Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
ВС является естественным термоядерным реактором , и преобразует световые элементы в более тяжелые элементы за счетом звездного нуклеосинтеза , форму ядерного синтеза .

Ядерная трансмутация - это превращение одного химического элемента или изотопа в другой химический элемент. [1] Поскольку любой элемент (или изотоп одного) определяется количеством протонов (и нейтронов ) в его атомах , то есть в атомном ядре , ядерная трансмутация происходит в любом процессе, где количество протонов или нейтронов в ядре равно измененный.

Трансмутация может быть достигнута либо с помощью ядерных реакций (в которых внешняя частица реагирует с ядром), либо с помощью радиоактивного распада , когда не требуется никакой внешней причины.

Естественная трансмутация путем звездного нуклеосинтеза в прошлом создала большинство более тяжелых химических элементов в известной существующей Вселенной и продолжается по сей день, создавая подавляющее большинство наиболее распространенных элементов во Вселенной, включая гелий , кислород и углерод . Большинство звезд осуществляют трансмутацию посредством реакций синтеза с участием водорода и гелия, в то время как гораздо более крупные звезды также способны синтезировать более тяжелые элементы, вплоть до железа, в конце своей эволюции.

Элементы тяжелее железа, такие как золото или свинец , образуются в результате элементарных трансмутаций, которые могут происходить естественным образом только при сверхновых . Когда звезды начинают плавить более тяжелые элементы, от каждой реакции синтеза выделяется значительно меньше энергии. Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто железо, которое вырабатывается в результате эндотермической реакции с потреблением энергии. В таких условиях невозможно произвести ни один более тяжелый элемент.

Один тип естественной трансмутации, наблюдаемый в настоящее время, происходит, когда определенные радиоактивные элементы, присутствующие в природе, спонтанно распадаются в результате процесса, вызывающего трансмутацию, такого как альфа- или бета-распад . Примером может служить естественный распад калия-40 до аргона-40 , который образует большую часть аргона в воздухе. Также на Земле происходят естественные превращения в результате различных механизмов естественных ядерных реакций из-за бомбардировки элементов космическими лучами (например, с образованием углерода-14 ), а также иногда из-за естественной бомбардировки нейтронами (например, см.естественный ядерный реактор деления ).

Искусственная трансмутация может происходить в машинах, у которых достаточно энергии, чтобы вызвать изменения в ядерной структуре элементов. К таким машинам относятся ускорители частиц и реакторы токамаки . Обычные силовые реакторы деления также вызывают искусственную трансмутацию, но не за счет мощности машины, а за счет воздействия на элементы нейтронов, образующихся в результате деления в результате искусственно созданной цепной ядерной реакции . Например, при бомбардировке атома урана медленными нейтронами происходит деление. Это высвобождает в среднем 3 нейтрона и большое количество энергии. Высвободившиеся нейтроны затем вызывают деление других атомов урана, пока весь доступный уран не будет исчерпан. Это называетсяцепная реакция .

Искусственная трансмутация ядер рассматривается как возможный механизм уменьшения объема и опасности радиоактивных отходов . [2]

История [ править ]

Алхимия [ править ]

Термин трансмутация восходит к алхимии . Алхимики искали философский камень , способный к хризопее - превращению неблагородных металлов в золото. [3] В то время как алхимики часто понимали хризопею как метафору мистического или религиозного процесса, некоторые практикующие использовали буквальную интерпретацию и пытались получить золото с помощью физических экспериментов. Невозможность металлической трансмутации обсуждалась среди алхимиков, философов и ученых со времен средневековья. Псевдоалхимическая трансмутация была объявлена ​​вне закона [4] и публично высмеивалась с четырнадцатого века. Алхимики, такие как Майкл Майери Генрих Кунрат написал трактаты, разоблачающие мошеннические заявления о добыче золота. К 1720-м годам уже не было респектабельных деятелей, занимавшихся физическим превращением веществ в золото. [5] Антуан Лавуазье в 18 веке заменил алхимическую теорию элементов современной теорией химических элементов, а Джон Дальтон развил понятие атомов (из алхимической теории корпускул ) для объяснения различных химических процессов. Распад атомов - это отдельный процесс, требующий гораздо больших энергий, чем могли бы достичь алхимики.

