Atomtransformasjon - Nuclear transmutation

The Sun er en naturlig fusjonsreaktor , og transmutes lette elementer i tyngre elementer gjennom stjernenukleosyntese , en form for nukleær fusjon .

Atomtransformasjon er konvertering av ett kjemisk element eller en isotop til et annet kjemisk element. Kjernetransmutasjon skjer i enhver prosess der antall protoner eller nøytroner i atomkjernen endres.

En transmutasjon kan oppnås enten ved kjernefysiske reaksjoner (der en ytre partikkel reagerer med en kjerne) eller ved radioaktivt forfall , der det ikke er behov for noen utvendig årsak.

Naturlig transmutasjon ved stjernenukleosyntese i det siste skapte de fleste av de tyngre kjemiske elementene i det kjente eksisterende universet, og fortsetter å finne sted til i dag, og skaper de aller fleste av de vanligste elementene i universet, inkludert helium , oksygen og karbon . De fleste stjerner utfører transmutasjon gjennom fusjonsreaksjoner som involverer hydrogen og helium, mens mye større stjerner også er i stand til å smelte tyngre grunnstoffer opp til jern sent i utviklingen.

Elementer som er tyngre enn jern, for eksempel gull eller bly , skapes gjennom elementære transmutasjoner som bare naturlig kan forekomme i supernovaer . Når stjerner begynner å smelte sammen tyngre grunnstoffer, frigjøres vesentlig mindre energi fra hver fusjonsreaksjon. Dette fortsetter til det når jern som produseres ved en endoterm reaksjon som bruker energi. Ingen tyngre element kan produseres under slike forhold.

En type naturlig transmutasjon som kan observeres i nåtiden, oppstår når visse radioaktive elementer i naturen spontant forfaller ved en prosess som forårsaker transmutasjon, for eksempel alfa- eller beta -forfall . Et eksempel er det naturlige forfallet av kalium-40 til argon-40 , som danner det meste av argonet i luften. Også på jorden forekommer naturlige transmutasjoner fra de forskjellige mekanismene for naturlige kjernefysiske reaksjoner , på grunn av kosmisk strålebombardering av elementer (for eksempel for å danne karbon-14 ), og også noen ganger fra naturlig nøytronbombardement (se for eksempel naturlig atomfisjonreaktor ).

Kunstig transmutasjon kan forekomme i maskiner som har nok energi til å forårsake endringer i atomkjernestrukturen til elementene. Slike maskiner inkluderer partikkelakseleratorer og tokamak -reaktorer. Konvensjonelle fisjonskraftreaktorer forårsaker også kunstig transmutasjon, ikke fra maskinens kraft, men ved å eksponere elementer for nøytroner produsert ved fisjon fra en kunstig produsert kjernekjedereaksjon . For eksempel, når et uranatom blir bombardert med langsomme nøytroner, skjer fisjonen. Dette frigjør i gjennomsnitt 3 nøytroner og en stor mengde energi. De frigjorte nøytronene forårsaker deretter fisjon av andre uranatomer, til alt tilgjengelig uran er oppbrukt. Dette kalles en kjedereaksjon .

Kunstig kjernefysisk transmutasjon har blitt ansett som en mulig mekanisme for å redusere volum og fare for radioaktivt avfall .

Historie

Alkymi

Begrepet transmutasjon dateres tilbake til alkymi . Alkymister forfulgte filosofens stein , i stand til chrysopoeia - transformasjon av uedle metaller til gull. Mens alkymister ofte forsto chrysopoeia som en metafor for en mystisk eller religiøs prosess, adopterte noen utøvere en bokstavelig tolkning og prøvde å lage gull gjennom fysiske eksperimenter. Umuligheten av den metalliske transmutasjonen hadde blitt diskutert blant alkymister, filosofer og forskere siden middelalderen. Pseudo-alkymisk transmutasjon ble forbudt og offentlig hånet fra det fjortende århundre. Alkymister som Michael Maier og Heinrich Khunrath skrev traktater som avslørte uredelige påstander om gullfremstilling. På 1720 -tallet var det ikke lenger noen respektable figurer som forfulgte fysisk overføring av stoffer til gull. Antoine Lavoisier , på 1700 -tallet, erstattet den alkymiske elementsteorien med den moderne teorien om kjemiske elementer, og John Dalton videreutviklet ideen om atomer (fra den alkymiske teorien om legemer ) for å forklare ulike kjemiske prosesser. Oppløsning av atomer er en distinkt prosess som involverer mye større energier enn alkymister kan oppnå.

