Ядерная трансмутация

редактировать
ВС является естественным термоядерным реактором, и преобразует световые элементы в более тяжелые элементы за счетом звездного нуклеосинтеза, форму ядерного синтеза.

Ядерная трансмутация - это превращение одного химического элемента или изотопа в другой химический элемент. Ядерная трансмутация происходит в любом процессе, когда количество протонов или нейтронов в ядре атома изменяется.

Трансмутация может быть достигнута либо с помощью ядерных реакций (в которых внешняя частица реагирует с ядром), либо с помощью радиоактивного распада, когда не требуется никакой внешней причины.

Естественная трансмутация путем звездного нуклеосинтеза в прошлом создала большинство более тяжелых химических элементов в известной существующей Вселенной и продолжается по сей день, создавая подавляющее большинство наиболее распространенных элементов во Вселенной, включая гелий, кислород и углерод. Большинство звезд осуществляют трансмутацию посредством реакций синтеза с участием водорода и гелия, в то время как гораздо более крупные звезды также способны синтезировать более тяжелые элементы, вплоть до железа, на поздних этапах своей эволюции.

Элементы тяжелее железа, такие как золото или свинец, образуются в результате элементарных трансмутаций, которые могут происходить естественным образом только при сверхновых. Когда звезды начинают плавить более тяжелые элементы, от каждой реакции синтеза выделяется значительно меньше энергии. Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто железо, которое образуется в результате эндотермической реакции, потребляющей энергию. В таких условиях невозможно производить более тяжелый элемент.

Один тип естественной трансмутации, наблюдаемый в настоящее время, происходит, когда определенные радиоактивные элементы, присутствующие в природе, спонтанно распадаются в результате процесса, вызывающего трансмутацию, такого как альфа- или бета-распад. Примером может служить естественный распад калия-40 до аргона-40, который образует большую часть аргона в воздухе. Также на Земле происходят естественные превращения в результате различных механизмов естественных ядерных реакций из-за бомбардировки элементов космическими лучами (например, с образованием углерода-14 ), а также иногда из-за естественной нейтронной бомбардировки (например, см. Естественный ядерный реактор деления. ).

Искусственная трансмутация может происходить в машинах, у которых достаточно энергии, чтобы вызвать изменения в ядерной структуре элементов. К таким машинам относятся ускорители частиц и реакторы токамаки. Обычные силовые реакторы деления также вызывают искусственную трансмутацию, но не за счет мощности машины, а за счет воздействия на элементы нейтронов, образующихся в результате деления в результате искусственно созданной ядерной цепной реакции. Например, при бомбардировке атома урана медленными нейтронами происходит деление. Это высвобождает в среднем 3 нейтрона и большое количество энергии. Высвободившиеся нейтроны затем вызывают деление других атомов урана, пока весь доступный уран не будет исчерпан. Это называется цепной реакцией.

Искусственная трансмутация ядер рассматривается как возможный механизм уменьшения объема и опасности радиоактивных отходов.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 История
    • 1.1 Алхимия
    • 1.2 Современная физика
  • 2 Трансмутация во вселенной
  • 3 Искусственная трансмутация ядерных отходов
    • 3.1 Обзор
    • 3.2 Типы реакторов
    • 3.3 Типы топлива
    • 3.4 Долгоживущие продукты деления
  • 4 См. Также
  • 5 ссылки
  • 6 Внешние ссылки

История

Алхимия

Термин трансмутация восходит к алхимии. Алхимики искали философский камень, способный к хризопее - превращению неблагородных металлов в золото. В то время как алхимики часто понимали хризопею как метафору мистического или религиозного процесса, некоторые практикующие использовали буквальную интерпретацию и пытались получить золото с помощью физических экспериментов. Невозможность металлической трансмутации обсуждалась среди алхимиков, философов и ученых со времен средневековья. Псевдоалхимическая трансмутация была объявлена ​​вне закона и публично высмеивалась с четырнадцатого века. Алхимики, такие как Майкл Майер и Генрих Кунрат, написали трактаты, разоблачающие мошеннические заявления о добыче золота. К 1720-м годам уже не было респектабельных деятелей, занимавшихся физическим превращением веществ в золото. Антуан Лавуазье в 18 веке заменил алхимическую теорию элементов современной теорией химических элементов, а Джон Дальтон развил понятие атомов (из алхимической теории корпускул ) для объяснения различных химических процессов. Распад атомов - это отдельный процесс, требующий гораздо больших энергий, чем могли бы достичь алхимики.

