Pienet aktinidit

Pienet eli nuoremmat aktinidit ovat muita transuraanialkuaineita kuin plutoniumia , jotka muodostuvat ydinreaktorin toiminnan aikana . Käytännöllisesti tärkeitä ovat neptuniumin , americiumin ja curiumin isotoopit , muita alkuaineita voimareaktoreissa muodostuu mitättömiä määriä (mutta niitä voidaan valmistaa erityisissä tutkimusreaktoreissa, joissa on korkea neutronivuon tiheys).

SNF sisältää noin suuruusluokkaa vähemmän pieniä aktinideja kuin plutonium (ominaispitoisuus ja koostumus riippuvat voimakkaasti palamissyvyydestä ja neutronispektristä). Tonni VVER SNF palamisasteella 4 % sisältää noin 10 kg plutonium-isotooppeja, 500-700 g neptuniumia, 600 g americium-241 (10 vuoden altistuksen jälkeen), 120 g americium-243, jopa 60 g curiumia (mukaan lukien lyhytikäinen curium-242) [2] [3] .

Monet pienet aktinidit ovat alfasäteilijöitä, joilla on erittäin pitkä puoliintumisaika (satoja, tuhansia ja jopa miljoonia vuosia), mikä tekee niistä yhden käytetyn ydinpolttoaineen vaarallisimmista komponenteista pitkällä aikavälillä (200-300 vuodessa, kun fissiopalasten radioaktiivisuus putoaa tuhansia kertoja).

Neptunium

Ydinreaktorin pääreaktio on uraani-235:n fissio neutronien toimesta . Mutta noin 15 %:ssa tapauksista, kun neutroni vangitaan, fissiota ei tapahdu, vaan muodostuu uraani-236-ydin. Lisäksi uraani-236 voi myös absorboida neutroneja, jolloin muodostuu lyhytikäistä beeta-radioaktiivista uraani-237:ää ( T ½ = 6,75 päivää), joka hajoaessaan tuottaa neptunium-237 :ää:

Lisäksi neptunium-237 voi siepata neutroneja ja muuttua plutonium-238 :ksi (tämä on tärkein Pu-238:n kertymisen lähde SNF:ssä ja päämenetelmä Pu-238:n tuottamiseksi RTG :tä varten ):

T ½ neptunium-237 on 2,1 miljoonaa vuotta. Pitkästä puoliintumisajasta johtuen sen radiotoksisuus on suhteellisen alhainen (ominaisaktiivisuus 26 MBq/g).

Americius

Ydinreaktorin toiminnan aikana plutonium-239 muodostuu uraani-238:sta vangitsemalla neutronin ja kaksi beetahajoamista:

Lisäksi, sieppaamalla neutroneja, Pu-239 muuttuu peräkkäin Pu-240:ksi, 241:ksi, 242:ksi ja 243:ksi. Plutonium-241 on suhteellisen lyhytikäinen ( T ½ = 14 vuotta), ja beetahajoamisen seurauksena se muuttuu americium-241 :ksi , jonka T ½ = 432 vuotta, ja lyhytikäinen plutonium-243 ( T ½ = 5 tuntia) - americium-243:ksi, jonka T ½ = 7364 vuotta [4] . On olemassa myös pitkäikäinen ydinisomeeri Am-242m, jonka T ½ = 140 vuotta, mutta sillä on erittäin suuri termisen neutronifission poikkileikkaus (6200 barnia [5] ), joten sitä ei valmisteta reaktorissa merkittäviä määriä.