Moderne fysikk

Det ble først bevisst brukt på moderne fysikk av Frederick Soddy da han, sammen med Ernest Rutherford i 1901, oppdaget at radioaktivt thorium konverterte seg til radium . I erkjennelsestidspunktet, husket Soddy senere, ropte han: "Rutherford, dette er transmutasjon!" Rutherford slo tilbake: "For Kristi skyld, Soddy, ikke kall det transmutasjon . De vil ha hodet av oss som alkymister."

Rutherford og Soddy observerte naturlig transmutasjon som en del av radioaktivt forfall av typen alfa -forfall . Den første kunstige transmutasjonen ble oppnådd i 1925 av Patrick Blackett , stipendiat som jobbet under Rutherford, med transmutasjon av nitrogen til oksygen , ved bruk av alfapartikler rettet mot nitrogen ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + s. Rutherford hadde vist i 1919 at et proton (han kalte det et hydrogenatom) ble sendt ut fra alfa -bombardementforsøk, men han hadde ingen informasjon om gjenværende kjerne. Blacketts eksperimenter fra 1921-1924 ga det første eksperimentelle beviset på en kunstig atomtransmutasjonsreaksjon. Blackett identifiserte korrekt den underliggende integreringsprosessen og identiteten til gjenværende kjerne. I 1932 ble en fullstendig kunstig atomreaksjon og atomtransmutasjon oppnådd av Rutherfords kolleger John Cockcroft og Ernest Walton , som brukte kunstig akselererte protoner mot litium-7 for å dele kjernen i to alfapartikler. Bragden ble populært kjent som "splittelse av atomet", selv om det ikke var den moderne atomfisjonreaksjonen som ble oppdaget i 1938 av Otto Hahn , Lise Meitner og deres assistent Fritz Strassmann i tunge elementer.

Senere på det tjuende århundre ble transmutasjonen av elementer i stjernene utdypet, og sto for den relative mengden av tyngre elementer i universet. Bortsett fra de fem første elementene, som ble produsert i Big Bang og andre kosmiske stråleprosesser, sto stjernenukleosyntese for overflod av alle grunnstoffene som var tyngre enn bor . I sin 1957 papir Syntese av elementene i Stars , William Alfred Fowler , Margaret Burbidge , Geoffrey Burbidge , og Fred Hoyle forklart hvordan Forekomsten av egentlig alle, men de letteste grunnstoffene kunne forklares ved hjelp av fremgangs nucleosynthesis i stjerner.

Under sann kjernefysisk transmutasjon er det langt lettere å gjøre gull til bly enn omvendt reaksjon, som alkymistene ivrig hadde forfulgt. Det ville være lettere å konvertere gull til bly via nøytronfangst og beta -forfall ved å la gull stå i en atomreaktor i lang tid.

Glenn Seaborg produserte flere tusen gullatomer fra vismut , men med et nettotap.

For mer informasjon om gullsyntese, se Syntese av edle metaller .

¹⁹⁷ Au + n → ¹⁹⁸ Au ( halveringstid 2,7 dager) → ¹⁹⁸ Hg + n → ¹⁹⁹ Hg + n → ²⁰⁰ Hg + n → ²⁰¹ Hg + n → ²⁰² Hg + n → ²⁰³ Hg (halveringstid 47 dager) → ²⁰³ Tl + n → ²⁰⁴ Tl (halveringstid 3,8 år) → ²⁰⁴ Pb

Transmutasjon i universet

Den Big Bang er antatt å være opprinnelsen til hydrogen (inkludert alle deuterium ) og helium i universet. Hydrogen og helium utgjør til sammen 98% av massen av vanlig materie i universet, mens de andre 2% utgjør alt annet. Big Bang produserte også små mengder litium , beryllium og kanskje bor . Mer litium, beryllium og bor ble produsert senere, i en naturlig atomreaksjon, kosmisk strålespallasjon .

Stjernernukleosyntese er ansvarlig for alle de andre elementene som forekommer naturlig i universet som stabile isotoper og urnuklid , fra karbon til uran . Disse skjedde etter Big Bang, under stjernedannelse. Noen lettere elementer fra karbon til jern ble dannet i stjerner og sluppet ut av verdensrommet av asymptotiske gigantiske gren (AGB) stjerner. Dette er en type rød gigant som "puster" av den ytre atmosfæren, og inneholder noen elementer fra karbon til nikkel og jern. Alle grunnstoffer med atomvekt større enn 64 atommassenheter produseres i supernova- stjerner ved hjelp av nøytronfangst , som deles inn i to prosesser: r-prosess og s-prosess .

