Transmutacja jądrowa - Nuclear transmutation

Słoneczny jest naturalnym reaktor fuzji i przekształca lekkie elementy do cięższych pierwiastków poprzez gwiazdowego nukleosyntezy , formy syntezy jądrowej .

Transmutacja jądrowa to konwersja jednego pierwiastka chemicznego lub izotopu w inny pierwiastek chemiczny. Transmutacja jądrowa zachodzi w każdym procesie, w którym zmienia się liczba protonów lub neutronów w jądrze atomu.

Transmutację można osiągnąć albo przez reakcje jądrowe (w których zewnętrzna cząstka reaguje z jądrem) albo przez rozpad radioaktywny , gdzie nie jest potrzebna żadna zewnętrzna przyczyna.

Naturalna transmutacja przez gwiezdną nukleosyntezę w przeszłości stworzyła większość cięższych pierwiastków chemicznych w znanym istniejącym wszechświecie i ma miejsce do dziś, tworząc ogromną większość najpowszechniejszych pierwiastków we wszechświecie, w tym hel , tlen i węgiel . Większość gwiazd dokonuje transmutacji poprzez reakcje fuzji z udziałem wodoru i helu, podczas gdy znacznie większe gwiazdy są również zdolne do łączenia cięższych pierwiastków w żelazo na późnych etapach ewolucji.

Pierwiastki cięższe niż żelazo, takie jak złoto czy ołów , powstają w wyniku transmutacji pierwiastków, które mogą występować wyłącznie w przypadku supernowych . Gdy gwiazdy zaczynają łączyć cięższe pierwiastki, z każdej reakcji fuzji uwalnia się znacznie mniej energii. Trwa to aż do żelaza, które jest wytwarzane w wyniku reakcji endotermicznej zużywającej energię. W takich warunkach nie można wyprodukować żadnego cięższego elementu.

Jeden rodzaj naturalnej transmutacji obserwowalny w teraźniejszości występuje, gdy pewne pierwiastki promieniotwórcze obecne w przyrodzie spontanicznie ulegają rozpadowi w procesie powodującym transmutację, takim jak rozpad alfa lub beta . Przykładem jest naturalny rozpad potasu-40 do argonu-40 , który tworzy większość argonu w powietrzu. Również na Ziemi zachodzą naturalne transmutacje z różnych mechanizmów naturalnych reakcji jądrowych , w wyniku bombardowania pierwiastków promieniowaniem kosmicznym (na przykład w celu utworzenia węgla-14 ), a także sporadycznie z bombardowania naturalnymi neutronami (na przykład patrz: naturalny reaktor rozszczepienia jądrowego ).

Sztuczna transmutacja może wystąpić w maszynach, które mają wystarczającą energię, aby spowodować zmiany w strukturze jądrowej pierwiastków. Takie maszyny obejmują akceleratory cząstek i reaktory tokamakowe . Konwencjonalne energetyczne reaktory rozszczepienia również powodują sztuczną transmutację, nie z mocy maszyny, ale poprzez wystawienie pierwiastków na działanie neutronów wytwarzanych w wyniku rozszczepienia w wyniku sztucznie wytworzonej jądrowej reakcji łańcuchowej . Na przykład, gdy atom uranu jest bombardowany wolnymi neutronami, następuje rozszczepienie. To uwalnia średnio 3 neutrony i dużą ilość energii. Uwolnione neutrony powodują następnie rozszczepienie innych atomów uranu, aż do wyczerpania całego dostępnego uranu. Nazywa się to reakcją łańcuchową .

Sztuczna transmutacja jądrowa została uznana za możliwy mechanizm zmniejszania ilości i zagrożenia odpadami radioaktywnymi .

