Ядерная трансмутация - Nuclear transmutation

В солнце это естественный термоядерный реактор, и превращает легкие элементы в более тяжелые через звездный нуклеосинтез, форма термоядерная реакция.

Ядерная трансмутация это преобразование одного химический элемент или изотоп в другой химический элемент.[1] Поскольку любой элемент (или изотоп одного) определяется его количеством протоны (и нейтроны ) в своем атомы, т.е. в атомное ядро ядерная трансмутация происходит в любом процессе, когда количество протонов или нейтронов в ядре изменяется.

Трансмутация может быть достигнута либо ядерные реакции (в котором внешняя частица реагирует с ядром) или посредством радиоактивный распад, где не нужна внешняя причина.

Естественная трансмутация звездный нуклеосинтез в прошлом создали большинство более тяжелых химических элементов в известной существующей Вселенной и продолжают иметь место по сей день, создавая подавляющее большинство наиболее распространенных элементов во Вселенной, включая гелий, кислород и углерод. Большинство звезд осуществляют трансмутацию посредством реакций слияния с участием водород и гелий, в то время как гораздо более крупные звезды также способны синтезировать более тяжелые элементы до утюг поздно в их эволюции.

Элементы тяжелее железа, такие как золото или же вести, создаются посредством элементарных трансмутаций, которые могут произойти естественным образом только в сверхновые. По мере того как звезды начинают плавить более тяжелые элементы, каждая реакция синтеза выделяет значительно меньше энергии. Реакции с образованием элементов тяжелее железа эндотермический и неспособны генерировать энергию, необходимую для поддержания стабильного термоядерного синтеза внутри звезды.

Один тип естественной трансмутации, наблюдаемый в настоящее время, происходит, когда определенные радиоактивный элементы, присутствующие в природе, спонтанно распадаются в результате процесса трансмутации, например альфа или же бета-распад. Примером может служить естественный распад калий-40 к аргон-40, который составляет большую часть аргон в воздухе. Также на Земле естественные трансмутации различных механизмов естественный ядерные реакции происходят из-за космический луч бомбардировка элементов (например, для формирования углерод-14 ), а также иногда от 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 токамак реакторы. Обычный силовые реакторы деления также вызывают искусственную трансмутацию, но не из-за силы машины, а подвергая элементы воздействию нейтроны произведенный делением из искусственно созданного ядерная цепная реакция. Например, когда атом урана бомбардируют медленными нейтронами, происходит деление. Это высвобождает в среднем 3 нейтрона и большое количество энергии. Выброшенные нейтроны затем вызывают деление других атомов урана, пока весь доступный уран не будет исчерпан. Это называется цепная реакция.

Искусственная трансмутация ядер рассматривалась как возможный механизм уменьшения объема и опасности радиоактивные отходы.[2]

История

Алхимия

Период, термин трансмутация датируется алхимия. Алхимики преследовали философский камень, способен хризопея - преобразование неблагородные металлы в золото.[3] В то время как алхимики часто понимали хризопею как метафору мистического или религиозного процесса, некоторые практикующие приняли буквальное толкование и пытались получить золото с помощью физических экспериментов. Невозможность металлической трансмутации обсуждалась среди алхимиков, философов и ученых со времен средневековья. Псевдоалхимическая трансмутация была запрещена[4] и публично высмеивали с четырнадцатого века. Алхимикам нравится 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.[5] Антуан Лавуазье, в 18 веке заменил алхимическая теория элементов с современной теорией химических элементов, и Джон Далтон далее развил понятие атомов (из алхимической теории тельца ) для объяснения различных химических процессов. Распад атомов - это особый процесс, требующий гораздо больших энергий, чем могли бы достичь алхимики.

