Nukleär transmutation

Illustration av en proton–protonkedja , från väte som bildar deuterium , helium-3 och vanlig helium-4 .

Kärntransmutation är omvandlingen av ett kemiskt element eller en isotop till ett annat kemiskt element. Kärntransmutation sker i alla processer där antalet protoner eller neutroner i en atoms kärna ändras.

En transmutation kan uppnås antingen genom kärnreaktioner (där en extern partikel reagerar med en kärna) eller genom radioaktivt sönderfall , där ingen yttre orsak behövs.

Naturlig transmutation genom stjärnnukleosyntes i det förflutna skapade de flesta av de tyngre kemiska grundämnena i det kända existerande universum, och fortsätter att äga rum till denna dag, vilket skapar den stora majoriteten av de vanligaste elementen i universum, inklusive helium , syre och kol . De flesta stjärnor utför transmutation genom fusionsreaktioner som involverar väte och helium, medan mycket större stjärnor också kan smälta ihop tyngre grundämnen till järn sent i sin utveckling.

Grundämnen tyngre än järn, såsom guld eller bly , skapas genom elementära transmutationer som kan uppstå naturligt i supernova . Ett mål med alkemin, omvandlingen av basämnen till guld, är nu känt för att vara omöjligt med kemiska medel men möjligt med fysikaliska medel. När stjärnor börjar smälta samman tyngre grundämnen frigörs avsevärt mindre energi från varje fusionsreaktion. Detta fortsätter tills det når järn som produceras av en endoterm reaktion som förbrukar energi. Inget tyngre element kan produceras under sådana förhållanden.

En typ av naturlig transmutation som kan observeras i nuet inträffar när vissa radioaktiva element som finns i naturen spontant sönderfaller genom en process som orsakar transmutation, såsom alfa- eller beta-sönderfall . Ett exempel är det naturliga sönderfallet av kalium-40 till argon-40 , som utgör det mesta av argon i luften. Också på jorden sker naturliga transmutationer från de olika mekanismerna för naturliga kärnreaktioner , på grund av kosmisk strålning av element (till exempel för att bilda kol-14 ), och även ibland från naturligt neutronbombardement (se till exempel naturlig kärnklyvningsreaktor ).

Artificiell transmutation kan inträffa i maskiner som har tillräckligt med energi för att orsaka förändringar i grundämnenas kärnstruktur. Sådana maskiner inkluderar partikelacceleratorer och tokamak -reaktorer. Konventionella fissionskraftreaktorer orsakar också artificiell transmutation, inte från maskinens kraft, utan genom att utsätta element för neutroner som produceras av fission från en artificiellt producerad kärnkedjereaktion . Till exempel, när en uranatom bombarderas med långsamma neutroner sker fission. Detta frigör i genomsnitt 3 neutroner och en stor mängd energi. De frigjorda neutronerna orsakar sedan klyvning av andra uranatomer, tills allt tillgängligt uran är förbrukat. Detta kallas en kedjereaktion .

Konstgjord kärntransmutation har ansetts vara en möjlig mekanism för att minska mängden och risken med radioaktivt avfall .

Historia

Alkemi

Termen transmutation går tillbaka till alkemin . Alkemister eftersträvade de vises sten , kapabel till krysopoe - omvandlingen av oädla metaller till guld. Medan alkemister ofta förstod krysopoen som en metafor för en mystisk eller religiös process, antog vissa utövare en bokstavlig tolkning och försökte göra guld genom fysiska experiment. Omöjligheten av den metalliska transmutationen hade diskuterats bland alkemister, filosofer och vetenskapsmän sedan medeltiden. Pseudo-alkemisk transmutation förbjöds och hånades offentligt med början på 1300-talet. Alkemister som Michael Maier och Heinrich Khunrath skrev traktater som avslöjade bedrägliga påståenden om guldtillverkning. På 1720-talet fanns det inte längre några respektabla figurer som strävade efter fysisk omvandling av ämnen till guld. Antoine Lavoisier , på 1700-talet, ersatte den alkemiska teorin om grundämnen med den moderna teorin om kemiska grundämnen, och John Dalton vidareutvecklade begreppet atomer (från den alkemiska teorin om blodkroppar ) för att förklara olika kemiska processer. Upplösningen av atomer är en distinkt process som involverar mycket större energier än vad som kan uppnås av alkemister.

