Долгоживущий продукт деления

Информацию о французской / ливанской международной школе в Дубае с аббревиатурой LLFP см. В Lycée Libanais Francophone Privé.

Долгоживущие продукты деления (LLFPs) радиоактивные материалы с длительным периодом полураспада (более 200000 лет) производства ядерного деления из урана и плутония. Из-за их стойкой радиотоксичности необходимо изолировать их от человека и биосферы и поместить в хранилища ядерных отходов на геологический период времени.

• 1 Эволюция радиоактивности в ядерных отходах
  • 1.1 Краткосрочные
  • 1.2 Средноживущие продукты деления
  • 1.3 Актиниды
  • 1.4 Долгоживущие продукты деления
• 2 7 долгоживущих продуктов деления
• 3 Сравнение радиоактивности LLFP
• 4 ссылки

Ядерное деление производит продукты деления, а также актиниды из ядерных топливных ядер, которые захватывают нейтроны, но не в состоянии деления и продукты активации от нейтронной активации реактора или окружающих среды материалов.

В ближайщем будущем

Высокая краткосрочная Радиоактивность из отработанного ядерного топлива, в первую очередь от продуктов деления с коротким периодом полураспада. Радиоактивность в смеси продуктов деления состоит в основном из короткоживущих изотопов, таких как ¹³¹ I и ¹⁴⁰ Ba, примерно через четыре месяца ¹⁴¹ Ce, ⁹⁵ Zr / ⁹⁵ Nb и ⁸⁹ Sr составляют наибольшую долю, а примерно через два или три года наибольшую долю составляют изотопы. акцию занимают ¹⁴⁴ Ce / ¹⁴⁴ Pr, ¹⁰⁶ Ru / ¹⁰⁶ Rh и ¹⁴⁷ Pm. Обратите внимание, что в случае выброса радиоактивности из энергетического реактора или отработанного топлива, происходит выброс только некоторых элементов. В результате изотопная сигнатура радиоактивности сильно отличается от ядерного взрыва на открытом воздухе, когда все продукты деления рассредоточены.

Средноживущие продукты деления

Среднесрочные жили продукты деления

Реквизит: Единица:	t ½ ( а )	Доходность ( % )	Q * ( кэВ )	βγ *
155 евро	4,76	0,0803	252	βγ
85 кр	10,76	0,2180	687	βγ
113м кд	14.1	0,0008	316	β
90 Sr	28,9	4,505	2826	β
137 Cs	30,23	6,337	1176	β γ
121 м Sn	43,9	0,00005	390	βγ
151 см	88,8	0,5314	77	β

После нескольких лет охлаждения большая часть радиоактивности приходится на продукты деления цезий-137 и стронций-90, каждый из которых образуется примерно в 6% делений и имеет период полураспада около 30 лет. Другие продукты деления с аналогичным периодом полураспада имеют гораздо более низкие выходы продуктов деления, более низкую энергию распада, а некоторые ( ¹⁵¹ Sm, ¹⁵⁵ Eu, ^113m Cd) также быстро разрушаются в результате захвата нейтронов, еще находясь в реакторе, поэтому не несут ответственности за большее количество. чем крошечная доля производства радиации в любое время. Таким образом, в период от нескольких лет до нескольких сот лет после использования, радиоактивность отработавшего топлива может быть смоделирована просто как экспоненциальное затухание от ¹³⁷ Cs и ⁹⁰ Sr. Они иногда называют средний сроком продуктов деления.

Криптон-85, третий по активности MLFP, представляет собой благородный газ, который может улетучиваться во время текущей ядерной переработки ; однако его инертность означает, что он не концентрируется в окружающей среде, а диффундирует до однородной низкой концентрации в атмосфере. Отработавшее топливо в США и некоторых других странах вряд ли будет переработано в течение нескольких десятилетий после использования, и к тому времени большая часть ⁸⁵ Kr разложится.

Актиниды

Актиниды и продукты деления по периоду полураспада v т е
Актиниды по цепочке распада				Период полураспада ( а )	Продукты деления из 235 U по доходности
4 п	4 п +1	4 п +2	4 п +3
						4,5–7%	0,04–1,25%	lt;0,001%
228 Ра №				4–6 а	†		155 Eu þ
244 см ƒ	241 Pu ƒ	250 КФ	227 Ас №	10–29 а		90 Sr	85 кр	113м кд þ
232 U ƒ		238 Pu ƒ	243 см ƒ	29–97 а		137 Cs	151 см þ	121 м Sn
248 Bk	249 Cf ƒ	242m Am ƒ		141–351 а	Никакие продукты деления не имеют период полураспада в диапазоне 100–210 тыс. Лет.
	241 Am ƒ		251 Cf ƒ	430–900 а
		226 Ra №	247 Bk	1,3–1,6 тыс. Лет назад
240 Pu	229 Чт	246 см ƒ	243 Am ƒ	4,7–7,4 тыс. Лет
	245 см ƒ	250 см		8,3–8,5 тыс. Лет
			239 Pu ƒ	24,1 тыс. Лет назад
		230 Чт №	231 Па №	32–76 тыс. Лет назад
236 Np ƒ	233 U ƒ	234 У №		150–250 тыс. Лет назад	‡	99 Tc ₡	126 Sn
248 см		242 Pu		327–375 тыс. Лет назад			79 Se ₡
				1,53 млн лет		93 Zr
	237 Np ƒ			2,1–6,5 млн лет		135 Cs ₡	107 Pd
236 U			247 см ƒ	15–24 млн лет			129 I ₡
244 Pu				80 млн лет	... не более 15,7 млн ​​лет
232 Чт №		238 У №	235 U ƒ№	0,7–14,1 млрд лет
Легенда для верхнего индекса символов ₡ имеет тепловой захват нейтронов поперечного сечение в диапазоне 8-50 барн ƒ  делящегося м  метастабильного изомер № прежде всего в природе радиоактивных материалов (NORM) þ  нейтронных яда (захват тепловых нейтронов поперечного сечения больше, чем 3k барн) † диапазон 4–97 a: Средноживущий продукт деления ‡ более 200 тыс. Лет назад: Долгоживущий продукт деления

После того, как ¹³⁷ Cs и ⁹⁰ Sr распадутся до низких уровней, основная часть радиоактивности отработавшего топлива происходит не от продуктов деления, а от актинидов, особенно плутония-239 (период полураспада 24  тыс. Лет ), плутония-240 (6,56 тыс. Лет), америция-241. (432 года), америций-243 (7,37 тыс. Лет), кюрий- 245 (8,50 тыс. Лет) и кюрий-246 (4,73 тыс. Лет). Их можно восстановить путем ядерной переработки (до или после распада ¹³⁷ Cs и ⁹⁰ Sr) и расщепить, что дает возможность значительно снизить радиоактивность отходов в масштабе времени примерно от 10 ³ до 10 ⁵ лет. ²³⁹ Pu может использоваться в качестве топлива в существующих тепловых реакторах, но некоторые второстепенные актиниды, такие как ²⁴¹ Am, а также неделящийся и менее плодородный изотоп плутония-242, лучше разрушаются в быстрых реакторах, подкритических реакторах с ускорителем или термоядерном синтезе. реакторы.

Долгоживущие продукты деления

В масштабах более 10 ⁵ лет продукты деления, в основном ⁹⁹ Tc, снова составляют значительную долю оставшейся, хотя и более низкой радиоактивности, наряду с более долгоживущими актинидами, такими как нептуний-237 и плутоний-242, если они не были уничтожены.

Наиболее распространенные долгоживущие продукты деления имеют полную энергию распада около 100–300 кэВ, только часть которой появляется в бета-частице; остальное теряется нейтрино, которое не действует. Напротив, актиниды подвергаются множественным альфа-распадам, каждый с энергией распада около 4–5 МэВ.

Только семь продуктов деления имеют длительные периоды полураспада, и они намного превышают 30 лет, в диапазоне от 200 000 до 16 миллионов лет. Они известны как долгоживущие продукты деления (LLFP). Три имеют относительно высокую урожайность, около 6%, в то время как остальные имеют гораздо более низкую урожайность. (В этот список из семи не включены изотопы с очень медленным распадом и периодом полураспада, превышающие возраст Вселенной, которые эффективно стабильны и уже обнаружены в природе, а также несколько нуклидов, таких как технеций- 98 и самарий- 146, которые » затененные «от бета-распада и могут возникать только как прямые продукты деления, а не как продукты бета-распада более богатых нейтронами исходных продуктов деления. Затененные продукты деления имеют выходы порядка одной миллионной от йода-129.)

• v
• т
• е

Долгоживущие продукты деления

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

Первые три имеют одинаковый период полураспада - от 200 до 300 тысяч лет; последние четыре имеют более длительный период полураспада, составляющий миллионы лет.

1. Технеций-99 производит наибольшее количество радиоактивности LLFP. Он испускает бета-частицы от низкой до средней энергии, но не испускает гамма-лучи, поэтому имеет небольшую опасность при внешнем воздействии, но только при проглатывании. Однако химический состав технеция позволяет ему образовывать анионы ( пертехнетат, TcO 4 ^-), которые относительно подвижны в окружающей среде.
2. Олово-126 имеет большую энергию распада (из-за следующего за ним продукта распада с коротким периодом полураспада ) и является единственным LLFP, который испускает энергичное гамма-излучение, которое представляет опасность внешнего воздействия. Однако этот изотоп образуется в очень малых количествах при делении тепловыми нейтронами, поэтому энергия в единицу времени из ¹²⁶ Sn составляет всего около 5% от ⁹⁹ Tc для деления U-235, или на 20% для 65%. U-235 + 35% Pu-239. Быстрое деление может привести к более высоким выходам. Олово - это инертный металл, который мало подвижен в окружающей среде, что снижает риски для здоровья от его излучения.
3. Селен-79 производится с низким выходом и излучает только слабое излучение. Его энергия распада в единицу времени должна составлять всего около 0,2% от энергии Tc-99.
4. Цирконий-93 производится с относительно высоким выходом около 6%, но его распад в 7,5 раз медленнее, чем у Tc-99, а его энергия распада всего на 30% меньше; поэтому его выработка энергии изначально составляет всего 4% от Tc-99, хотя эта доля будет увеличиваться по мере распада Tc-99. ⁹³ Zr действительно производит гамма-излучение, но с очень низкой энергией, а цирконий относительно инертен в окружающей среде.
5. Предшественник цезия-135, ксенон-135, производится с высокой скоростью более 6% делений, но является чрезвычайно мощным поглотителем тепловых нейтронов ( нейтронный яд ), так что большая часть его превращается в почти стабильный ксенон-136. прежде, чем он сможет распасться на цезий-135. Если 90% ¹³⁵ Xe разрушается, тогда энергия распада оставшихся ¹³⁵ Cs в единицу времени изначально будет только примерно на 1% больше, чем у ⁹⁹ Tc. В быстром реакторе может быть уничтожено меньше Xe-135. ¹³⁵ Cs - единственный щелочной или электроположительный LLFP; напротив, все основные среднеактивные продукты деления и второстепенные актиниды, кроме нептуния, являются щелочными и имеют тенденцию оставаться вместе во время переработки; при многих методах переработки, таких как солевой раствор или улетучивание соли, ¹³⁵ Cs также останется в этой группе, хотя некоторые методы, такие как высокотемпературное улетучивание, могут разделить его. Часто щелочные отходы остекловываются с образованием высокоактивных отходов, которые будут включать ¹³⁵ Cs. Цезий деления содержит не только ¹³⁵ Cs, но и стабильный, но поглощающий нейтроны ¹³³ Cs (который тратит нейтроны и образует ¹³⁴ Cs, который является радиоактивным с периодом полураспада 2 года), а также обычный продукт деления ¹³⁷ Cs, который не поглощает нейтроны. но он очень радиоактивен, что делает обращение с ним более опасным и сложным; по всем этим причинам трансмутационное избавление от ¹³⁵ Cs было бы более трудным.
6. Палладий-107 имеет очень длительный период полураспада, низкий выход (хотя выход деления плутония выше, чем выход деления урана-235 ) и очень слабое излучение. Его первоначальный вклад в излучение LLFP должен составлять только одну часть из 10000 для деления ²³⁵ U или 2000 для 65% ²³⁵ U + 35% ²³⁹ Pu. Палладий - благородный металл и чрезвычайно инертный.
7. У йода-129 самый длительный период полураспада, 15,7 миллионов лет, и из-за его более высокого периода полураспада, более низкой фракции деления и энергии распада он производит лишь около 1% интенсивности радиоактивности, равной ⁹⁹ Tc. Однако радиоактивный йод представляет собой непропорциональную биологическую опасность, поскольку щитовидная железа концентрирует йод. ¹²⁹ I имеет период полураспада почти в миллиард раз больше, чем его более опасный сестринский изотоп ¹³¹ I; следовательно, с более коротким периодом полураспада и более высокой энергией распада ¹³¹ I примерно в миллиард раз более радиоактивен, чем более долгоживущий ¹²⁹ I.

В целом, остальные шесть LLFP в отработавшем топливе теплового реактора первоначально выделяют лишь немногим более 10% энергии в единицу времени, чем Tc-99 для деления U-235, или 25% столько же для 65% -ного U-235. + 35% Pu-239. Приблизительно через 1000 лет после использования топлива радиоактивность среднеактивных продуктов деления Cs-137 и Sr-90 падает ниже уровня радиоактивности Tc-99 или LLFP в целом. (Актиниды, если их не удалить, будут излучать больше радиоактивности, чем любой другой на данный момент.) Примерно через 1 миллион лет радиоактивность Tc-99 упадет ниже, чем у Zr-93, хотя неподвижность последнего означает, что он, вероятно, все еще остается меньшая опасность. Примерно к 3 миллионам лет энергия распада Zr-93 станет ниже, чем у I-129.

Ядерная трансмутация рассматривается как метод утилизации, главным образом, для Tc-99 и I-129, поскольку они оба представляют собой самые большие и имеют биологически опасные наибольшие захвата нейтронов поперечные сечения, хотя трансмутация по - прежнему медленно по сравнению с делением актинидов в реакторе. Трансмутация также рассматривалась для Cs-135, но почти наверняка не имеет смысла для других LLFP.