Современная физика

Впервые его сознательно применили к современной физике Фредерик Содди когда он вместе с Эрнест Резерфорд, обнаружил, что радиоактивный торий превращался в радий в 1901 году. В момент осознания, как позже вспоминал Содди, он крикнул: «Резерфорд, это трансмутация!» Резерфорд огрызнулся: «Ради всего святого, Содди, не называй это. трансмутация. Им как алхимикам оторвать головы ".[6]

Резерфорд и Содди наблюдали естественную трансмутацию как часть радиоактивный распад из альфа-распад тип. Первая искусственная трансмутация была осуществлена ​​в 1925 г. Патрик Блэкетт, научный сотрудник, работавший под руководством Резерфорда, с преобразованием азота в кислород, используя альфа-частицы, направленные на азот 14N + α → 17О + стр. [7] 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 в 1921-1924 годах предоставили первое экспериментальное свидетельство искусственной реакции ядерной трансмутации. Блэкетт правильно идентифицировал основной процесс интеграции и идентичность остаточного ядра. В 1932 году коллеги Резерфорда осуществили полностью искусственную ядерную реакцию и ядерную трансмутацию. Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, который использовал искусственно ускоренные протоны против лития-7, чтобы разделить ядро ​​на две альфа-частицы. Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома», хотя это не было современным ядерное деление реакция, открытая в 1938 г. Отто Хан, Лиз Мейтнер и их помощник Фриц Штрассманн в тяжелых элементах.[8]

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 были произведены во время Большого Взрыва и других космический луч процессов, звездный нуклеосинтез объясняет обилие всех элементов тяжелее, чем бор. В своей статье 1957 г. Синтез элементов в звездах,[9] Уильям Альфред Фаулер, Маргарет Бербидж, Джеффри Бербидж, и Фред Хойл объяснил, как содержания практически всех, кроме самых легких химических элементов, можно объяснить процессом нуклеосинтез в звездах.

При истинной ядерной трансмутации намного легче превратить золото в свинец, чем обратная реакция, которую алхимики горячо преследовали. Было бы проще конвертировать свинец в золото через захват нейтронов и бета-распад оставив свинец в ядерном реакторе на длительный период времени.[нужна цитата ]

Гленн Сиборг произвел несколько тысяч атомов золота из висмута, но с чистым убытком.[10][11]

Подробнее о синтезе золота см. Синтез драгоценных металлов.

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

Трансмутация во вселенной

Основная статья: Нуклеосинтез

В Большой взрыв считается источником водорода (включая все 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 литий, бериллий и, возможно бор. Больше лития, бериллия и бора было произведено позже в естественной ядерной реакции, расщепление космических лучей.

Звездный нуклеосинтез отвечает за все другие элементы, встречающиеся в природе во Вселенной, поскольку стабильные изотопы и первичный нуклид, из углерод к уран. Это произошло после Большого взрыва во время звездообразования. Некоторые более легкие элементы, от углерода до железа, образовались в звездах и выброшены в космос асимптотическая ветвь гигантов (AGB) звезды. Это разновидность красных гигантов, которые «выдыхают» свою внешнюю атмосферу, содержащую некоторые элементы от углерода до никеля и железа. Все элементы с атомный вес больше 64 атомные единицы массы производятся в сверхновая звезда звезды с помощью захват нейтронов, который подразделяется на два процесса: r-процесс и s-процесс.

В Солнечная система Предполагается, что она образовалась приблизительно за 4,6 миллиарда лет до настоящего времени из облака водорода и гелия, содержащего более тяжелые элементы в пылинках, образованных ранее большим количеством 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 для производства энергии. Например, наблюдаемые кривые блеска сверхновых звезд, таких как SN 1987A покажите, как они выбрасывают в космос большое количество (сравнимое с массой Земли) радиоактивного никеля и кобальта. Однако на Землю доходит немного этого материала. Самая естественная трансмутация на Земле сегодня происходит при посредничестве космические лучи (например, производство углерод-14 ) и радиоактивным распадом радиоактивных первичные нуклиды оставшиеся от первоначального формирования солнечной системы (например, калий-40, уран и торий) плюс радиоактивный распад продуктов этих нуклидов (радий, радон, полоний и др.). Видеть цепочка распада.

Искусственная трансмутация ядерных отходов

Обзор

Трансмутация трансурановые элементы (TRU, т.е. актиниды минус актиний к уран ) такой как изотопы из плутоний (около 1 мас.% в Легководные реакторы ' использовал ядерное топливо (UNF)) или второстепенных актинидов (MAs, т.е. нептуний, америций, и кюрий, около 0,1 мас.% каждого в UNF LWR) может помочь решить некоторые проблемы, возникающие в связи с управлением радиоактивные отходы за счет уменьшения доли содержащихся в нем долгоживущих изотопов. (Это не исключает необходимости Глубокое геологическое хранилище (DGR) для Отходы с высоким уровнем радиоактивности (HLW).) ​​При облучении быстрые нейтроны в ядерный реактор, эти изотопы могут подвергаться ядерное деление, уничтожая оригинал актинид изотоп и производящий спектр радиоактивных и нерадиоактивных продукты деления.

