長壽命裂變產物一般指由核裂變反應产生的、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]
核廢料中含有裂變產物,還含有錒系元素,以及中子活化后的放射性元素(又稱為激活产物)。[1]
项: 单位: |
t½ a |
产额 % |
Q* KeV |
βγ * |
---|---|---|---|---|
155Eu | 4.76 | .0803 | 252 | βγ |
85Kr | 10.76 | .2180 | 687 | βγ |
113mCd | 14.1 | .0008 | 316 | β |
90Sr | 28.9 | 4.505 | 2826 | β |
137Cs | 30.23 | 6.337 | 1176 | βγ |
121mSn | 43.9 | .00005 | 390 | βγ |
151Sm | 90 | .5314 | 77 | β |
剛出堆的乏燃料在短期内具有極強的放射性,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]
當反應堆或者乏燃料發生核泄漏時,只會有部分核素外泄。這種泄漏的同位素特徵和大氣層核爆炸完全不同。[4]
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是一种惰性氣體,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。
依衰变链分类的锕系元素[6] | 半衰期范围 | 依裂变产额分类的裂变产物[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 | ↑中等寿命裂变产物 没有半衰期为 100年至21万年 的裂变产物 ↓长寿命裂变产物 | ||||
241Am | 251Cf ƒ[9] | 400~1000年 | ||||||
226Ra | 247Bk | 1000~2000年 | ||||||
240Pu | 229Th | 246Cm | 243Am | 2000~8000年 | ||||
245Cm ƒ | 250Cm | 239Pu ƒ | 8000~3万年 | |||||
230Th | 231Pa | 3~10万年 | ||||||
236Np ƒ | 233U ƒ | 234U | 10~30万年 | 99Tc | 126Sn | |||
248Cm | 242Pu | 30~140万年 | 135Cs | 79Se | ||||
237Np | 140~700萬年 | 93Zr | 107Pd | |||||
236U | 247Cm ƒ | 700~3000萬年 | 129I | |||||
244Pu | 3000万~1亿年 | 也没有半衰期超过 2000万年的裂变产物[10] | ||||||
232Th | 238U | 235U ƒ | 1~150億年 | |||||
當銫-137和鍶-90大部分衰變后,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。分離這些元素后,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。
项: 单位: |
t½ Ma |
产额 % |
Q* KeV |
βγ * |
---|---|---|---|---|
99Tc | 0.211 | 6.1385 | 294 | β |
126Sn | 0.230 | 0.1084 | 4050 | βγ |
79Se | 0.295 | 0.0447 | 151 | β |
135Cs | 1.33 | 6.9110 | 269 | β |
93Zr | 1.53 | 5.4575 | 91 | βγ |
107Pd | 6.5 | 1.2499 | 33 | β |
129I | 15.7 | 0.8410 | 194 | βγ |
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年后,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100萬年后,鍀-99的放射性將首次低於鋯-93。300萬年后,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]
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