Historia

Alchemia

Termin transmutacja wywodzi się z alchemii . Alchemicy poszukiwali kamienia filozoficznego , zdolnego do chryzopei – przemiany metali nieszlachetnych w złoto. Podczas gdy alchemicy często rozumieli chryzopeję jako metaforę mistycznego lub religijnego procesu, niektórzy praktykujący przyjęli dosłowną interpretację i próbowali zdobyć złoto poprzez fizyczne eksperymenty. Niemożliwość metalicznej transmutacji była przedmiotem dyskusji wśród alchemików, filozofów i naukowców od średniowiecza. Pseudoalchemiczna transmutacja została zabroniona i publicznie wyszydzana od XIV wieku. Alchemicy, tacy jak Michael Maier i Heinrich Khunrath, pisali traktaty ujawniające fałszywe twierdzenia o wytwarzaniu złota. W latach dwudziestych XVIII wieku nie było już żadnych godnych szacunku postaci dążących do fizycznej transmutacji substancji w złoto. Antoine Lavoisier w XVIII wieku zastąpił alchemiczną teorię pierwiastków nowoczesną teorią pierwiastków chemicznych, a John Dalton rozwinął pojęcie atomów (z alchemicznej teorii ciałek ) w celu wyjaśnienia różnych procesów chemicznych. Dezintegracja atomów jest odrębnym procesem angażującym znacznie większe energie niż mogliby osiągnąć alchemicy.

Współczesna fizyka

Po raz pierwszy świadomie zastosował ją we współczesnej fizyce przez Fredericka Soddy'ego , który wraz z Ernestem Rutherfordem w 1901 r. odkrył, że radioaktywny tor przekształca się w rad . W momencie realizacji, wspominał później Soddy, wykrzyknął: „Rutherford, to jest transmutacja!” Rutherford odwarknął: – Na litość boską, Soddy, nie nazywaj tego transmutacją . Będą urwać nam głowy jako alchemicy.

Rutherford i Soddy obserwowali naturalne transmutacji jako część rozpad radioaktywny do zaniku alfa typu. Pierwszą sztuczną transmutację dokonał w 1925 roku Patrick Blackett , pracownik naukowy pracujący pod kierunkiem Rutherforda, z transmutacją azotu w tlen , przy użyciu cząstek alfa skierowanych na azot ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p. Rutherford wykazał w 1919, że proton (nazywał go atomem wodoru) został wyemitowany podczas eksperymentów z bombardowaniem alfa, ale nie miał żadnych informacji na temat resztkowego jądra. Eksperymenty Blacketta z lat 1921-1924 dostarczyły pierwszych eksperymentalnych dowodów na sztuczną reakcję transmutacji jądrowej. Blackett prawidłowo zidentyfikował leżący u podstaw proces integracji i tożsamość resztkowego jądra. W 1932 roku koledzy Rutherforda, John Cockcroft i Ernest Walton , osiągnęli w pełni sztuczną reakcję jądrową i transmutację jądrową , którzy użyli sztucznie przyspieszonych protonów przeciwko litowi-7, aby podzielić jądro na dwie cząstki alfa. Wyczyn ten był powszechnie znany jako „rozszczepienie atomu”, chociaż nie była to nowoczesna reakcja rozszczepienia jądrowego odkryta w 1938 r. przez Otto Hahna , Lise Meitner i ich asystenta Fritza Strassmanna w ciężkich pierwiastkach.

Później, w XX wieku, opracowano transmutację pierwiastków w gwiazdach, biorąc pod uwagę względną obfitość cięższych pierwiastków we wszechświecie. Z wyjątkiem pierwszych pięciu pierwiastków, które powstały w Wielkim Wybuchu i innych procesach wykorzystujących promieniowanie kosmiczne , gwiezdna nukleosynteza odpowiadała za obfitość wszystkich pierwiastków cięższych od boru . W swoim artykule z 1957 r Synteza pierwiastków w gwiazdach , William Fowler , Margaret Burbidge , Geoffrey Burbidge i Fred Hoyle wyjaśniono, w jaki sposób liczebności w zasadzie wszystko, ale najlżejsze pierwiastki chemiczne mogą być wyjaśnione przez proces nukleosyntezy w gwiazdy.

Przy prawdziwej transmutacji jądrowej znacznie łatwiej jest zamienić złoto w ołów niż w reakcji odwrotnej, do której gorliwie dążyli alchemicy. Łatwiej byłoby przekształcić złoto w ołów poprzez wychwytywanie neutronów i rozpad beta , pozostawiając złoto w reaktorze jądrowym na długi czas.

Glenn Seaborg wyprodukował z bizmutu kilka tysięcy atomów złota , ale ze stratą netto.