Керамические мишени, содержащие актиноиды, можно бомбардировать нейтронами, чтобы вызвать реакции трансмутации для удаления наиболее сложных долгоживущих частиц. Они могут состоять из твердых растворов, содержащих актиноиды, таких как (Am, Zr) N, (Am, Y) N, (Zr, Cm) O2, (Zr, Cm, Am) O2, (Zr, Am, Y) O2 или просто актинидные фазы, такие как AmO2, NpO2, NpN, AmN в смеси с некоторыми инертными фазами, такими как MgO, MgAl2О4, (Zr, Y) O2, TiN и ZrN. Роль нерадиоактивных инертных фаз заключается, главным образом, в обеспечении стабильного механического поведения мишени при нейтронном облучении.[12]

Однако есть проблемы с этой стратегией P&T (разделение и трансмутация):

  • Во-первых, он ограничен дорогостоящей и обременительной необходимостью разделения изотопов LLFP, прежде чем они смогут подвергнуться трансмутации.
  • Кроме того, некоторые LLFP из-за их малых сечений захвата нейтронов неспособны захватывать достаточно нейтронов для эффективной трансмутации.

Новое исследование, проведенное Сатоши Чиба из Tokyo Tech (под названием «Метод сокращения долгоживущих продуктов деления путем ядерных трансмутаций с помощью реакторов быстрого спектра»)[13]) показывает, что эффективная трансмутация LLFP может быть достигнута в реакторах с быстрым спектром без необходимости разделения изотопов. Этого можно добиться, добавив дейтерид иттрия (YD2) модератор.[14]

Типы реакторов

Например, плутоний можно переработать в МОКС-топливо и трансмутировали в стандартных реакторах. Более тяжелые элементы могут быть преобразованы в быстрые реакторы, но, вероятно, более эффективно в подкритическом реакторе, который иногда называют усилитель энергии и который был разработан Карло Руббиа. Слияние источники нейтронов также были предложены.[15][16][17]

Виды топлива

Есть несколько видов топлива, которые могут включать плутоний в свой первоначальный состав в начале цикла (BOC) и имеют меньшее количество этого элемента в конце цикла (EOC). 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 избыточный оружейный плутоний из оружейной программы и плутоний, образующийся в результате переработка UNF.

Смешанное оксидное топливо (МОКС) один из них. Его смесь оксидов плутония и урана представляет собой альтернативу топливу из низкообогащенного урана (НОУ), которое преимущественно используется в LWR. Поскольку уран присутствует в МОКС-топливе, хотя плутоний будет сжигаться, плутоний второго поколения будет производиться за счет радиационного захвата U-238 и двух последующих бета-минус-распадов.

Топливо с плутонием и торий тоже вариант. В них нейтроны, высвобождающиеся 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 МОКС-топливе. Тем не менее, U-233, который является делящимся, будет присутствовать в UNF. Оружейный ранг и реакторный плутоний может использоваться в плутоний-ториевом топливе, причем оружейный плутоний демонстрирует большее сокращение количества Pu-239.

Причины трансмутации

Изотопы плутония и других актинидов имеют тенденцию быть долгоживущими с период полураспада многие тысячи лет, тогда как радиоактивные продукты деления, как правило, менее продолжительны (большинство с периодом полураспада 30 лет или меньше). С точки зрения обращения с отходами трансмутация (или «сжигание» или «сжигание») актинидов устраняет очень долгосрочную радиоактивную опасность и заменяет ее гораздо более краткосрочной.