Современная физика

Впервые его сознательно применил к современной физике Фредерик Содди, когда он вместе с Эрнестом Резерфордом в 1901 году открыл, что радиоактивный торий превращается в радий. Позже Содди вспоминал, что в момент осознания он крикнул: «Резерфорд, это трансмутация!» Резерфорд огрызнулся: «Ради всего святого, Содди, не называй это трансмутацией. Им как алхимикам отрубить нам голову».

Резерфорд и Содди наблюдали естественную трансмутацию как часть радиоактивного распада типа альфа-распада. Первая искусственная трансмутация была осуществлена ​​в 1925 году Патриком Блэкеттом, научным сотрудником, работавшим под руководством Резерфорда, с трансмутацией азота в кислород с использованием альфа-частиц, направленных на азот 14 N + α → 17 O + p. В 1919 году Резерфорд показал, что протон (он назвал его атомом водорода) испускался в результате экспериментов по альфа-бомбардировке, но у него не было информации об остаточном ядре. Эксперименты Блэкетта 1921-1924 гг. Предоставили первое экспериментальное свидетельство искусственной реакции ядерной трансмутации. Блэкетт правильно определил основной процесс интеграции и идентичность остаточного ядра. В 1932 году полностью искусственная ядерная реакция и ядерная трансмутация были осуществлены коллегами Резерфорда Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном, которые использовали искусственно ускоренные протоны против лития-7, чтобы разделить ядро ​​на две альфа-частицы. Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома», хотя это не была современная реакция ядерного деления, открытая в 1938 году Отто Ганом, Лизой Мейтнер и их помощником Фрицем Штрассманном в тяжелых элементах.

Позже, в двадцатом веке, трансмутация элементов в звездах была разработана с учетом относительного содержания более тяжелых элементов во Вселенной. За исключением первых пяти элементов, которые образовались в результате Большого взрыва и других процессов космических лучей, в звездном нуклеосинтезе было обнаружено содержание всех элементов тяжелее бора. В своей статье 1957 Синтез элементов в звездах, Уильям Альфред Фаулер, Маргарет Бербиджа, Джеффри Бербиджу, и Фред Хойл объяснил, как Содержания по существу все, но самые легкие химические элементы могут быть объяснены в процессе нуклеосинтеза в звездах.

При истинной ядерной трансмутации гораздо легче превратить золото в свинец, чем обратная реакция, которую алхимики горячо преследовали. Было бы легче превратить золото в свинец посредством захвата нейтронов и бета-распада, оставив золото в ядерном реакторе на длительный период времени.

Гленн Сиборг произвел несколько тысяч атомов золота из висмута, но с чистыми потерями.

Для получения дополнительной информации о синтезе золота см. Синтез драгоценных металлов.

197 Au + n198 Au ( период полураспада 2,7 дня) → 198 Hg + n → 199 Hg + n → 200 Hg + n → 201 Hg + n → 202 Hg + n → 203 Hg (период полураспада 47 дней) → 203 Tl + n → 204 Tl (период полураспада 3,8 года) → 204 Pb

Трансмутация во вселенной

Основная статья: Нуклеосинтез

Big Bang считается происхождением водорода (включая весь дейтерий ) и гелий во Вселенной. Водород и гелий вместе составляют 98% массы обычного вещества во Вселенной, а остальные 2% составляют все остальное. Большой взрыв также произвел небольшое количество лития, бериллия и, возможно, бора. Больше лития, бериллия и бора были произведены позже, в результате естественной ядерной реакции, расщепления космических лучей.

Звездный нуклеосинтез отвечает за все другие элементы, встречающиеся в природе во Вселенной в виде стабильных изотопов и первичных нуклидов, от углерода до урана. Это произошло после Большого взрыва во время звездообразования. Некоторые более легкие элементы, от углерода до железа, образовывались в звездах и выбрасывались в космос звездами асимптотической ветви гигантов (AGB). Это разновидность красных гигантов, которые «выдыхают» свою внешнюю атмосферу, содержащую некоторые элементы от углерода до никеля и железа. Все элементы с атомным весом более 64 атомных единиц массы образуются в сверхновых звездах посредством захвата нейтронов, который подразделяется на два процесса: r-процесс и s-процесс.

Солнечная система, как полагает, конденсирует приблизительно 4,6 миллиарда лет до настоящего времени, из облака водорода и гелия, содержащего тяжелые элементы в пылевых частицах, образованных ранее большое числом таких звезд. Эти зерна содержали более тяжелые элементы, образовавшиеся в результате трансмутации ранее в истории Вселенной.