Curium

Americium 241 ja 243 muodostavat lyhytikäisiä isotooppeja 242 ja 244 neutronien sieppauksella. Americium-242, jonka aika on T ½ = 16 tuntia, muuttuu beetahajoamisen seurauksena curium-242:ksi 83 %:n todennäköisyydellä (loput 17 % on elektronien sieppaamista plutonium-242). Americium-244, jonka jakso on T ½ = 10 tuntia, hajoaa curium-244:ksi. Kurium-242 T ½ puoliintumisaika = 163 päivää. Voi siepata neutronin ja muuttua curium-243:ksi, jonka T ½ = 29 vuotta, mutta lyhyen puoliintumisajan ja pienen sieppauspoikkileikkauksen vuoksi alfahajoaminen plutonium-238:ksi on paljon todennäköisempää. Curium -244:n puoliintumisaika T½ = 18 vuotta. Lisäksi curium-244 voi vangiessaan neutroneja muuttua curium-245:ksi ( T ½ = 8250 vuotta) ja raskaammista curium-248:aan asti, mutta tämä prosessi on hyvin hidasta tavanomaisissa voimareaktoreissa.

Kalifornia

Perinteisessä tehoreaktorissa muodostuu 244:tä painavampia curium-isotooppeja erittäin pieniä määriä, tk. jopa curium-isotoopeilla on alhainen sieppauspoikkileikkaus [6] (voimareaktoreille tyypilliset neutronivuot ovat luokkaa 10 13 n / (cm² • s), enintään muutama prosentti curium-244:stä reagoi kampanjan aikana, ja fraktiot prosentuaalinen osuus curium-246:sta ja 248:sta), ja parittomat isotoopit fissioivat erittäin todennäköisesti neutronin sieppauksen yhteydessä (lämpöneutronien fission todennäköisyys on 85 % curium-245:lle ja 64 % curium-247:lle). Kuitenkin, kun americium- tai curiumkohteita säteilytetään erityisesti suunnitelluissa suurvuoreaktoreissa, kuten SM , joissa neutronivuot saavuttavat 5 x 10 15 n/(cm² • s), reagoineen curiumin osuus on suuruusluokkaa suurempi, joten osa curiumista muuttuu lyhytikäiseksi beetaradioaktiiviseksi curium-249:ksi, joka muuttuu berkelium -249:ksi, kun T ½ = 64 minuuttia , ja se muuttuu kalifornium-249 : ksi , jonka T½ = 330 päivää (tai berkelium-249 voi vangitsee neutronin, joka muuttuu berkelium-250:ksi, joka sitten 3 tunnin puoliintumisajalla hajoaa kalifornium-250:ksi). Lisäksi kaliforniumin isotoopit 250, 251 ja 252 muodostuvat neutronien sieppaamisesta. Jälkimmäinen on löytänyt sovelluksen erittäin tehokkaana neutronien lähteenä (lyhyen puoliintumisajan T ½ \u003d 2,6 vuotta ja spontaanin fission suuren todennäköisyyden vuoksi - 3 %, sen neutronitausta on miljardeja kertoja enemmän kuin plutonium-240 ja satoja triljooneja kertoja suurempi kuin uraani-238: yksi mikrogramma kalifornium-252:ta emittoi 2,3 miljoonaa neutronia sekunnissa). Maailmassa syntetisoidaan vuosittain useita kymmeniä milligrammoja kalifornium-252:ta.

Muistiinpanot

  1. ↑ Sasahara, Akihiro; Matsumura, Tetsuo; Nicolaou, Giorgos; Papaioannou, Dimitri (huhtikuu 2004). "LWR:n korkean palamisen UO2- ja MOX-käytettyjen polttoaineiden neutroni- ja gammasädelähteiden arviointi". Journal of Nuclear Science and Technology . 41 (4): 448-456. DOI : 10.3327/jnst.41.448 .
  2. ↑ Arkistoitu kopio . Haettu 31. maaliskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 3. maaliskuuta 2022.
  3. ↑ Käytetty ydinpolttoaine lämpöreaktoreista . Haettu 31. maaliskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 15. toukokuuta 2021.
  4. ↑ Arkistoitu kopio . Haettu 31. maaliskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 9. elokuuta 2021.
  5. ↑ Neutroniresonanssien lämpöpoikkileikkaukset ja resonanssiintegraalit . Haettu 31. maaliskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 7. toukokuuta 2021.
  6. ↑ Neutroniresonanssien lämpöpoikkileikkaukset ja resonanssiintegraalit . Haettu 31. maaliskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 7. toukokuuta 2021.

Linkit