Современная физика [ править ]

Впервые это было сознательно применено к современной физике Фредериком Содди, когда он вместе с Эрнестом Резерфордом в 1901 году открыл, что радиоактивный торий превращается в радий . В момент осознания этого, как позже вспоминал Содди, он крикнул: «Резерфорд, это же трансмутация! " Резерфорд огрызнулся: «Ради всего святого, Содди, не называй это трансмутацией . Им как алхимикам отрубить нам голову». [6]

Резерфорд и Содди наблюдали естественную трансмутацию как часть радиоактивного распада типа альфа-распада . Первая искусственная трансмутация была осуществлена ​​в 1925 году Патриком Блэкеттом , научным сотрудником, работавшим под руководством Резерфорда, с трансмутацией азота в кислород с использованием альфа-частиц, направленных на азот 14 N + α → 17 O + p.  [7]В 1919 году Резерфорд показал, что протон (он назвал его атомом водорода) испускался в результате экспериментов по альфа-бомбардировке, но у него не было информации об остаточном ядре. Эксперименты Блэкетта 1921-1924 годов предоставили первое экспериментальное свидетельство искусственной реакции ядерной трансмутации. Блэкетт правильно определил основной процесс интеграции и идентичность остаточного ядра. В 1932 году полностью искусственная ядерная реакция и ядерная трансмутация были осуществлены коллегами Резерфорда Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном , которые использовали искусственно ускоренные протоны против лития-7, чтобы разделить ядро ​​на две альфа-частицы. Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома», хотя это не было современным ядерным делением.реакция, открытая в 1938 году Отто Ганом , Лизой Мейтнер и их помощником Фрицем Штрассманном в тяжелых элементах. [8]

Позже, в двадцатом веке, трансмутация элементов в звездах была разработана с учетом относительного содержания более тяжелых элементов во Вселенной. За исключением первых пяти элементов, которые образовались в результате Большого взрыва и других процессов космических лучей , в звездном нуклеосинтезе было обнаружено содержание всех элементов тяжелее бора . В своей статье 1957 Синтез элементов в звездах , [9] Уильям Альфред Фаулер , Маргарет Burbidge , Джеффри Burbidge , и Фред Хойл объяснил , как Содержания по существу все , но самые легкие химические элементы могут быть объяснены в процессе нуклеосинтеза в звездах.

При истинной ядерной трансмутации гораздо легче превратить золото в свинец, чем обратная реакция, которую алхимики горячо преследовали. Было бы легче превратить золото в свинец посредством захвата нейтронов и бета-распада , оставив свинец в ядерном реакторе на длительный период времени. [ необходима цитата ]

Гленн Сиборг произвел несколько тысяч атомов золота из висмута , но с чистыми потерями. [10] [11]

Подробнее о синтезе золота см. Синтез драгоценных металлов .

197 Au + n → 198 Au ( период полураспада 2,7 дня) → 198 Hg + n → 199 Hg + n → 200 Hg + n → 201 Hg + n → 202 Hg + n → 203 Hg (период полураспада 47 дней) → 203 Tl + n → 204 Tl (период полураспада 3,8 года) → 204 Pb

Трансмутация во вселенной [ править ]

Основная статья: Нуклеосинтез

Big Bang считается происхождением водорода (включая весь дейтерий ) и гелий во Вселенной. Водород и гелий вместе составляют 98% массы обычного вещества во Вселенной, а остальные 2% составляют все остальное. Большой взрыв также произвел небольшое количество лития , бериллия и, возможно, бора . Больше лития, бериллия и бора были произведены позже, в результате естественной ядерной реакции, расщепления космических лучей .

Звездный нуклеосинтез отвечает за все другие элементы, встречающиеся в природе во Вселенной в виде стабильных изотопов и первичных нуклидов , от углерода до урана . Это произошло после Большого взрыва во время звездообразования. Некоторые более легкие элементы, от углерода до железа, образовывались в звездах и выбрасывались в космос звездами асимптотической ветви гигантов (AGB). Это разновидность красных гигантов, которые «выдыхают» свою внешнюю атмосферу, содержащую некоторые элементы от углерода до никеля и железа. Все элементы с атомным весом более 64 атомных единиц массы образуются в сверхновых звездах посредством захвата нейтронов., который подразделяется на два процесса: r-процесс и s-процесс .

Солнечная система , как полагает, конденсирует приблизительно 4,6 миллиарда лет до настоящего времени , из облака водорода и гелия , содержащего тяжелые элементы в пылевых частицах , образованных ранее большое числом таких звезд. Эти зерна содержали более тяжелые элементы, образовавшиеся в результате трансмутации ранее в истории Вселенной.