Все эти естественные процессы трансмутации звезд продолжаются сегодня в нашей галактике и в других. Звезды превращают водород и гелий в более тяжелые и тяжелые элементы, чтобы произвести энергию. Например, наблюдаемые кривые блеска сверхновых звезд, таких как SN 1987A, показывают, что они выбрасывают в космос большое количество (сравнимое с массой Земли) радиоактивного никеля и кобальта. Однако немного этого материала достигает Земли. Большинство естественных трансмутаций на Земле сегодня опосредовано космическими лучами (такими как образование углерода-14 ) и радиоактивным распадом радиоактивных первичных нуклидов, оставшихся от первоначального образования Солнечной системы (таких как калий-40, уран и торий.), плюс радиоактивный распад продуктов этих нуклидов (радий, радон, полоний и др.). Смотрите цепочку распада.

Искусственная трансмутация ядерных отходов

Обзор

Трансмутация трансурановых элементов (т.е. актинидов минус актиний до урана ), такие как изотопы с плутонием (около 1 мас% в легководных реакторах ", используемого ядерного топлива или младших актинидов (MAS, т.е. нептуний, америций и кюрия ), около 0,1 мас % каждого в отработанном ядерном топливе легководных реакторов) может помочь решить некоторые проблемы, связанные с обращением с радиоактивными отходами, за счет снижения доли долгоживущих изотопов, которые они содержат. (Это не исключает необходимости в глубоком геологическом хранилище для отходов с высоким уровнем радиоактивности. ) При облучении быстрыми нейтронами в ядерном реакторе эти изотопы могут подвергаться ядерному делению, разрушая исходный изотоп актинида и производя спектр радиоактивных и нерадиоактивных веществ. продукты деления.

Керамические мишени, содержащие актиниды, можно бомбардировать нейтронами, чтобы вызвать реакции трансмутации для удаления наиболее сложных долгоживущих частиц. Они могут состоять из твердых растворов, содержащих актиниды, таких как (Am, Zr) N, (Am, Y) N, (Zr, Cm) O 2, (Zr, Cm, Am) O 2, (Zr, Am, Y) O 2или просто актинидные фазы, такие как AmO 2, NpO 2, NpN, AmN в смеси с некоторыми инертными фазами, такими как MgO, MgAl 2О 4, (Zr, Y) O 2, TiN и ZrN. Роль нерадиоактивных инертных фаз заключается, главным образом, в обеспечении стабильного механического поведения мишени при нейтронном облучении.

Однако есть проблемы с этой стратегией Pamp;T (разделение и трансмутация):

  • Во-первых, она ограничена дорогостоящей и обременительной необходимостью разделения долгоживущих изотопов продуктов деления, прежде чем они смогут подвергнуться трансмутации.
  • кроме того, некоторые долгоживущие продукты деления из-за их малых сечений захвата нейтронов неспособны улавливать достаточно нейтронов для того, чтобы произошла эффективная трансмутация.

Новое исследование, проведенное Сатоши Чиба из Tokyo Tech (названное «Метод уменьшения долгоживущих продуктов деления путем ядерной трансмутации с помощью реакторов быстрого спектра»), показывает, что эффективная трансмутация долгоживущих продуктов деления может быть достигнута в реакторах быстрого спектра без необходимости для разделения изотопов. Это может быть достигнуто путем добавления замедлителя из дейтерида иттрия.

Типы реакторов

Например, плутоний можно переработать в смешанное оксидное топливо и преобразовать в стандартные реакторы. Более тяжелые элементы можно преобразовать в быстрых реакторах, но, вероятно, более эффективно в подкритическом реакторе, который иногда называют усилителем энергии и который был разработан Карло Руббиа. Также были предложены источники термоядерных нейтронов.

Виды топлива

Есть несколько видов топлива, которые могут включать плутоний в свой первоначальный состав в начале цикла и иметь меньшее количество этого элемента в конце цикла. Во время цикла плутоний может сжигаться в энергетическом реакторе, генерируя электричество. Этот процесс интересен не только с точки зрения выработки электроэнергии, но также из-за его способности потреблять излишки оружейного плутония из оружейной программы и плутония, полученного в результате переработки использованного ядерного топлива.

