長壽命裂變產物

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。

基本介紹

  • 中文名:長壽命裂變產物
  • 外文名:Long-lived fission product
  • 領域:核物理
簡介,核廢料放射性的來源,短壽命裂變產物,中等壽命裂變產物,錒系元素,長壽命裂變產物,七種長壽裂變產物的放射性隨時間的變化,

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

核廢料中含有裂變產物,還含有錒系元素,以及中子活化後的放射性元素(又稱為激活產物)。

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。
反應堆或者乏燃料發生核泄漏時,只會有部分核素外泄。這種泄漏的同位素特徵和大氣層核爆炸完全不同。

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

銫-137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。
  • 鎝-99是長壽裂變產物中產額較高的,為6%左右。它釋放出低到中等能量的電子,沒有γ輻射。因此只要不攝入體內,對生物不構成太大的風險。但鎝可以被氧化為高鎝酸鹽(TcO4),溶解度好,被廣泛用於核醫學。鎝-99在環境中遷移性比較大。據說已有數以噸計的鎝-99因人類活動進入環境。
  • 錫-126衰變能較大,而且是七種長壽裂變產物中唯一能釋放高能γ射線的核素。但是這種核素產額很低。如果反應堆以鈾-235為燃料,在乏燃料中,每單位時間錫-126釋放出的能量是鎝-99的5%;如果反應堆以鈾-235(65%)和鈽-239(35%)為燃料,在乏燃料中,每單位時間錫-126釋放出的能量是鎝-99的20%。錫化學性質比較惰性,不易在環境中遷移,因此對人類健康影響不大。
  • 硒-79的產額很低,輻射也很弱。每單位時間硒-79釋放出的能量是鎝-99的0.2%。
  • 鋯-93的產額在6%左右,其衰變比鎝-99慢7.5倍,衰變能只是鎝-99的30%。因此起始時乏燃料中的鋯-93釋放的能量只是鎝-99的4%。但其能量貢獻會隨著時間而增加。鋯-93產生極弱的γ輻射,在環境中也相對惰性。
  • 銫-135的前體氙-135產額在6%左右,但吸收熱中子的能力很強。因此大部分氙-135嬗變為穩定同位素氙-136,只有少部分衰變為銫-135。假定90%的氙-135發生嬗變,起始時乏燃料中的銫-135釋放的能量只是鎝-99的1%。銫-135是七種七種長壽裂變產物中唯一一種鹼金屬,其電負性為正值。相比之下,主要的中等壽命裂變產物和除鎿之外的錒系元素都是鹼性。銫-135具有揮發性,可以用高溫揮發的辦法分離。
  • 鈀-107的半衰期很長,產額在1%左右。如果以鈽-239為燃料,鈀-107的產率比用鈾-235為燃料時要高。其放射性很弱。起始時乏燃料中的鋯-93釋放的能量只是鎝-99的萬分之一。鈀屬貴金屬,化學性質不活潑。
  • 碘-129半衰期在七種長壽裂變產物中最長:1570萬年。它放射性也很弱,起始時乏燃料中的鋯-93釋放的能量只是鎝-99的1%。但放射性碘卻對生物構成重大的核威脅,因為碘是許多生物必須的微量元素之一。碘-131在碘同位素中放射性最強,危害也最大。

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。

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