Modern fysik

Det tillämpades först medvetet på modern fysik av Frederick Soddy när han, tillsammans med Ernest Rutherford 1901, upptäckte att radioaktivt torium omvandlade sig till radium . I ögonblicket av insikten, mindes Soddy senare, skrek han ut: "Rutherford, det här är förvandling!" Rutherford slog tillbaka, "För guds skull, Soddy, kalla det inte förvandling . De kommer att ha våra huvuden borta som alkemister."

Rutherford och Soddy observerade naturlig transmutation som en del av radioaktivt sönderfall av alfa-sönderfallstyp . Den första artificiella transmutationen utfördes 1925 av Patrick Blackett , en forskare som arbetade under Rutherford, med omvandlingen av kväve till syre , med hjälp av alfapartiklar riktade mot kväve ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p. Rutherford hade 1919 visat att en proton (han kallade den en väteatom) sänds ut från experiment med alfabombardement men han hade ingen information om den kvarvarande kärnan. Blacketts experiment 1921-1924 gav det första experimentella beviset på en konstgjord kärntransmutationsreaktion. Blackett identifierade korrekt den underliggande integrationsprocessen och identiteten för den kvarvarande kärnan. 1932 uppnåddes en helt artificiell kärnreaktion och kärntransmutation av Rutherfords kollegor John Cockcroft och Ernest Walton , som använde artificiellt accelererade protoner mot litium-7 för att dela upp kärnan i två alfapartiklar. Bragden var populärt känd som "att splittra atomen", även om det inte var den moderna kärnklyvningsreaktion som upptäcktes 1938 av Otto Hahn , Lise Meitner och deras assistent Fritz Strassmann i tunga element. År 1941 Rubby Sherr , Kenneth Bainbridge och Herbert Lawrence Anderson den nukleära omvandlingen av kvicksilver till guld .

Senare under 1900-talet utvecklades transmutationen av element i stjärnor, vilket förklarade det relativa överflöd av tyngre element i universum. Med undantag för de första fem grundämnena, som producerades i Big Bang och andra kosmiska strålprocesser, stod stjärnnukleosyntesen för överflöd av alla element som var tyngre än bor . I deras uppsats Synthesis of the Elements in Stars från 1957 , förklarade William Alfred Fowler , Margaret Burbidge , Geoffrey Burbidge och Fred Hoyle hur överflöden av i stort sett alla utom de lättaste kemiska grundämnena kunde förklaras av processen med nukleosyntes i stjärnor.

Under verklig kärntransmutation är det mycket lättare att förvandla guld till bly än den omvända reaktionen, som var den som alkemisterna ivrigt hade eftersträvat. Det skulle vara lättare att omvandla guld till bly via neutroninfångning och beta-sönderfall genom att lämna guld kvar i en kärnreaktor under en lång tid. ^{[ citat behövs ]}

Glenn Seaborg producerade flera tusen atomer guld från vismut, men med en nettoförlust.

För mer information om guldsyntes, se Syntes av ädla metaller .

¹⁹⁷ Au + n → ¹⁹⁸ Au ( halveringstid 2,7 dagar) → ¹⁹⁸ Hg + n → ¹⁹⁹ Hg + n → ²⁰⁰ Hg + n → ²⁰¹ Hg + n → ²⁰² Hg + n → ²⁰³ Hg (halveringstid) → 47 dagar ²⁰³ Tl + n → ²⁰⁴ Tl (halveringstid 3,8 år) → ²⁰⁴ Pb ^{[ ytterligare förklaring behövs ]}

Transmutation i universum

Big Bang tros vara ursprunget till väte (inklusive allt deuterium ) och helium i universum. Väte och helium står tillsammans för 98 % av massan av vanlig materia i universum, medan de övriga 2 % utgör allt annat. Big Bang producerade också små mängder litium , beryllium och kanske bor . Mer litium, beryllium och bor producerades senare, i en naturlig kärnreaktion, spallation av kosmisk strålning .