Важно понимать, что угроза, исходящая от радиоизотопа, зависит от многих факторов, включая физический (например, фотонное излучение в тепловом инфракрасном диапазоне, что является преимуществом для хранения или захоронения радиоактивных отходов), химический и биологический свойства элемента. Например цезий имеет относительно короткий биологический период полураспада (От 1 до 4 месяцев) пока стронций и радий оба имеют очень длительный биологический период полураспада. Как результат, стронций-90 и радий наносят гораздо больший вред, чем цезий-137 когда поступает определенное действие. Вставьте краткий расчет доз[нужна цитата ]

Многие из актинидов очень радиотоксичны, поскольку имеют длительный период полураспада в биологии и альфа излучатели. Цель трансмутации - превратить актиниды в продукты деления. Продукты деления очень радиоактивны, но большая часть активности распадается за короткое время. Наибольшее беспокойство вызывают короткоживущие продукты деления, которые накапливаются в организме, например, йод -131, который накапливается в щитовидной железе, но есть надежда[кем? ] что благодаря хорошей конструкции ядерного топлива и завода по трансмутации такие продукты деления могут быть изолированы от людей и окружающей их среды и допущены к распаду. В среднесрочной перспективе наиболее опасными продуктами деления являются стронций-90 и цезий-137; оба имеют период полураспада около 30 лет. Цезий-137 отвечает за большинство внешних гамма доза, полученная рабочими в ядерная переработка растения[18] а в 2005 г. - работникам Чернобыль сайт.[19] Когда эти средноживущие изотопы распадутся почти полностью (обычно после 10 периодов полураспада), оставшиеся изотопы будут представлять гораздо меньшую угрозу.

Долгоживущие продукты деления (LLFP)

Нуклидт​1⁄2УрожайРазлагаться
энергия[а 1]		Разлагаться
Режим
(Ма )(%)[а 2](кэВ )
99Tc0.2116.1385294β
126Sn0.2300.10844050[а 3]βγ
79Se0.3270.0447151β
93Zr1.535.457591βγ
135CS2.36.9110[а 4]269β
107Pd6.51.249933β
129я15.70.8410194βγ
  1. ^ Энергия распада делится между β, нейтрино и γ, если таковые имеются.
  2. ^ На 65 делений тепловыми нейтронами U-235 и 35 делений Pu-239.
  3. ^ Имеет энергию распада 380 кэВ,
    но продукт распада Sb-126 имеет энергию распада 3,67 МэВ.
  4. ^ Ниже в тепловом реакторе, потому что предшественник поглощает нейтроны.
Среднесрочный
продукты деления
Опора:
Единица измерения:		т½
(а )		Урожай
(%)		Q *
(кэВ )		βγ *
155Европа4.760.0803252βγ
85Kr10.760.2180687βγ
113 кв.м.CD14.10.0008316β
90Sr28.94.5052826β
137CS30.236.3371176βγ
121 мSn43.90.00005390βγ
151См88.80.531477β
Смотрите также: Ядерная переработка § Волокисление

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,[20] 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 их нелегко преобразовать потому что у них низкий поглощение нейтронов поперечные сечения. 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 См-151 с периодом полураспада 90 лет и настолько хорошим поглотителем нейтронов, что большая часть его трансмутируется, пока ядерное топливо все еще используется; однако эффективное преобразование оставшегося Sm-151 в ядерных отходах потребует отделения от других изотопов самарий. 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 долгоживущие продукты деления. У них гораздо более длительный период полураспада - от 211000 до 15,7 миллионов лет. Двое из них, TC-99 и I-129, достаточно мобильны в окружающей среде, чтобы представлять потенциальную опасность, не содержат или в основном не содержат смеси стабильных изотопов одного и того же элемента и имеют небольшое нейтронное сечение, но достаточное для поддержки трансмутации. Кроме того, Tc-99 может заменить U-238 в поставке Доплеровское уширение для отрицательной обратной связи по устойчивости реактора.[21]Большинство исследований предлагаемых схем трансмутации предполагали 99Tc, 129я, и TRU в качестве мишеней для трансмутации с другими продуктами деления, продукты активации, и возможно переработанный уран остается как отходы.[22]