Все эти естественные процессы трансмутации звезд продолжаются сегодня в нашей галактике и в других. Звезды превращают водород и гелий в более тяжелые и тяжелые элементы, чтобы произвести энергию. Например, наблюдаемые кривые блеска сверхновых звезд, таких как SN 1987A, показывают, что они выбрасывают в космос большое количество (сравнимое с массой Земли) радиоактивного никеля и кобальта. Однако на Землю попадает очень мало этого материала. Большинство естественных трансмутаций на Земле сегодня опосредовано космическими лучами (такими как образование углерода-14 ) и радиоактивным распадом радиоактивных первичных нуклидов, оставшихся от первоначального образования Солнечной системы (таких как калий-40)., уран и торий), плюс радиоактивный распад продуктов этих нуклидов (радий, радон, полоний и др.). Смотрите цепочку распада .

Искусственная трансмутация ядерных отходов [ править ]

Обзор [ править ]

Трансмутация трансурановых элементов (ТРУЗИ, т.е. актинидов минус актиния до урана ) , таких как изотопы из плутония (около 1 мас% в легководных реакторов " , используемых ядерное топливо (UNF)) или младших актинидов (MAS, т.е. нептуния , америция и кюрий , около 0,1 мас.% каждого в UNF реакторов LWR) может помочь решить некоторые проблемы, связанные с обращением с радиоактивными отходами, за счет снижения доли долгоживущих изотопов, которые они содержат. (Это не исключает необходимости глубокого геологического хранилища(DGR) для высокоактивных отходов (ВАО).) При облучении быстрыми нейтронами в ядерном реакторе эти изотопы могут подвергаться ядерному делению , разрушая исходный изотоп актинида и производя спектр радиоактивных и нерадиоактивных продуктов деления .

Керамические мишени, содержащие актиниды, можно бомбардировать нейтронами, чтобы вызвать реакции трансмутации для удаления наиболее сложных долгоживущих частиц. Они могут состоять из твердых растворов, содержащих актиниды, таких как (Am, Zr) N, (Am, Y) N, (Zr, Cm) O 2 , (Zr, Cm, Am) O 2 , (Zr, Am, Y). O 2 или просто актинидные фазы, такие как AmO 2 , NpO 2 , NpN, AmN, смешанные с некоторыми инертными фазами, такими как MgO, MgAl 2 O 4 , (Zr, Y) O 2 , TiN и ZrN. Роль нерадиоактивных инертных фаз заключается, главным образом, в обеспечении стабильного механического поведения мишени при нейтронном облучении. [12]

Однако есть проблемы с этой стратегией P&T (разделение и трансмутация):

  • Во-первых, он ограничен дорогостоящей и обременительной необходимостью разделения изотопов LLFP, прежде чем они смогут подвергнуться трансмутации.
  • Кроме того, некоторые LLFP из-за их малых сечений захвата нейтронов неспособны улавливать достаточно нейтронов для того, чтобы произошла эффективная трансмутация.

Новое исследование, проведенное Сатоши Чиба из Tokyo Tech (названное «Метод уменьшения долгоживущих продуктов деления путем ядерной трансмутации с реакторами быстрого спектра» [13] ), показывает, что эффективная трансмутация LLFP может быть достигнута в реакторах быстрого спектра без необходимости в разделение изотопов. Это может быть достигнуто путем добавления замедлителя из дейтерида иттрия (YD2). [14]

Типы реакторов [ править ]

Например, плутоний можно переработать в МОКС-топливо и преобразовать в стандартных реакторах. Более тяжелые элементы можно преобразовать в быстрых реакторах , но, вероятно, более эффективно в подкритическом реакторе, который иногда называют усилителем энергии и который был разработан Карло Руббиа . Также были предложены источники термоядерных нейтронов . [15] [16] [17]

Типы топлива [ править ]

Есть несколько видов топлива, которые могут включать плутоний в свой первоначальный состав в начале цикла (BOC) и имеют меньшее количество этого элемента в конце цикла (EOC). Во время цикла плутоний может сжигаться в энергетическом реакторе, генерируя электричество. Этот процесс интересен не только с точки зрения выработки электроэнергии, но также из-за его способности потреблять излишки оружейного плутония из оружейной программы и плутония, полученного при переработке UNF.

Смешанное оксидное топливо (МОКС) является одним из них. Его смесь оксидов плутония и урана представляет собой альтернативу топливу из низкообогащенного урана (НОУ), которое преимущественно используется в LWR. Поскольку уран присутствует в МОКС-топливе, хотя плутоний будет сжигаться, плутоний второго поколения будет производиться за счет радиационного захвата U-238 и двух последующих бета-минус-распадов.