Aby uzyskać więcej informacji na temat syntezy złota, zobacz Synteza metali szlachetnych .

¹⁹⁷ Au + n → ¹⁹⁸ Au ( okres półtrwania 2,7 dnia) → ¹⁹⁸ Hg + n → ¹⁹⁹ Hg + n → ²⁰⁰ Hg + n → ²⁰¹ Hg + n → ²⁰² Hg + n → ²⁰³ Hg (okres półtrwania 47 dni) → ²⁰³ Tl + n → ²⁰⁴ Tl (okres półtrwania 3,8 lat) → ²⁰⁴ Pb

Transmutacja we wszechświecie

Uważa się, że Wielki Wybuch był źródłem wodoru (w tym całego deuteru ) i helu we wszechświecie. Wodór i hel razem stanowią 98% masy zwykłej materii we wszechświecie, podczas gdy pozostałe 2% to wszystko inne. Wielki Wybuch wyprodukował również niewielkie ilości litu , berylu i być może boru . Więcej litu, berylu i boru wyprodukowano później, w naturalnej reakcji jądrowej, spalacji promieniami kosmicznymi .

Nukleosynteza gwiazd odpowiada za wszystkie inne pierwiastki występujące naturalnie we wszechświecie jako stabilne izotopy i pierwotny nuklid , od węgla po uran . Miały one miejsce po Wielkim Wybuchu, podczas formowania się gwiazd. Niektóre lżejsze pierwiastki, od węgla po żelazo, powstały w gwiazdach i zostały uwolnione w kosmos przez gwiazdy z asymptotyczną gałęzią olbrzymów (AGB). Jest to rodzaj czerwonego olbrzyma, który „wydmuchuje” swoją zewnętrzną atmosferę, zawierającą pewne pierwiastki, od węgla po nikiel i żelazo. Wszystkie pierwiastki o masie atomowej większej niż 64 jednostki masy atomowej są wytwarzane w gwiazdach supernowych za pomocą wychwytywania neutronów , które dzieli się na dwa procesy: r-proces i s-proces .

Uważa się, że Układ Słoneczny skondensował się około 4,6 miliarda lat przed teraźniejszością, z obłoku wodoru i helu zawierającego cięższe pierwiastki w ziarnach pyłu utworzonych wcześniej przez dużą liczbę takich gwiazd. Ziarna te zawierały cięższe pierwiastki powstałe w wyniku transmutacji wcześniej w historii wszechświata.

Wszystkie te naturalne procesy transmutacji w gwiazdach trwają do dziś, w naszej własnej galaktyce i innych. Gwiazdy łączą wodór i hel w coraz cięższe pierwiastki w celu wytworzenia energii. Na przykład obserwowane krzywe jasności gwiazd supernowych, takich jak SN 1987A, pokazują, że wyrzucają one w kosmos duże ilości (porównywalne z masą Ziemi) radioaktywnego niklu i kobaltu. Jednak niewiele tego materiału dociera do Ziemi. Większość naturalnej transmutacji na dzisiejszej Ziemi odbywa się za pośrednictwem promieni kosmicznych (takich jak produkcja węgla-14 ) i radioaktywnego rozpadu radioaktywnych pierwotnych nuklidów pozostałych po początkowym formowaniu się Układu Słonecznego (takich jak potas-40 , uran i tor). ), plus radioaktywny rozpad produktów tych nuklidów (rad, radon, polon itp.). Zobacz łańcuch rozpadu .

Sztuczna transmutacja odpadów jądrowych

Przegląd

Transmutacji transuranowców (tj aktynowce minus aktyn do uranu ), takie jak izotopów z plutonu (około 1% wagowy w reaktorów wodnych , wykorzystywanych paliwa jądrowego lub aktynowców drobnych (MAS, tj neptunium , ameryk , a kiur ), około 0.1wt % każdy w paliwie jądrowym zużytym w reaktorach na lekką wodę) może pomóc w rozwiązaniu niektórych problemów związanych z gospodarowaniem odpadami promieniotwórczymi poprzez zmniejszenie proporcji zawartych w nich izotopów długożyciowych. (Nie wyklucza to potrzeby głębokiego geologicznego składowiska odpadów o wysokiej radioaktywności .) Po napromieniowaniu prędkimi neutronami w reaktorze jądrowym , izotopy te mogą ulec rozszczepieniu jądrowemu , niszcząc pierwotny izotop aktynowca i wytwarzając spektrum radioaktywne i nieradioaktywne produkty rozszczepienia .