Из оставшихся 5 долгоживущих продуктов деления Se-79, Sn-126 и Pd-107 производятся только в небольших количествах (по крайней мере, в тепловой нейтрон, U-235 -горание легководные реакторы ), а два последних должны быть относительно инертными. Два других, Zr-93 и CS-135, производятся в больших количествах, но также не очень подвижны в окружающей среде. Они также смешаны с большим количеством других изотопов того же элемента.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «МАГАТЭ ИНИС». inis.iaea.org. МАГАТЭ. Получено 26 января 2017.
  2. ^ http://www.oecd-nea.org/trw/ «Трансмутация радиоактивных отходов». Агентство по ядерной энергии. 3 февраля 2012 г.
  3. ^ "Алхимия", Dictionary.com
  4. ^ Джон Хайнс, II, Р. Ф. Йегер. Джон Гауэр, трехъязычный поэт: язык, перевод и традиции. Бойделл и Брюэр. 2010. с.170.
  5. ^ Лоуренс Принсипи. Новые повествования в химии восемнадцатого века. Springer. 2007. стр.8.
  6. ^ Мюриэль Ховорт, Пионерские исследования атома: история жизни Фредерика Содди, New World, London 1958, pp 83-84; Лоуренс Бадаш, Radium, Радиоактивность и популярность научных открытий, Proceedings of the American Philosophical Society 122,1978: 145-54; Таддеус Дж. Тренн, Самораспадающийся атом: история сотрудничества Резерфорда-Содди, Taylor & Francis, London, 1977, стр. 42, 58-60, 111-17.
  7. ^ http://history.aip.org/history/exhibits/rutherford/sections/atop-physics-wave.html
  8. ^ Кокрофт и Уолтон расщепляют литий протонами высоких энергий, апрель 1932 года. В архиве 2012-09-02 в Wayback Machine
  9. ^ Уильям Альфред Фаулер, Маргарет Бербидж, Джеффри Бербидж и Фред Хойл, «Синтез элементов в звездах», Обзоры современной физики, т. 29, Issue 4, с. 547–650
  10. ^ Aleklett, K .; Morrissey, D .; Loveland, W .; McGaughey, P .; Сиборг, Г. (1981). "Энергетическая зависимость 209Фрагментация Bi в релятивистских ядерных столкновениях ». Физический обзор C. 23 (3): 1044. Bibcode:1981ПхРвЦ..23.1044А. Дои:10.1103 / PhysRevC.23.1044.
  11. ^ Мэтьюз, Роберт (2 декабря 2001 г.). «Философский камень». Дейли Телеграф. Получено 23 июля, 2013.
  12. ^ «Кристаллические материалы для иммобилизации актинидов». Лондон: Imperial College Press. 2010. с. 198. Архивировано с оригинал 9 марта 2012 г.
  13. ^ Chiba, S .; Wakabayashi, T .; Tachi, Y .; Takaki, N .; Terashima, A .; Окумура, С .; Йошида, Т. (2017). «Метод уменьшения долгоживущих продуктов деления путем ядерных трансмутаций с реакторами быстрого спектра». Научные отчеты. 7 (1): 13961. Bibcode:2017НатСР ... 713961C. Дои:10.1038 / s41598-017-14319-7. ЧВК  5654822. PMID  29066843.
  14. ^ Система быстрого реактора для сокращения срока службы долгоживущих продуктов деления
  15. ^ Рита Плукиене, Эволюция трансуранового изотопного состава в энергетических реакторах и инновационных ядерных системах для трансмутации В архиве 2007-09-27 на Wayback Machine, Докторская диссертация, Университет Витаутаса Великого, 2003 г., дата обращения: январь 2008 г.
  16. ^ Такибаев А., Сайто М., Артисюк В., Сагара Х. »Трансмутация выбранных долгоживущих продуктов деления на основе термоядерного синтеза ', Прогресс в атомной энергетике, Vol. 47, 2005 г., получено в январе 2008 г.
  17. ^ Трансмутация трансурановых элементов и долгоживущих продуктов деления в термоядерных устройствах, Ю. Гохар, Аргоннская национальная лаборатория
  18. ^ Швенк-Ферреро, А. (2013). «Немецкое наследие отработавшего ядерного топлива: характеристики и проблемы обращения с высокоактивными отходами» (PDF). Наука и технология ядерных установок. 2013: 293792. Дои:10.1155/2013/293792. Получено 5 апреля 2013.
  19. ^ "Цезий-АКТУАЛЬНОСТЬ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ ОБЩЕСТВЕННОСТИ" (PDF). cdc.gov. Получено 5 апреля 2013.
  20. ^ Метод чистого уменьшения количества опасных радиоактивных ядерных отходов - Патент США 4721596 Описание
  21. ^ Трансмутация выбранных продуктов деления в быстром реакторе
  22. ^ The Nuclear Alchemy Gamble - Институт энергетики и исследований окружающей среды

внешняя ссылка

  • «Радиоактивное изменение», статья Резерфорда и Содди (1903 г.), онлайн и анализ Бибнум [щелкните "à télécharger" для английской версии].