Stellär nukleosyntes är ansvarig för alla andra element som förekommer naturligt i universum som stabila isotoper och primordial nuklid , från kol till uran . Dessa inträffade efter Big Bang, under stjärnbildning. Vissa lättare grundämnen från kol till järn bildades i stjärnor och släpptes ut i rymden av asymptotiska jättegren (AGB) stjärnor. Dessa är en typ av röd jätte som "puffar" av sin yttre atmosfär, som innehåller vissa element från kol till nickel och järn. Alla grundämnen med atomvikt större än 64 atommassaenheter produceras i supernovastjärnor med hjälp av neutroninfångning , som delas upp i två processer: r-process och s-process .

Solsystemet tros ha kondenserats cirka 4,6 miljarder år före nutid, från ett moln av väte och helium som innehåller tyngre grundämnen i stoftkorn som tidigare bildats av ett stort antal sådana stjärnor . Dessa korn innehöll de tyngre grundämnen som bildades av transmutation tidigare i universums historia.

Alla dessa naturliga transmutationsprocesser i stjärnor fortsätter idag, i vår egen galax och i andra. Stjärnor smälter samman väte och helium till tyngre och tyngre grundämnen för att producera energi. Till exempel visar de observerade ljuskurvorna för supernovastjärnor som SN 1987A att de spränger stora mängder (jämförbara med jordens massa) radioaktivt nickel och kobolt ut i rymden. Men lite av detta material når jorden. Den mest naturliga omvandlingen på jorden idag förmedlas av kosmiska strålar (såsom produktion av kol-14 ) och av radioaktivt sönderfall av radioaktiva urnuklider som blivit över från solsystemets initiala bildning (såsom kalium-40, uran och torium). ), plus det radioaktiva sönderfallet av produkter av dessa nuklider (radium, radon, polonium, etc.). Se sönderfallskedja .

Konstgjord omvandling av kärnavfall

Översikt

Transmutation av transuranelement (dvs. aktinider minus aktinium till uran ) såsom isotoper av plutonium (ca 1 vikt% i lättvattenreaktorernas använda kärnbränsle eller de mindre aktiniderna (MAs, dvs. neptunium , americium och curium ), ca 0,1wt. % vardera i lättvattenreaktorers använda kärnbränsle) har potential att hjälpa till att lösa vissa problem som orsakas av hanteringen av radioaktivt avfall genom att minska andelen långlivade isotoper som det innehåller. (Detta utesluter inte behovet av ett djupt geologiskt förvar för högaktivt radioaktivt avfall. ) När de bestrålas med snabba neutroner i en kärnreaktor , kan dessa isotoper genomgå kärnklyvning , förstöra den ursprungliga aktinidisotopen och producera ett spektrum av radioaktiva och icke-radioaktiva fissionsprodukter .

Keramiska mål som innehåller aktinider kan bombarderas med neutroner för att inducera transmutationsreaktioner för att avlägsna de svåraste långlivade arterna. Dessa kan bestå av aktinid-innehållande fasta lösningar såsom (Am,Zr)N , (Am,Y)N , (Zr,Cm)O2 _, ( Zr,Cm,Am)O2 _, ( Zr,Am,Y) O2 _NpN eller bara aktinidfaser såsom , _med Am02 _ZrN , _. NpO2 , _MgO , AmN blandade några inerta faser såsom , MgAl2O4 ( Zr , Y) _O2 , TiN och Rollen för icke-radioaktiva inerta faser är huvudsakligen att ge ett stabilt mekaniskt beteende till målet under neutronbestrålning.