Cele ceramiczne zawierające aktynowce mogą być bombardowane neutronami w celu wywołania reakcji transmutacji w celu usunięcia najtrudniejszych gatunków długo żyjących. Mogą to być roztwory stałe zawierające aktynowce, takie jak (Am,Zr)N , (Am,Y)N , (Zr,Cm)O
2, (Zr,Cm,Am)O
2, (Zr,Am,Y)O
2lub po prostu fazy aktynowe, takie jak AmO
2, NpO
2, NpN , AmN zmieszane z niektórymi fazami obojętnymi, takimi jak MgO , MgAl
2O
4, (Zr,Y)O
2, TiN i ZrN . Rola nieradioaktywnych faz obojętnych polega głównie na zapewnieniu stabilnego mechanicznego zachowania celu pod wpływem napromieniowania neutronami.

Istnieją jednak problemy z tą strategią P&T (partycjonowanie i transmutacja):

• po pierwsze, ogranicza ją kosztowna i kłopotliwa potrzeba oddzielenia długożyciowych izotopów produktów rozszczepienia, zanim będą mogły ulec transmutacji.
• Ponadto niektóre długożyciowe produkty rozszczepienia, ze względu na ich małe przekroje poprzeczne wychwytywania neutronów, nie są w stanie wychwycić wystarczającej ilości neutronów, aby zaszła efektywna transmutacja.

Nowe badanie prowadzone przez Satoshi Chiba z Tokyo Tech (zwane „Metodą redukcji długożyciowych produktów rozszczepienia przez transmutacje jądrowe z reaktorami o szybkim widmie”) pokazuje, że skuteczną transmutację długożyciowych produktów rozszczepienia można osiągnąć w reaktorach o szybkim widmie. do separacji izotopów. Można to osiągnąć przez dodanie moderatora deuterku itru .

Typy reaktorów

Na przykład pluton może być ponownie przetwarzany na paliwa z mieszanych tlenków i transmutowany w standardowych reaktorach. Cięższe pierwiastki mogłyby być transmutowane w reaktorach prędkich , ale prawdopodobnie skuteczniej w reaktorze podkrytycznym, zwanym czasem wzmacniaczem energii, opracowanym przez Carlo Rubbia . Zaproponowano również odpowiednie źródła neutronów fuzyjnych .

Rodzaje paliw

Istnieje kilka paliw, które mogą zawierać pluton w swoim początkowym składzie na początku cyklu i zawierać mniejszą ilość tego pierwiastka na końcu cyklu. Podczas cyklu pluton może być spalany w reaktorze energetycznym, wytwarzając energię elektryczną. Proces ten jest interesujący nie tylko z punktu widzenia wytwarzania energii, ale także ze względu na jego zdolność do zużywania nadwyżek plutonu klasy broni z programu broni oraz plutonu pochodzącego z ponownego przetwarzania zużytego paliwa jądrowego.

Jednym z nich jest paliwo z mieszanych tlenków. Jego mieszanka tlenków plutonu i uranu stanowi alternatywę dla nisko wzbogaconego paliwa uranowego stosowanego głównie w reaktorach lekkowodnych. Ponieważ uran jest obecny w mieszanym tlenku, chociaż pluton będzie spalany, pluton drugiej generacji będzie produkowany przez wychwytywanie radiacyjne U-238 i dwa kolejne rozpady beta minus.

