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。[1]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。[2]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。[3]
核廢料放射性的來源
剛出堆的乏燃料在短期內具有極強的放射性,這種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。[1]
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年左右的核素要麽反應產額低,要麽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裏,乏燃料的放射性基本可以認爲就是銫-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。[1][3]
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。[5]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。
依衰變鏈分類的錒系元素[6] | 半衰期範圍 | 依裂變產額分類的裂變產物[7] | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
4n | 4n + 1 | 4n + 2 | 4n + 3 | 4.5–7% | 0.04–1.25% | <0.001% | ||
228Ra | 4~10年 | 155Eu þ | ||||||
244Cm | 241Pu ƒ | 250Cf | 227Ac | 10~29年 | 90Sr | 85Kr | 113mCd þ | |
232U ƒ | 238Pu | 243Cm ƒ | 29~100年 | 137Cs | 151Sm þ | 121mSn | ||
248Bk[8] | 249Cf ƒ | 242mAm ƒ | 100~400年 | ↑中等壽命裂變產物 沒有半衰期為 100年至21萬年 的裂變產物 ↓長壽命裂變產物 | ||||
241Am | 251Cf ƒ[9] | 400~1000年 | ||||||
226Ra | 247Bk | 1000~2000年 | ||||||
240Pu | 229Th | 246Cm | 243Am | 2000~8000年 | ||||
245Cm ƒ | 250Cm | 239Pu ƒ | 8000~3萬年 | |||||
230Th | 231Pa | 3~10萬年 | ||||||
236Np ƒ | 233U ƒ | 234U | 10~30萬年 | 99Tc | 126Sn | |||
248Cm | 242Pu | 30~140萬年 | 135Cs | 79Se | ||||
237Np | 140~700萬年 | 93Zr | 107Pd | |||||
236U | 247Cm ƒ | 700~3000萬年 | 129I | |||||
244Pu | 3000萬~1億年 | 也沒有半衰期超過 2000萬年的裂變產物[10] | ||||||
232Th | 238U | 235U ƒ | 1~150億年 | |||||
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,最重要的有鈈-239、鈈-240、鎇-241、鎇-243、鋦-245和鋦-246。[1]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。鈈-239可以直接用於現有的熱中子反應堆。量比較小的鎇-241和鈈-242則可以在快中子反應堆中轉化成其他核素。
100,000年以後,裂變產物將以七種核素爲主,兼有少量鎿-237和鈈-242。[1]這七種核素的半衰期在20萬年到1600萬年之間。主要產物鍀-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衰變爲主,衰變能在4-5兆電子伏特。
- 鍀-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。但鍀可以被氧化為高鍀酸鹽(TcO4-),溶解度好,被廣泛用於核醫學。[11][12]鍀-99在環境中遷移性比較大。據説已有數以噸計的鍀-99因人類活動進入環境。[13]
- 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射綫的核素。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釋放出的能量是鍀-99的5%;如果反應堆以鈾-235(65%)和鈈-239(35%)為燃料,在乏燃料中,每單位時間錫-126釋放出的能量是鍀-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釋放出的能量是鍀-99的0.2%。
- 鋯-93的產額在6%左右,其衰變比鍀-99慢7.5倍,衰變能只是鍀-99的30%。因此起始時乏燃料中的鋯-93釋放的能量只是鍀-99的4%。但其能量貢獻會隨着時間而增加。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釋放的能量只是鍀-99的1%。銫-135是七種長壽裂變產物中唯一一種鹼金屬,具有強電正性。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。[14]
- 鈀-107的半衰期很長,產額在1%左右。如果以鈈-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釋放的能量只是鍀-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釋放的能量只是鍀-99的1%。但放射性碘卻對生物構成重大的核威脅,因爲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鍀-99的10%;如果反應堆以鈾-235(65%)和鈈-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鍀-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,鍀-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。
因爲鍀-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。[15]
參考資料
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.