Det finns problem med denna P&T-strategi (partitionering och transmutation):

För det första begränsas det av det kostsamma och besvärliga behovet av att separera långlivade isotoper av fissionsprodukter innan de kan genomgå transmutation.
också några långlivade fissionsprodukter, ^{[ vilka? ]} på grund av deras små neutroninfångningstvärsnitt, kan de inte fånga tillräckligt många neutroner för att effektiv transmutation ska ske.

Den nya studien ledd av Satoshi Chiba vid Tokyo Tech (kallad "Method to Reduce Long-lived Fission Products by Nuclear Transmutations with Fast Spectrum Reactors") visar att effektiv transmutation av långlivade fissionsprodukter kan uppnås i snabbspektrumreaktorer utan behov för isotopseparation. Detta kan uppnås genom att lägga till en yttriumdeuteridmoderator.

Reaktortyper

Till exempel kan plutonium upparbetas till blandade oxidbränslen och omvandlas i standardreaktorer. Detta begränsas dock av ackumuleringen av Plutonium-240 i använt MOX-bränsle, vilket inte heller är särskilt fertilt (transmutation till klyvbart Plutonium-241 sker, men i lägre hastigheter än produktionen av mer Plutonium-240 från neutronfångst av Plutonium-239 ) eller klyvbar med termiska neutroner. Även länder som Frankrike som i stor utsträckning utövar kärnteknisk upparbetning återanvänder vanligtvis inte plutoniumhalten i använt MOX-bränsle. De tyngre elementen kunde omvandlas i snabba reaktorer , men förmodligen mer effektivt i en subkritisk reaktor som ibland är känd som en energiförstärkare och som skapades av Carlo Rubbia . Fusionsneutronkällor har också föreslagits som väl lämpade .

Bränsletyper

Det finns flera bränslen som kan innehålla plutonium i sin ursprungliga sammansättning i början av cykeln och som har en mindre mängd av detta element i slutet av cykeln. Under cykeln kan plutonium brännas i en kraftreaktor och generera elektricitet. Denna process är inte bara intressant ur en kraftgenereringssynpunkt, utan också på grund av dess förmåga att konsumera överskottet av vapenkvalitetsplutonium från vapenprogrammet och plutonium från upparbetning av använt kärnbränsle.

Blandoxidbränsle är ett av dessa. Dess blandning av oxider av plutonium och uran utgör ett alternativ till det låganrikade uranbränslet som främst används i lättvattenreaktorer. Eftersom uran finns i blandad oxid, även om plutonium kommer att förbrännas, kommer andra generationens plutonium att produceras genom strålning av U-238 och de två efterföljande beta-minus-sönderfallen.

Bränsle med plutonium och torium är också ett alternativ. I dessa fångas neutronerna som frigörs vid klyvningen av plutonium upp av Th-232. Efter denna strålningsinfångning blir Th-232 Th-233, som genomgår två beta minus-sönderfall vilket resulterar i produktionen av den klyvbara isotopen U-233. Strålningsinfångningstvärsnittet för Th-232 är mer än tre gånger så stort som U-238, vilket ger en högre omvandling till klyvbart bränsle än från U-238. På grund av frånvaron av uran i bränslet produceras ingen andra generationens plutonium, och mängden plutonium som förbränns kommer att vara högre än i blandade oxidbränslen. Däremot kommer U-233, som är klyvbart, att finnas i det använda kärnbränslet. av vapenkvalitet och reaktorkvalitet kan användas i plutonium-toriumbränslen, där plutonium av vapenkvalitet är det som visar en större minskning av mängden Pu-239.