Opcjonalne są również paliwa z plutonem i torem . W nich neutrony uwolnione podczas rozszczepienia plutonu są wychwytywane przez Th-232. Po tym wychwytywaniu radiacyjnym, Th-232 staje się Th-233, który ulega dwóm rozpadom beta minus, w wyniku czego powstaje rozszczepialny izotop U-233. Przekrój wychwytywania radiacyjnego dla Th-232 jest ponad trzykrotnie większy niż dla U-238, co daje wyższą konwersję w paliwo rozszczepialne niż w przypadku U-238. Ze względu na brak uranu w paliwie nie produkuje się plutonu drugiej generacji, a ilość spalonego plutonu będzie wyższa niż w paliwach mieszanych tlenków. Jednak w zużytym paliwie jądrowym będzie obecny U-233, który jest materiałem rozszczepialnym. Pluton bojowy i reaktorowy może być stosowany w paliwach plutonowo-torowych, przy czym pluton bojowy jest tym, który wykazuje większą redukcję ilości Pu-239.

Długowieczne produkty rozszczepienia

Niektóre radioaktywne produkty rozszczepienia mogą zostać przekształcone w krótkożyciowe radioizotopy poprzez transmutację. Transmutacja wszystkich produktów rozszczepienia o okresie półtrwania dłuższym niż jeden rok jest badana w Grenoble z różnymi wynikami.

Sr-90 i Cs-137 , o okresie połowicznego rozpadu około 30 lat, są największymi emiterami promieniowania (w tym ciepła) w zużytym paliwie jądrowym w skali od dziesięcioleci do ~305 lat (Sn-121m jest nieznaczny ze względu na niską wydajność ) i nie są łatwo transmutowane , ponieważ mają niskie przekroje poprzeczne absorpcji neutronów . Zamiast tego należy je po prostu przechowywać, dopóki nie ulegną rozkładowi. Biorąc pod uwagę, że taki okres przechowywania jest konieczny, produkty rozszczepienia o krótszym okresie półtrwania mogą być również przechowywane do czasu ich rozkładu.

Następnym produktem rozszczepienia o dłuższej żywotności jest Sm-151 , który ma okres półtrwania 90 lat i jest tak dobrym absorberem neutronów, że większość z nich ulega transmutacji, podczas gdy paliwo jądrowe jest nadal używane; jednak skuteczna transmutacja pozostałego Sm-151 w odpadach jądrowych wymagałaby oddzielenia od innych izotopów samaru . Biorąc pod uwagę mniejsze ilości i radioaktywność o niskiej energii, Sm-151 jest mniej niebezpieczny niż Sr-90 i Cs-137 i może również ulec rozkładowi przez ~970 lat.

Wreszcie istnieje 7 produktów rozszczepienia o długim czasie życia . Mają znacznie dłuższe okresy półtrwania w zakresie od 211 000 lat do 15,7 mln lat. Dwa z nich, Tc-99 i I-129 , są wystarczająco mobilne w środowisku, aby stanowić potencjalne zagrożenie, są wolne lub w większości wolne od mieszanin ze stabilnymi izotopami tego samego pierwiastka i mają małe przekroje neutronów, ale wystarczające do podparcia transmutacja. Ponadto, Tc-99 może zastąpić U-238 w dostarczaniu poszerzenia Dopplera dla ujemnego sprzężenia zwrotnego dla stabilności reaktora. Większość badań proponowanych systemów transmutacji założyliśmy ⁹⁹ Tc , ¹²⁹ I i transuranowców jako cele dla transmutacji, z innych produktów rozszczepienia, produktów aktywacji i ewentualnie do przerobu uranu pozostałego jako odpady.

Spośród pozostałych 5 długotrwałych produktów rozszczepienia, Se-79 , SN-126 i Pd-107 są produkowane tylko w niewielkich ilościach (co najmniej w dzisiejszym neutronów termicznych , U-235 -burning reaktorów wodnych ) i dwa ostatnie powinny stosunkowo obojętny. Pozostałe dwa, Zr-93 i Cs-135 , są produkowane w większych ilościach, ale też nie są bardzo mobilne w środowisku. Są również mieszane z większą ilością innych izotopów tego samego pierwiastka.

Zobacz też

• Aktywacja neutronów
• Energia atomowa
• Lista technologii przetwarzania odpadów jądrowych
• Synteza metali szlachetnych
• Żyzny materiał

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• "Radioactive change", artykuł Rutherforda i Soddy'ego (1903), online i przeanalizowany na Bibnum [kliknij 'à télécharger', aby zobaczyć wersję angielską] .