, mint a Tc-99, és bomlási energiája csak 30% -kal nagyobb; ezért energiatermelése kezdetben csak 4% -kal nagyobb, mint a Tc-99, bár ez a frakció növekedni fog, amint a Tc-99 bomlik. ^{A 93} Zr gamma-sugárzást produkál, de nagyon alacsony energiájú, és a cirkónium viszonylag inert a környezetben.
5. A cézium-135 elődje, a xenon-135 nagy mennyiségben, a hasadások több mint 6% -ában termelődik, de rendkívül erősen elnyeli a termikus neutronokat ( neutronméreg ), így nagy része szinte stabil xenon-136-vá alakul át. mielőtt lebomlana cézium-135-re. Ha a ¹³⁵ Xe 90% -a megsemmisül, akkor a maradék ¹³⁵ Cs bomlási energiája időegységenként kezdetben csak körülbelül 1% -kal nagyobb, mint a ⁹⁹ Tc energiaé . Gyors reaktorban az Xe-135 kevesebb része tönkremehet.
   ¹³⁵ Cs az egyetlen lúgos vagy elektropozitív LLFP; ezzel szemben a fő közepes élettartamú hasadási termékek és a neptúnium kivételével a kisebb aktinidek mind lúgosak és hajlamosak együtt maradni az újrafeldolgozás során; sok újrafeldolgozási technikával, például sóoldattal vagy sóelpárologtatással, a ¹³⁵ Cs szintén ennél a csoportnál marad, bár egyes technikák, például a magas hőmérsékleten történő elpárologtatás elkülöníthetik. A lúgos hulladékokat gyakran üvegesítik , így nagy aktivitású hulladékot képeznek , amely magában foglalja a ¹³⁵ Cs-t.
   Hasadási cézium tartalmaz, nem csak ¹³⁵ Cs hanem stabil, de neutronelnyelő ¹³³ Cs (amely hulladékok neutronok és formák ¹³⁴ Cs , amely radioaktív egy felezési ideje 2 év), valamint a közös hasadási terméket ¹³⁷ Cs , amely nem neutronelnyelõ de erősen radioaktív, veszélyesebbé és bonyolultabbá teszi a kezelést; mindezen okok miatt a ¹³⁵ Cs transzmutációs eltávolítása nehezebb lenne.
6. A palládium-107 felezési ideje nagyon hosszú, alacsony hozama (bár a plutónium hasadásának hozama magasabb, mint az urán-235 hasadásának hozama ), és nagyon gyenge sugárzása van. Az LLFP sugárzáshoz való kezdeti hozzájárulása 10000-ból csak egy része lehet ²³⁵ U hasadás esetén, vagy 2000 65% ²³⁵ U + 35% ²³⁹ Pu esetén. A palládium nemesfém és rendkívül inert.
7. A jód-129 felezési ideje a leghosszabb , 15,7 millió év. Magasabb felezési ideje, alacsonyabb hasadási frakciója és bomlási energiája miatt a radioaktivitás intenzitása csak kb. 1%, ⁹⁹ Tc. A radioaktív jód azonban aránytalan biológiai veszélyt jelent, mivel a pajzsmirigy a jódot koncentrálja. ^{129 A} felezési ideje csaknem milliárdszor annyi, ameddig annak veszélyesebb testvére ¹³¹ I izotópja van ; ezért rövidebb felezési idejű és nagyobb bomlási energiával a ¹³¹ I körülbelül egymilliószor radioaktívabb, mint a hosszabb életű ¹²⁹ I.

LLFP radioaktivitás összehasonlítva

Összességében a másik hat LLFP a termikus reaktorban használt kiégett fűtőelemekben kezdetben csak valamivel több, mint 10% -kal több energiát szabadít fel egységnyi idő alatt, mint a Tc-99 U-235 hasadásnál, vagy 25% -ot annyit 65% U-235 + 35% Pu-239. Körülbelül 1000 évvel az üzemanyag felhasználása után a közepes életű hasadási termékek, a Cs-137 és az Sr-90 radioaktivitása a Tc-99 vagy általában az LLFP-k radioaktivitásának szintje alá csökken. (Az aktinidok, ha nem távolítják el, nagyobb radioaktivitást bocsátanak ki, mint bármelyik ezen a ponton.) Körülbelül 1 millió évvel a Tc-99 radioaktivitása a Zr-93-as szint alá csökken, bár az utóbbi mozdulatlansága azt jelenti, hogy valószínűleg még mindig kisebb veszély. Körülbelül 3 millió évvel a Zr-93 bomlási energiája az I-129 alá csökken.

A nukleáris transzmutációt mint ártalmatlanítási módszert fontolgatják, elsősorban a Tc-99 és az I-129 esetében, mivel ezek egyaránt a legnagyobb biológiai veszélyeket jelentik, és a legnagyobb neutron befogási keresztmetszettel rendelkeznek , bár a transzmutáció még mindig lassú az aktinidek hasadásához képest egy reaktorban. A transzmutációt a Cs-135 esetében is fontolóra vették, de a többi LLFP számára szinte biztos, hogy nem éri meg.

Hivatkozások