Также возможно топливо с плутонием и торием . В них нейтроны, выделяющиеся при делении плутония, захватываются Th-232. После этого радиационного захвата Th-232 становится Th-233, который претерпевает два бета-минус-распада, в результате чего образуется делящийся изотоп U-233. Сечение радиационного захвата для Th-232 более чем в три раза больше, чем у U-238, что дает более высокую конверсию в делящееся топливо, чем у U-238. Из-за отсутствия урана в топливе плутоний второго поколения не производится, а количество сожженного плутония будет выше, чем в МОКС-топливе. Однако делящийся U-233 будет присутствовать в UNF. Оружейный и реакторный плутоний может использоваться в плутоний-ториевом топливе, причем оружейный плутоний демонстрирует большее сокращение количества Pu-239.

Долгоживущие продукты деления (LLFP) [ править ]

Смотрите также: Ядерная переработка § Волокисление
  • v
  • т
  • е
Долгоживущие продукты деления
Нуклидт 1 ⁄ 2УрожайЭнергия распада [a 1]Режим распада
( Ма )(%) [a 2]( кэВ )
99 Тс0,2116,1385294β
126 Sn0,2300,10844050 [a 3]β γ
79 Se0,3270,0447151β
93 Zr1,535,457591βγ
135 Cs2.36.9110 [a 4]269β
107 Pd6.51,249933β
129 Я15,70,8410194βγ
  1. ^ Энергия распада делится между β, нейтрино и γ, если таковые имеются.
  2. ^ За 65 делений тепловыми нейтронами U-235 и 35 делений Pu-239.
  3. ^ Имеет энергию распада 380 кэВ,
    но продукт распада Sb-126 имеет энергию распада 3,67 МэВ.
  4. ^ Ниже в тепловом реакторе, потому что предшественник поглощает нейтроны.

Некоторые радиоактивные продукты деления могут быть превращены в более короткоживущие радиоизотопы путем трансмутации. Трансмутация всех продуктов деления с периодом полураспада более одного года изучается в Гренобле [18] с разными результатами.

Sr-90 и Cs-137 с периодом полураспада около 30 лет являются крупнейшими излучателями излучения (включая тепло) в отработанном ядерном топливе в масштабе от десятилетий до ~ 305 лет (Sn-121m незначителен из-за низкого выхода ), и не легко трансмутируется , потому что они имеют низкое поглощение нейтронов сечение . Вместо этого их следует просто хранить до тех пор, пока они не разложатся. Учитывая, что такая продолжительность хранения необходима, продукты деления с более короткими периодами полураспада также могут храниться до тех пор, пока они не распадутся.

Следующим долгоживущим продуктом деления является Sm-151 , период полураспада которого составляет 90 лет, и который является настолько хорошим поглотителем нейтронов, что большая его часть трансмутируется, пока ядерное топливо все еще используется; однако эффективное преобразование оставшегося Sm-151 в ядерных отходах потребует отделения от других изотопов самария . Учитывая меньшие количества и его низкоэнергетическую радиоактивность, Sm-151 менее опасен, чем Sr-90 и Cs-137, и его также можно оставить для распада в течение ~ 970 лет.

Наконец, есть 7 долгоживущих продуктов деления . У них гораздо более длительный период полураспада - от 211 000 до 15,7 миллионов лет. Два из них, Tc-99 и I-129 , достаточно мобильны в окружающей среде, чтобы представлять потенциальную опасность, не содержат или почти не содержат смеси со стабильными изотопами того же элемента и имеют нейтронные сечения, которые малы, но достаточны для поддержки трансмутация. Кроме того, Tc-99 может заменить U-238 в обеспечении доплеровского уширения для отрицательной обратной связи для стабильности реактора. [19] В большинстве исследований предложенных схем трансмутации предполагалось, что 99 Tc , 129 I, и TRU в качестве мишеней для трансмутации с другими продуктами деления, продуктами активации и, возможно, переработанным ураном, остающимися в виде отходов. [20]

Из оставшихся 5 долгоживущих продуктов деления, Se-79 , Sn-126 и Pd-107 производятся только в небольших количествах (по крайней мере , в современной теплового нейтрона , U-235 -burning легководных реакторов ) , а последние два должны быть относительно инертный. Два других, Zr-93 и Cs-135 , производятся в больших количествах, но также не обладают высокой подвижностью в окружающей среде. Они также смешаны с большим количеством других изотопов того же элемента.

