长寿命裂变产物一般指由核裂变反应产生的、半衰期超过20万年的放射性物质。[1]这并非精确的科学定义，比如有人把某些半衰期在20年至100年间的裂变产物也称作长寿命裂变产物。[2]另外的人则主张把这些半衰期在20年-100年间的裂变产物称作中等寿命裂变产物。[3]
核废料放射性的来源
核废料中含有裂变产物，还含有锕系元素，以及中子活化后的放射性元素（又称为激活产物）。[1]
短寿命裂变产物
| 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 |
刚出堆的乏燃料在短期内具有极强的放射性，这种放射性大多来源于裂变产物中的短寿命裂变产物，比如碘-131（半衰期=8.0197天）和钡-140（半衰期=12.7523天）。四个月之后，上述两种核素的强放射性基本消失，取而代之的是铈-141、锆-95、铌-95和锶-89。两到三年之后，放射性主要来源于铈-144、镨-144、钌-106、铑-106和钷-147。[1]
当反应堆或者乏燃料发生核泄漏时，只会有部分核素外泄。这种泄漏的同位素特征和大气层核爆炸完全不同。[4]
中等寿命裂变产物
乏燃料经过几年的冷却之后，大部分放射性源自铯-137和锶-90。二者在裂变反应中的产额大概都是6%，半衰期都在30年左右。其他半衰期在30年左右的核素要么反应产额低，要么在反应堆中经中子俘获而被转变成其他核素（比如钐-151、铕-155和镉-113m），因此对乏燃料的放射性贡献不大。在几年到几百年的时间里，乏燃料的放射性基本可以认为就是铯-137和锶-90的放射性，可以通过二者指数衰变的叠加来模拟。它们被称为中等寿命裂变产物。[1][3]
氪-85（半衰期=10.76年）也算是中等寿命裂变产物。但它的情形和铯-137和锶-90有所不同。氪-85是一种惰性气体，不会在大气圈、岩石圈或者水圈富集。因此在现有再处理流程中，氪-85可以直接排放到大气中。[5]在美国和其他一些国家，乏燃料在再处理之前一般要经过几十年的冷却。到了再处理的时候，大部分氪-85已经经衰变而消失。
锕系元素
锕系元素和裂变产物的半衰期
| ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 锕系 | 半衰期 范围(年) |
裂变产物 | ||||||
| 244Cm | 241Pu f | 250Cf | 243Cmf | 10～30 y | 137Cs | 90Sr | 85Kr | |
| 232U f | 238Pu | f代表 “裂变” |
69～90 y | 151Sm nc➔ | ||||
| 4n | 249Cf f | 242Amf | 141～351 y | 没有半衰期为 102年至2×105年 的裂变产物 | ||||
| 241Am | 251Cf f | 431–898 y | ||||||
| 240Pu | 229Th | 246Cm | 243Am | 5～7 Ky | ||||
| 4n | 245Cmf | 250Cm | 239Pu f | 8～24 Ky | ||||
| 233U f | 230Th | 231Pa | 32～160 Ky | |||||
| 4n+1 | 234U | 4n+3 | 211～290 Ky | 99Tc | 126Sn | 79Se | ||
| 248Cm | 242Pu | 340～373 Ky | 长寿命裂变产物 | |||||
| 237Np | 4n+2 | 1～2 My | 93Zr | 135Cs nc➔ | ||||
| 236U | 4n+1 | 247Cmf | 6～23 My | 107Pd | 129I | |||
| 244Pu | 8 My | >7% | >5% | >1% | >.1% | |||
| 232Th | 238U | 235U f | 0.7～12 By | 裂变产物产额 | ||||
当铯-137和锶-90大部分衰变后，乏燃料的放射性主要来源于锕系元素，最重要的有钚-239、钚-240、镅-241、镅-243、锔-245和锔-246。[1]这些元素可以经再处理回收，用作裂变燃料。分离这些元素后，在1,000-100,000年左右乏燃料的放射性会大大降低。钚-239可以直接用于现有的热中子反应堆。量比较小的镅-241和钚-242则可以在快中子反应堆中转化成其他核素。
长寿命裂变产物
100,000年以后，裂变产物将以七种核素为主，兼有少量镎-237和钚-242。[1]这七种核素的半衰期在20万年到1600万年之间。主要产物锝-99、锆-93和铯-135的产额在6%左右，其衰变能在100-300千电子伏特之间，一部分表现为β辐射，另一部分则以无害的中微子形式释放。锕系元素以α衰变为主，衰变能在4-5兆电子伏特。
- 锝-99是长寿裂变产物中产额较高的，为6%左右。它释放出低到中等能量的电子，没有γ辐射。因此只要不摄入体内，对生物不构成太大的风险。但锝可以被氧化为高锝酸盐（TcO4-），溶解度好，被广泛用于核医学。[6][7]锝-99在环境中迁移性比较大。据说已有数以吨计的锝-99因人类活动进入环境。[8]
- 锡-126衰变能较大，而且是七种长寿裂变产物中唯一能释放高能γ射线的核素。但是这种核素产额很低。如果反应堆以铀-235为燃料，在乏燃料中，每单位时间锡-126释放出的能量是锝-99的5%；如果反应堆以铀-235（65%）和钚-239（35%）为燃料，在乏燃料中，每单位时间锡-126释放出的能量是锝-99的20%。锡化学性质比较惰性，不易在环境中迁移，因此对人类健康影响不大。
- 硒-79的产额很低，辐射也很弱。每单位时间硒-79释放出的能量是锝-99的0.2%。
- 锆-93的产额在6%左右，其衰变比锝-99慢7.5倍，衰变能只是锝-99的30%。因此起始时乏燃料中的锆-93释放的能量只是锝-99的4%。但其能量贡献会随着时间而增加。锆-93产生极弱的γ辐射，在环境中也相对惰性。