Långlivade fissionsprodukter

Långlivade fissionsprodukter
Nuklid	t _{1⁄2 _ _}	Avkastning	F	βγ
	( Ma )	(%)	( keV )
⁹⁹ Tc	0,211	6,1385	294	β
¹²⁶ Sn	0,230	0,1084	4050	β y
⁷⁹ Se	0,327	0,0447	151	β
⁹³ Zr	1,53	5,4575	91	βγ
¹³⁵ Cs	2.3	6,9110	269	β
¹⁰⁷ Pd	6.5	1,2499	33	β
¹²⁹ I	15.7	0,8410	194	βγ

Vissa radioaktiva fissionsprodukter kan omvandlas till kortlivade radioisotoper genom transmutation. Transmutation av alla fissionsprodukter med en halveringstid längre än ett år studeras i Grenoble, med varierande resultat.

Sr-90 och Cs-137 , med halveringstider på cirka 30 år, är de största strålningsutsändarna (inklusive värme) i använt kärnbränsle i en skala från decennier till ~305 år (Sn-121m är obetydlig på grund av det låga utbytet ) , och är inte lätta att omvandla eftersom de har låga neutronabsorptionstvärsnitt . Istället ska de helt enkelt förvaras tills de förmultnar. Med tanke på att denna lagringslängd är nödvändig kan klyvningsprodukterna med kortare halveringstid också lagras tills de sönderfaller.

Nästa klyvningsprodukt med längre livslängd är Sm-151 , som har en halveringstid på 90 år och är en så bra neutronabsorbator att det mesta omvandlas medan kärnbränslet fortfarande används; emellertid skulle effektivt omvandla resterande Sm-151 i kärnavfall kräva separation från andra isotoper av samarium . Med tanke på de mindre mängderna och dess lågenergiradioaktivitet är Sm-151 mindre farligt än Sr-90 och Cs-137 och kan också lämnas att förfalla i ~970 år.

Slutligen finns det 7 långlivade fissionsprodukter . De har mycket längre halveringstider i intervallet 211 000 år till 15,7 miljoner år. Två av dem, Tc-99 och I-129 , är tillräckligt mobila i miljön för att vara potentiella faror, är fria ( Technetium har inga kända stabila isotoper) eller mestadels fria från blandning med stabila isotoper av samma grundämne och har neutronkorsning sektioner som är små men tillräckliga för att stödja transmutation. Tc-99 kan också ersätta U-238 för att tillhandahålla Doppler-breddning för negativ återkoppling för reaktorstabilitet. De flesta studier av föreslagna transmutationsscheman har antagit ^99Tc kvar , ^129I aktiveringsprodukter och transuranelement som mål för transmutation, med andra klyvningsprodukter, och möjligen upparbetat uran som avfall. Teknetium-99 produceras också som en avfallsprodukt inom nuklearmedicin från Technetium-99m , en kärnisomer som sönderfaller till sitt grundtillstånd som inte har någon vidare användning. På grund av sönderfallsprodukten av ¹⁰⁰
Tc (resultatet av att ⁹⁹
Tc fångar en neutron) som sönderfaller med en relativt kort halveringstid till en stabil isotop av Ruthenium , en ädelmetall , kan det också finnas ett visst ekonomiskt incitament till transmutation, om kostnaderna kan vara förs tillräckligt lågt.

Av de återstående 5 långlivade fissionsprodukterna produceras Se-79 , Sn-126 och Pd-107 endast i små mängder (åtminstone i dagens termiska neutron , U-235- brinnande lättvattenreaktorer ) och de två sista bör vara relativt inert. De andra två, Zr-93 och Cs-135 , produceras i större mängder, men inte heller särskilt rörliga i miljön. De blandas också med större mängder andra isotoper av samma grundämne. Zirkonium används som beklädnad i bränslestavar på grund av att det är praktiskt taget "genomskinligt" för neutroner, men en liten mängd ⁹³
Zr produceras genom neutronabsorption från den vanliga zircalloyen utan mycket negativ effekt. Huruvida ⁹³
Zr skulle kunna återanvändas för nytt beklädnadsmaterial har hittills inte varit föremål för mycket studier.

Se även

externa länkar

"Radioactive change", Rutherford & Soddy-artikel (1903), online och analyserad på Bibnum [klicka på 'à télécharger' för engelsk version] .