Mindre aktinider

Mindre aktinider , eller junioraktinider , är andra transuranelement än plutonium , som bildas under driften av en kärnreaktor . Av praktisk betydelse är isotoper av neptunium , americium och curium , andra element i kraftreaktorer bildas i försumbara mängder (men kan produceras i speciella forskningsreaktorer med hög neutronflödestäthet).

SNF innehåller ungefär en storleksordning mindre mindre aktinider än plutonium (det specifika innehållet och sammansättningen beror starkt på utbränningsdjupet och neutronspektrumet). Ett ton VVER SNF vid en utbränning på 4 % innehåller cirka 10 kg plutoniumisotoper, 500-700 g neptunium, 600 g americium-241 (efter 10 års exponering), 120 g americium-243, upp till 60 g curium (inklusive kortlivad curium-242) [2] [3] .

Många mindre aktinider är alfasändare med en mycket lång halveringstid (hundratals, tusentals och till och med miljoner år), vilket gör dem till en av de farligaste komponenterna i använt kärnbränsle på lång sikt (om 200-300 år, när radioaktiviteten hos fissionsfragment kommer att sjunka tusentals gånger).

Neptunium

Huvudreaktionen i en kärnreaktor är klyvningen av uran-235 av neutroner . Men i cirka 15% av fallen, när en neutron fångas upp, sker ingen klyvning, utan en uran-236-kärna bildas. Vidare kan uran-236 också absorbera neutroner, med bildning av kortlivat beta-radioaktivt uran-237 ( T ½ = 6,75 dagar), som vid sönderfall ger neptunium-237 :

Vidare kan neptunium-237 fånga neutroner och förvandlas till plutonium-238 (detta är huvudkällan till ackumulering av Pu-238 i SNF och huvudmetoden för produktion av Pu-238 för RTG ):

T ½ neptunium-237 är 2,1 miljoner år. På grund av den långa halveringstiden är dess radiotoxicitet relativt låg (specifik aktivitet 26 MBq/g).

Americius

Under driften av en kärnreaktor bildas plutonium-239 från uran-238 genom att fånga en neutron och två beta-sönderfall:

Vidare, genom att fånga neutroner, förvandlas Pu-239 successivt till Pu-240, 241, 242 och 243. Plutonium-241 är relativt kortlivad ( T ½ = 14 år), och förvandlas genom beta-sönderfall till americium-241 med T ½ = 432 år, och kortlivad plutonium-243 ( T ½ = 5 timmar) - till americium-243 med T ½ = 7364 år [4] . Det finns också en långlivad nukleär isomer Am-242m med T ½ = 140 år, men den har ett mycket stort termisk neutronklyvningstvärsnitt (6200 lador [5] ), så den produceras inte i en reaktor i betydande mängder.

Curium

Americium 241 och 243 bildar kortlivade isotoper 242 och 244 genom neutroninfångning. Americium-242 med en period T ½ = 16 timmar förvandlas till curium-242 genom beta-sönderfall med en sannolikhet på 83 % (resterande 17 % är elektroninfångning till plutonium-242). Americium-244 med en period av T ½ = 10 timmar sönderfaller till curium-244. Halveringstiden för curium-242 T ½ = 163 dagar. Kan fånga en neutron och förvandlas till curium-243 med T ½ = 29 år, men på grund av den korta halveringstiden och det låga fångstvärsnittet är alfasönderfall till plutonium-238 mycket mer sannolikt. Curium-244 har en halveringstid T½ = 18 år. Vidare kan curium-244, som fångar neutroner, förvandlas till curium-245 ( T ½ = 8250 år), och tyngre upp till curium-248, men denna process är mycket långsam i konventionella kraftreaktorer.

Kalifornien

I en konventionell kraftreaktor bildas curiumisotoper tyngre än 244 i extremt små mängder, tk. även curiumisotoper har låga fångstvärsnitt [6] (med neutronflöden som är karakteristiska för kraftreaktorer i storleksordningen 10 13 n / (cm² • sek), inte mer än några procent av curium-244 reagerar under kampanjen, och fraktioner av en procent av curium-246 och 248), och udda isotoper är mycket sannolikt att fission vid infångning av en neutron (sannolikheten för fission av termiska neutroner är 85% för curium-245 och 64% för curium-247). Men när mål av americium eller curium bestrålas i specialdesignade högflödesreaktorer, såsom SM , där neutronflöden når 5 x 10 15 n/(cm² • sek), är andelen reagerat curium storleksordningar högre, så en del av curiumet omvandlas till kortlivat beta-radioaktivt curium-249, som förvandlas till berkelium -249 med T ½ = 64 minuter , och det förvandlas till californium-249 med T ½ = 330 dagar (eller berkelium-249 kan fånga en neutron och förvandlas till berkelium-250, som sedan med en period av en halveringstid på 3 timmar kommer att sönderfalla till californium-250). Vidare bildas californiumisotoperna 250, 251 och 252 genom neutronfångning. Den senare har funnit tillämpning som en mycket kraftfull källa för neutroner (på grund av den korta halveringstiden T ½ \u003d 2,6 år och den höga sannolikheten för spontan fission - 3 %, dess neutronbakgrund är miljarder gånger mer än plutonium-240 och hundratals biljoner gånger mer än uranium-238: ett mikrogram kalifornium-252 avger 2,3 miljoner neutroner per sekund). Flera tiotals milligram californium-252 syntetiseras årligen i världen.

Anteckningar

  1. ↑ Sasahara, Akihiro; Matsumura, Tetsuo; Nicolaou, Giorgos; Papaioannou, Dimitri (april 2004). "Utvärdering av neutron- och gammastrålar av LWR högutbränd UO2 och MOX använt bränsle". Journal of Nuclear Science and Technology . 41 (4): 448-456. DOI : 10.3327/jnst.41.448 .
  2. ↑ Arkiverad kopia . Hämtad 31 mars 2021. Arkiverad från originalet 3 mars 2022.
  3. ↑ Använt kärnbränsle från termiska reaktorer . Hämtad 31 mars 2021. Arkiverad från originalet 15 maj 2021.
  4. ↑ Arkiverad kopia . Hämtad 31 mars 2021. Arkiverad från originalet 9 augusti 2021.
  5. ↑ Atlas av neutronresonanser Termiska tvärsnitt & resonansintegraler . Hämtad 31 mars 2021. Arkiverad från originalet 7 maj 2021.
  6. ↑ Atlas av neutronresonanser Termiska tvärsnitt & resonansintegraler . Hämtad 31 mars 2021. Arkiverad från originalet 7 maj 2021.

Länkar