- 铯-135的前体氙-135产额在6%左右，但吸收热中子的能力很强。因此大部分氙-135嬗变为稳定同位素氙-136，只有少部分衰变为铯-135。假定90%的氙-135发生嬗变，起始时乏燃料中的铯-135释放的能量只是锝-99的1%。铯-135是七种七种长寿裂变产物中唯一一种碱金属，其电负性为正值。相比之下，主要的中等寿命裂变产物和除镎之外的锕系元素都是碱性。铯-135具有挥发性，可以用高温挥发的办法分离。[9]
| 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 |
| 93Zr | 1.53 | 5.4575 | 91 | βγ |
| 135Cs | 2.3 | 6.9110 | 269 | β |
| 107Pd | 6.5 | 1.2499 | 33 | β |
| 129I | 15.7 | 0.8410 | 194 | βγ |
- 钯-107的半衰期很长，产额在1%左右。如果以钚-239为燃料，钯-107的产率比用铀-235为燃料时要高。其放射性很弱。起始时乏燃料中的锆-93释放的能量只是锝-99的万分之一。钯属贵金属，化学性质不活泼。
- 碘-129半衰期在七种长寿裂变产物中最长：1570万年。它放射性也很弱，起始时乏燃料中的锆-93释放的能量只是锝-99的1%。但放射性碘却对生物构成重大的核威胁，因为碘是许多生物必须的微量元素之一。碘-131在碘同位素中放射性最强，危害也最大。
七种长寿裂变产物的放射性随时间的变化
如果反应堆以铀-235为燃料，在乏燃料中，每单位时间其它六种核素释放出的縂能量是锝-99的10%；如果反应堆以铀-235（65%）和钚-239（35%）为燃料，在乏燃料中，每单位时间其它六种核素释放出的縂能量是锝-99的25%。
乏燃料冷却1000年后，中等寿命裂变产物铯-137和锶-90的放射性降低到和长寿裂变产物持平的水平。如果锕系元素没有分离的话，将比中等寿命裂变产物和长寿裂变产物的放射性更强。
乏燃料冷却100万年后，锝-99的放射性将首次低于锆-93。300万年后，锆-93的衰变能将低于碘-129。
因为锝-99和碘-129对生物危害较大，但同时有较大的中子反应截面，有人正在考虑用核嬗变的方式将它们转化为危害较小的核素以除去。[10]
参考资料
- ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Nuclear Wastes: Technologies for Separations and Transmutation. National Academies Press. 1996. ISBN 978-0-309-05226-9.
- ↑ Yang, W. S.; Kim, Y.; Hill, R. N.; Taiwo, T. A.; Khalil, H. S. Long-Lived Fission Product Transmutation Studies. Nuclear Science and Engineering. 2004, 146: 291–318.
- ↑ 3.0 3.1 The Nuclear Alchemy Gamble: An Assessment of Transmutation as a Nuclear Waste Management Strategy. [2013-03-17].
- ↑ Howard A. Hawthorne, Editor. COMPILATION OF LOCAL FALLOUT DATA FROM TEST DETONATIONS 1945-1962 - EXTRACTED FROM DASA 1251 - Volume II - Oceanic U.S. Tests (PDF). General Electric Company. May 1979.
- ↑ Krypton, Human Health Fact Sheet, August 2005 (PDF).
- ↑ Ryo, U.Y.; Vaidya, P.V.; Schneider, A.B.; Bekerman, C; Pinsky, S.M. Thyroid imaging agents: a comparison of I-123 and Tc-99m pertechnetate. Radiology. 1983, 148 (3): 819–822. PMID 6308711.
- ↑ Nuclear Imaging of Meckel's Diverticulum: A Pictorial Essay of Pitfalls S. Huynh, M.D., R. Amin, M.D., B. Barron, M.D., R. Dhekne, M.D., P. Nikolaidis, M.D., L. Lamki, M.D.. University of Texas Houston Medical School and Memorial Hermann - Texas Medical Center (TMC), St. Luke's Episcopal Hospital and Texas Children Hospital, Houston, Texas. Last Modified September 5, 2007
- ↑ Dowdall, M.; Gerland, S.; Karcher, M.; Gwynn, J. P.; Rudjord, A.L. Optimisation of sampling for the temporal monitoring of technetium-99 in the Arctic marine environment.. Journal of Environmental Radioactivity. 2005, 84: 111–130.
- ↑ Removal of Cesium From a High-Level Calcined Waste by High Temperature Volatilization (PDF). osti.gov. [2013-03-19].
- ↑ Processing of Used Nuclear Fuel. World Nuclear Association. [2013-03-18].