См. Также [ править ]

  • Нейтронная активация
  • Атомная энергия
  • Перечень технологий обращения с ядерными отходами
  • Синтез драгоценных металлов

Ссылки [ править ]

  1. ^ "МАГАТЭ ИНИС" . inis.iaea.org . МАГАТЭ . Проверено 26 января 2017 года .
  2. ^ http://www.oecd-nea.org/trw/ «Трансмутация радиоактивных отходов». Агентство по ядерной энергии. 3 февраля 2012 г.
  3. ^ "Алхимия" , Dictionary.com
  4. ^ Джон Хайнс, II, РФ Йегер. Джон Гауэр, трехъязычный поэт: язык, перевод и традиции. Бойделл и Брюэр. 2010. с.170.
  5. ^ Лоуренс Принсипи. Новые рассказы в химии восемнадцатого века . Springer. 2007. стр.8.
  6. ^ Мюриэль Хауорт, Pioneer Research на Atom: История жизни Содди , Новый Свет, Лондон1958, стр 83-84; Лоуренс Бадаш, Радий, радиоактивность и популярность научных открытий , Труды Американского философского общества 122,1978: 145-54; Таддеус Дж. Тренн, Саморазлагающийся атом: история сотрудничества Резерфорда-Содди , Taylor & Francis, London, 1977, стр. 42, 58-60, 111-17.
  7. ^ http://history.aip.org/history/exhibits/rutherford/sections/atop-physics-wave.html
  8. ↑ Кокрофт и Уолтон расщепляют литий протонами высоких энергий, апрель 1932 г. Архивировано 2 сентября 2012 г. в Wayback Machine.
  9. ^ Уильям Альфред Фаулер, Маргарет Бербидж, Джеффри Бербидж и Фред Хойл, «Синтез элементов в звездах», Обзоры современной физики , т. 29, Issue 4, с. 547–650
  10. ^ Aleklett, K .; Morrissey, D .; Loveland, W .; McGaughey, P .; Сиборг, Г. (1981). «Энергетическая зависимость фрагментации 209 Bi в релятивистских ядерных столкновениях». Physical Review C . 23 (3): 1044. Bibcode : 1981PhRvC..23.1044A . DOI : 10.1103 / PhysRevC.23.1044 .
  11. ↑ Мэтьюз, Роберт (2 декабря 2001 г.). «Философский камень» . Дейли телеграф . Проверено 23 июля 2013 года .
  12. ^ "Кристаллические материалы для иммобилизации актинидов" . Лондон: Imperial College Press. 2010. с. 198. Архивировано из оригинала 9 марта 2012 года.
  13. ^ Чиба, S .; Wakabayashi, T .; Tachi, Y .; Takaki, N .; Terashima, A .; Окумура, S .; Ёсида, Т. (2017). «Метод уменьшения долгоживущих продуктов деления с помощью ядерных трансмутаций с реакторами быстрого спектра» . Научные отчеты . 7 (1): 13961. Bibcode : 2017NatSR ... 713961C . DOI : 10.1038 / s41598-017-14319-7 . PMC 5654822 . PMID 29066843 .  
  14. ^ Система быстрого реактора для сокращения срока службы долгоживущих продуктов деления
  15. ^ Рита Plukiene, эволюция трансурановых изотопного состава В энергетических реакторов и инновационных ядерных систем трансмутации Архивированные 2007-09-27 в Wayback Machine , кандидатская диссертация, Витовта университета, 2003, извлекаться января 2008
  16. ^ Такибаев А., Сайто М., Артисюк В. и Сагара Х., «Трансмутация выбранных долгоживущих продуктов деления на основе термоядерного синтеза », Прогресс в ядерной энергетике , Vol. 47, 2005 г., получено в январе 2008 г.
  17. ^ Трансмутация трансурановых элементов и долгоживущих продуктов деления в термоядерных устройствах, Y. Gohar , Аргоннская национальная лаборатория
  18. ^ Метод чистого уменьшения количества опасных радиоактивных ядерных отходов - Патент США 4721596 Описание
  19. ^ Трансмутация выбранных продуктов деления в реакторе на быстрых нейтронах
  20. ^ The Nuclear Alchemy Gamble - Институт исследований энергетики и окружающей среды

Внешние ссылки [ править ]

  • «Радиоактивное изменение», статья Резерфорда и Содди (1903 г.), онлайн и проанализирована в Bibnum [щелкните 'à télécharger', чтобы открыть английскую версию] .