Den Solar Systemet er antatt å ha kondensert omtrent 4,6 milliarder år før nåtiden, fra en sky av hydrogen og helium som inneholder tyngre elementer i støvkorn som er dannet på forhånd ved et stort antall av slike stjerner. Disse kornene inneholdt de tyngre elementene dannet ved transmutasjon tidligere i universets historie.

Alle disse naturlige transmutasjonsprosessene i stjerner fortsetter i dag, i vår egen galakse og i andre. Stjerner smelter hydrogen og helium inn i tyngre og tyngre grunnstoffer for å produsere energi. For eksempel viser de observerte lyskurvene til supernova -stjerner som SN 1987A at de sprenger store mengder (sammenlignbar med jordens masse) av radioaktivt nikkel og kobolt i verdensrommet. Imidlertid når lite av dette materialet Jorden. Mest naturlig transmutasjon på jorden i dag er formidlet av kosmiske stråler (for eksempel produksjon av karbon-14 ) og av det radioaktive forfallet av radioaktive urnuklider som er igjen fra den første dannelsen av solsystemet (som kalium-40 , uran og thorium ), pluss det radioaktive forfallet av produkter fra disse nuklidene (radium, radon, polonium, etc.). Se forfallskjede .

Kunstig transmutasjon av atomavfall

Oversikt

Transmutasjon av transuranelementer (dvs. actinider minus actinium til uran ) som isotoper av plutonium (ca. 1 vekt% i lettvannsreaktorers brukte kjernebrensel eller de mindre aktinidene (MA, dvs. neptunium , americium og curium ), ca. 0,1 wt % hver i lettvannsreaktorer brukt kjernebrensel) har potensial til å løse noen problemer ved håndtering av radioaktivt avfall ved å redusere andelen langlivede isotoper den inneholder. (Dette utelukker ikke behovet for et dypt geologisk depot for avfall med høyt radioaktivt nivå .) Ved bestråling med raske nøytroner i en atomreaktor kan disse isotopene gjennomgå atomfisjon , ødelegge den opprinnelige actinide -isotopen og produsere et spektrum av radioaktive og ikke -radioaktive fisjonprodukter .

Keramiske mål som inneholder aktinider kan bombarderes med nøytroner for å indusere transmutasjonsreaksjoner for å fjerne de vanskeligste langlivede artene. Disse kan bestå av aktinidholdige faste løsninger som (Am, Zr) N , (Am, Y) N , (Zr, Cm) O
2, (Zr, Cm, Am) O
2, (Zr, Am, Y) O
2eller bare aktinidfaser som AmO
2, NpO
2, NpN , AmN blandet med noen inerte faser som MgO , MgAl
2O
4, (Zr, Y) O
2, TiN og ZrN . Rollen til ikke-radioaktive inerte faser er hovedsakelig å gi stabil mekanisk oppførsel til målet under nøytronbestråling.

Det er imidlertid problemer med denne P & T -strategien (partisjonering og transmutasjon):

• For det første er det begrenset av det kostbare og tungvintige behovet for å skille isotoper med lang levetid, før de kan gjennomgå transmutasjon.
• på grunn av deres små nøytronfangstverrsnitt, klarer ikke noen langlivede fisjonprodukter å fange opp nok nøytroner for at effektiv transmutasjon skal oppstå.

Den nye studien ledet av Satoshi Chiba ved Tokyo Tech (kalt "Metode for å redusere langlivede fisjonprodukter ved atomtransmutasjoner med raske spektrumreaktorer") viser at effektiv transmutasjon av langlivede fisjonprodukter kan oppnås i hurtigspektrumreaktorer uten behov for isotopseparasjon. Dette kan oppnås ved å legge til en yttriumdeuterid -moderator .

Reaktortyper

For eksempel kan plutonium bearbeides til blandet oksidbrensel og omdannes til standardreaktorer. De tyngre elementene kan transmitteres i raske reaktorer , men sannsynligvis mer effektivt i en subkritisk reaktor som noen ganger er kjent som en energiforsterker og som ble utviklet av Carlo Rubbia . Fusjons nøytronkilder har også blitt foreslått som godt egnet.

Drivstofftyper

Det er flere drivstoff som kan innlemme plutonium i sin opprinnelige sammensetning i begynnelsen av syklusen og ha en mindre mengde av dette elementet på slutten av syklusen. I løpet av syklusen kan plutonium brennes i en kraftreaktor og generere elektrisitet. Denne prosessen er ikke bare interessant ut fra et kraftproduksjonssynspunkt, men også på grunn av dens evne til å forbruke plutonium av overskudd av våpen fra våpenprogrammet og plutonium som følge av opparbeidelse av brukt atombrensel.