Смешанное оксидное топливо является одним из них. Его смесь оксидов плутония и урана представляет собой альтернативу низкообогащенному урановому топливу, которое преимущественно используется в легководных реакторах. Поскольку уран присутствует в смешанном оксиде, хотя плутоний будет сжигаться, плутоний второго поколения будет производиться за счет радиационного захвата U-238 и двух последующих бета-минус-распадов.

Также возможно топливо с плутонием и торием. В них нейтроны, выделяющиеся при делении плутония, захватываются Th-232. После этого радиационного захвата Th-232 становится Th-233, который претерпевает два бета-минус-распада, в результате чего образуется делящийся изотоп U-233. Сечение радиационного захвата для Th-232 более чем в три раза больше, чем для U-238, что дает более высокую конверсию в делящееся топливо, чем у U-238. Из-за отсутствия урана в топливе плутоний второго поколения не производится, а количество сожженного плутония будет выше, чем в смешанном оксидном топливе. Однако делящийся U-233 будет присутствовать в отработанном ядерном топливе. Плутоний оружейного и реакторного качества может использоваться в плутоний-ториевом топливе, причем оружейный плутоний является тем плутонием, который демонстрирует большее сокращение количества Pu-239.

Долгоживущие продукты деления

Смотрите также: Ядерная переработка § Волокисление
Долгоживущие продукты деления
  • v
  • т
  • е
Нуклид т 1 ⁄ 2 Урожай Энергия распада Режим распада
( Ма ) (%) ( кэВ )
99 Тс 0,211 6,1385 294 β
126 Sn 0,230 0,1084 4050 β γ
79 Se 0,327 0,0447 151 β
93 Zr 1,53 5,4575 91 βγ
135 Cs 2.3 6,9110 269 β
107 Pd 6.5 1,2499 33 β
129 Я 15,7 0,8410 194 βγ

Некоторые радиоактивные продукты деления могут быть превращены в более короткоживущие радиоизотопы путем трансмутации. Трансмутация всех продуктов деления с периодом полураспада более одного года изучается в Гренобле с разными результатами.

Sr-90 и Cs-137 с периодом полураспада около 30 лет являются крупнейшими источниками излучения (включая тепло) в отработанном ядерном топливе в масштабе от десятилетий до ~ 305 лет (Sn-121m незначителен из-за низкого выхода.), и не легко трансмутируется, потому что они имеют низкое поглощение нейтронов сечение. Вместо этого их следует просто хранить до тех пор, пока они не разложатся. Учитывая, что такая продолжительность хранения необходима, продукты деления с более короткими периодами полураспада также могут храниться до тех пор, пока они не распадутся.

Следующим долгоживущим продуктом деления является Sm-151, период полураспада которого составляет 90 лет, и который является настолько хорошим поглотителем нейтронов, что большая его часть трансмутируется, пока ядерное топливо все еще используется; однако эффективное преобразование оставшегося Sm-151 в ядерных отходах потребует отделения от других изотопов самария. Учитывая меньшие количества и его низкоэнергетическую радиоактивность, Sm-151 менее опасен, чем Sr-90 и Cs-137, и его также можно оставить для распада в течение ~ 970 лет.

Наконец, есть 7 долгоживущих продуктов деления. У них гораздо более длительный период полураспада - от 211 000 до 15,7 миллионов лет. Два из них, Tc-99 и I-129, достаточно мобильны в окружающей среде, чтобы представлять потенциальную опасность, не содержат или почти не содержат смеси со стабильными изотопами того же элемента и имеют нейтронные сечения, которые малы, но достаточны для поддержки трансмутация. Кроме того, Tc-99 может заменить U-238 в обеспечении доплеровского уширения для отрицательной обратной связи для стабильности реактора. Большинство исследований предлагаемых схем трансмутации предполагали 99 Tc, 129 I и трансурановые элементы в качестве мишеней для трансмутации, при этом другие продукты деления, продукты активации и, возможно, переработанный уран оставались в виде отходов.

Из оставшихся 5 долгоживущих продуктов деления, Se-79, Sn-126 и Pd-107 производятся только в небольших количествах (по крайней мере, в современной теплового нейтрона, U-235 -burning легководных реакторов ), а последние два должны быть относительно инертный. Два других, Zr-93 и Cs-135, производятся в больших количествах, но также не обладают высокой подвижностью в окружающей среде. Они также смешаны с большим количеством других изотопов того же элемента.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

  • «Радиоактивные изменения», статья Резерфорда и Содди (1903 г.), онлайн и проанализированы в Bibnum [щелкните 'à télécharger', чтобы перейти на английскую версию].
Последняя правка сделана 2023-03-29 03:31:45
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте