簡介
長壽命裂變產物一般指由
核裂變反應產生的、
半衰期超過20萬年的
放射性物質。這並非精確的科學定義,比如有人把某些
半衰期在20年至100年間的裂變產物也稱作長壽命裂變產物。另外的人則主張把這些半衰期在20年-100年間的裂變產物稱作中等壽命裂變產物。
核廢料放射性的來源
短壽命裂變產物
剛出堆的
乏燃料在短期內具有極強的放射性,這种放射性大多來源於裂變產物中的短壽命裂變產物,比如
碘-131(半衰期=8.0197天)和
鋇-140(半衰期=12.7523天)。四個月之後,上述兩種
核素的強放射性基本消失,取而代之的是鈰-141、鋯-95、鈮-95和鍶-89。兩到三年之後,放射性主要來源於鈰-144、鐠-144、釕-106、銠-106和鉕-147。
中等壽命裂變產物
乏燃料經過幾年的冷卻之後,大部分放射性源自
銫-137和
鍶-90。二者在裂變反應中的
產額大概都是6%,半衰期都在30年左右。其他半衰期在30年左右的
核素要么反應產額低,要么在反應堆中經
中子俘獲而被轉變成其他核素(比如釤-151、銪-155和鎘-113m),因此對乏燃料的放射性貢獻不大。在幾年到幾百年的時間裡,乏燃料的放射性基本可以認為就是銫-137和鍶-90的放射性,可以通過二者指數
衰變的疊加來模擬。它們被稱為中等壽命裂變產物。
氪-85(半衰期=10.76年)也算是中等壽命裂變產物。但它的情形和銫-137和鍶-90有所不同。氪-85是一種
惰性氣體,不會在
大氣圈、
岩石圈或者
水圈富集。因此在現有再處理流程中,氪-85可以直接排放到大氣中。在美國和其他一些國家,乏燃料在再處理之前一般要經過幾十年的冷卻。到了再處理的時候,大部分氪-85已經經衰變而消失。
錒系元素
當
銫-137和
鍶-90大部分
衰變後,乏燃料的放射性主要來源於
錒系元素,最重要的有
鈽-239、鈽-240、
鎇-241、鎇-243、鋦-245和鋦-246。這些元素可以經再處理回收,用作裂變燃料。分離這些元素後,在1,000-100,000年左右乏燃料的放射性會大大降低。鈽-239可以直接用於現有的
熱中子反應堆。量比較小的鎇-241和鈽-242則可以在
快中子反應堆中轉化成其他核素。
長壽命裂變產物
100,000年以後,裂變產物將以七種核素為主,兼有少量鎿-237和鈽-242。這七種核素的半衰期在20萬年到1600萬年之間。主要產物鎝-99、鋯-93和銫-135的產額在6%左右,其衰變能在100-300千
電子伏特之間,一部分表現為β輻射,另一部分則以無害的
中微子形式釋放。錒系元素以
α衰變為主,衰變能在4-5兆電子伏特。
七種長壽裂變產物的放射性隨時間的變化
如果反應堆以鈾-235為燃料,在乏燃料中,每單位時間其它六種核素釋放出的縂能量是
鎝-99的10%;如果反應堆以鈾-235(65%)和
鈽-239(35%)為燃料,在乏燃料中,每單位時間其它六種核素釋放出的縂能量是鎝-99的25%。
乏燃料冷卻1000年後,中等壽命裂變產物
銫-137和
鍶-90的放射性降低到和長壽裂變產物持平的水平。如果錒系元素沒有分離的話,將比中等壽命裂變產物和長壽裂變產物的放射性更強。
乏燃料冷卻100萬年後,鎝-99的放射性將首次低於鋯-93。300萬年後,鋯-93的衰變能將低於
碘-129。
因為鎝-99和碘-129對生物危害較大,但同時有較大的
中子反應截面,有人正在考慮用
核嬗變的方式將它們轉化為危害較小的核素以除去。