Blandet oksidbrensel er en av disse. Blandingen av oksider av plutonium og uran utgjør et alternativ til det lavberikede uranbrenselet som hovedsakelig brukes i lettvannsreaktorer. Siden uran er tilstede i blandet oksid, selv om plutonium vil bli brent, vil andre generasjons plutonium bli produsert gjennom strålingsfangst av U-238 og de to påfølgende beta minus forfallene.

Drivstoff med plutonium og thorium er også et alternativ. I disse fanges nøytronene som frigjøres i fisjonen av plutonium av Th-232. Etter denne strålingsfangsten blir Th-232 Th-233, som gjennomgår to beta-minusforfall som resulterer i produksjon av den splittelige isotopen U-233. Det strålende fangsttverrsnittet for Th-232 er mer enn tre ganger det for U-238, noe som gir en høyere konvertering til splittbart drivstoff enn det fra U-238. På grunn av fravær av uran i drivstoffet produseres det ikke andre generasjon plutonium, og mengden brent plutonium vil være høyere enn i blandede oksidbrensel. U-233, som er splittet, vil imidlertid være tilstede i det brukte atombrenselet. Plutonium av våpenkvalitet og reaktorkvalitet kan brukes i plutonium-thorium-drivstoff, med plutonium av våpenklasse som viser en større reduksjon i mengden Pu-239.

Levetids fisjonprodukter

Noen radioaktive fisjonprodukter kan omdannes til radioisotoper med kortere levetid ved transmutasjon. Transmutasjon av alle fisjonprodukter med halveringstid større enn ett år studeres i Grenoble, med varierende resultater.

Sr-90 og Cs-137 , med halveringstider på omtrent 30 år, er de største strålingsutslippene (inkludert varme) i brukt atombrensel i en skala fra tiår til ~ 305 år (Sn-121m er ubetydelig på grunn av det lave utbyttet ), og blir ikke lett transmuteres fordi de har lav nøytronabsorpsjon tverrsnitt . I stedet skal de bare lagres til de forfaller. Gitt at denne lengden på lagring er nødvendig, kan fisjonproduktene med kortere halveringstid også lagres til de henfaller.

Det neste fisjonproduktet med lengre levetid er Sm-151 , som har en halveringstid på 90 år, og er en så god nøytronabsorber at det meste av det transmitteres mens atombrenselet fortsatt brukes; Imidlertid ville en effektiv overføring av gjenværende Sm-151 i atomavfall kreve separasjon fra andre isotoper av samarium . Gitt de mindre mengdene og lavenergiradioaktiviteten, er Sm-151 mindre farlig enn Sr-90 og Cs-137 og kan også la stå til forfall i ~ 970 år.

Til slutt er det 7 langlivede fisjonprodukter . De har mye lengre halveringstid i området 211 000 år til 15,7 millioner år. To av dem, Tc-99 og I-129 , er mobile nok i miljøet til å være potensielle farer, er frie eller stort sett fri for blanding med stabile isotoper av det samme elementet, og har nøytrontverrsnitt som er små, men tilstrekkelige til å støtte transmutasjon. Tc-99 kan også erstatte U-238 ved å levere Doppler-utvidelse for negativ tilbakemelding for reaktorstabilitet. De fleste studier av foreslåtte transmutasjonsordninger har antatt ⁹⁹ Tc , ¹²⁹ I og transuranelementer som mål for transmutasjon, med andre fisjonprodukter, aktiveringsprodukter og muligens opparbeidet uran som avfall.

Av de resterende 5 langlivede fisjonproduktene produseres Se-79 , Sn-126 og Pd-107 bare i små mengder (i hvert fall i dagens termiske nøytron , U-235- brennende lettvannsreaktorer ) og de to siste bør være relativt inert. De to andre, Zr-93 og Cs-135 , produseres i større mengder, men heller ikke veldig mobile i miljøet. De blandes også med større mengder andre isotoper av det samme elementet.

Se også

• Nøytronaktivering
• Kjernekraft
• Liste over teknologi for behandling av atomavfall
• Syntese av edle metaller
• Fruktbart materiale

Referanser

Eksterne linker

• "Radioactive change", artikkel fra Rutherford & Soddy (1903), online og analysert på Bibnum [klikk 'à télécharger' for engelsk versjon] .