核嬗变是一种化学元素转化成另外一种元素,或一种化学元素的某种同位素转化为另一种同位素的过程。能够引发核嬗变的核反应包括一个或多个粒子(如质子中子以及原子核)与原子核发生碰撞后引发的反应,也包括原子核的自发衰变。 但反过来说,原子核的自发衰变或者与其他粒子的碰撞并不一定都导致核嬗变。比如,γ衰变以及同它有关的内转换过程就不会导致核嬗变。核嬗变既可以自然发生,也可以人工引发。

天然核嬗变和人工核嬗变

天然核嬗变创造了自然界所有天然存在的化学元素。目前我们仍然能够观察到天然核嬗变的发生,比如某些核素α衰变β衰变。一个例子是空气中的-40大部分来自-40的衰变。另外,高能宇宙射线一直在不停的轰击地球大气层,形成一些新的核素,比如碳-14。最后,在某些特殊的条件下和环境中,自然中子亦可以引发裂变反应,比如在加蓬奥克洛天然核反应堆人工核嬗变可以通过粒子加速器托卡马克核反应堆来实现。通过把长寿、高放射性的核素转变为短寿或者稳定、低放射性的核素,人工核嬗变也许可以用来降低核废料的放射性和毒性,或缩减其体积。

历史

嬗变一词可以追溯到炼金术时代。炼金术士追求能够点石成金的贤者之石,用它将贱金属转化为黄金。一些炼金术士认为“点石成金”是一种宗教过程,仅具有宗教或信仰的含义;但另一些却笃信确实有这样的能力存在,于是开展各种各样的实验,试图制备黄金。在中世纪,“点石成金”的可能性在炼金术士、哲学家和科学家之中受到广泛争议。到了14世纪初,炼金术在欧洲一些国家被法律禁止,并在公共场合受到嘲笑。[1]当时有名的古代化学家麦克·梅尔和海因里希·杭拉斯还写过小册子,曝光那些声称点金成功的骗子。到18世纪20年代,已经没有知名人士在从事点石成金的活动。[2] 拉瓦锡以现代化学元素理论代替了炼金术士的元素理论。道尔顿在炼金术原子论(Corpuscularianism)的基础上进一步发展了现代原子理论,并用该理论来解释各种各样的化学反应。

1901年,索迪卢瑟福发现放射性的可以自发转变为。索迪后来回忆说,他当时喊道:“卢瑟福,这是嬗变!”卢瑟福回答:“索迪,看在上帝的份上,别叫它嬗变。他们会把我们当作炼金术士砍头的!”[3][4][5]

卢瑟福和索迪观察到的正是钍的α衰变过程,属于天然核嬗变。1919年,卢瑟福用放射性元素衰变产生的α粒子轰击氮气,首次通过人工核嬗变制得-17:[6]

14N + 4
2
He
17O + p

这也是人类第一次观察到核反应。1932年,卢瑟福的同事考克饶夫沃尔顿完成第一个完全人工的核反应:用人工加速的质子轰击-7核,使之裂变成两个α粒子。[7]1938年,哈恩和他的助手斯特拉斯曼(Fritz Strassmann )发现了重核的裂变[8]

1957年,福勒等人在其论文中详细阐述了恒星中的核嬗变理论,能够解释宇宙中重元素的相对丰度。[9]根据这个理论,元素周期表中只有是在大爆炸和某些宇宙射线作用下产生。除这五种元素之外的其他元素均是由恒星核合成过程产生的。

事实证明,用核嬗变的方法从制备黄金不但比炼金术点石成金要容易得多,而且比把黄金转化为铅也要容易。[10]西博格等人曾用加速器制取黄金。[11]但是这个反应得不偿失,不可能有任何商业应用的前景。

209Pb (半衰期 3.253小时)→209Bi (半衰期 4.6x1019年,稳定同位素)

209Bi (12C,X)Au

209Bi (20Ne,X)Au

如果想把黄金转化为铅,则需要把黄金放在反应堆中,通过长时间的中子俘获β衰变,方可以得到铅。

197Au + n198Au (半衰期2.7天) → 198Hg + n → 199Hg + n → 200Hg + n → 201Hg + n → 202Hg + n → 203Hg (半衰期47天) → 203Tl + n → 204Tl (半衰期3.8年) → 204Pb (半衰期 1.4x1017年)

宇宙中的核嬗变

现在一般接受的理论认为宇宙中的氢、皆起源于大爆炸。氢和氦加起来,占宇宙中所有正常物质的98%。大爆炸之后的太初核合成也制造了一小部分锂、铍和硼。现在观测到的大部分锂、铍和硼是后来在自然核反应宇宙射线散裂中产生的。元素周期表中从的稳定核素均是在大爆炸之后的恒星核合成中形成。从碳到的较轻元素由渐近巨星分支中的恒星合成并释放到宇宙空间。处于这个阶段的恒星将膨胀而成为红巨星,并且以恒星风的形式损失大量的物质和尘埃,包括从碳到和铁等元素。原子量大于64的元素都是在超新星中合成和释放,大多由轻核经过中子俘获而生成。

今天恒星里的核嬗变仍在在进行。比如,超新星SN_1987A爆发时,其光度曲线证实大量的放射性镍和铁被抛向宇宙空间,其质量相当于一个地球。地球上的自然核嬗变也没有停息。比如宇宙射线一直在不停地轰击大气层,制造碳-14。另外,自然界中的放射性矿物也在不停地衰变,比如。它们产生的一些衰变产物,还能继续衰变,比如等。(参见衰变链

核废料的人工核嬗变

概述

理论上,某些高放射性并长寿的超铀元素锕系元素),比如等可以通过人工核嬗变的方式转化为或者短寿或者稳定或者具有较低放射性的核素。这将有助于核废料的处理和再处理。在反应堆中用快中子辐照后,这些元素能够裂变,产生原子量较小的裂变产物。这些产物或者具有放射性,或者是稳定核素。通过嬗变,就达到了减少锕系元素、并降低放射性的目的。

常用的方法是将含有锕系元素的陶瓷靶子放在反应堆中用中子轰击。靶子可以是含有锕系元素的固体溶液,比如(Am,Zr)N, (Am,Y)N, (Zr,Cm)O2, (Zr,Cm,Am)O2, (Zr,Am,Y)O2,也可以是其氧化物和氮化物(如AmO2, NpO2, NpN, AmN)同惰性介质(像MgO, MgAl2O4, (Zr,Y)O2, TiN和ZrN)烧结而成。惰性介质的主要作用是增强样品结构强度,否则靶子在中子的轰击下可能很快粉碎。[12]

反应堆类型

钚可以被制成金属氧化物核燃料而直接在热中子反应堆中嬗变。更重的元素则必须使用快中子堆或者亚临界反应堆。原则上核聚变反应堆也可以用于嬗变的目的。[13][14][15]

燃料类型

有几种核燃料可以在其初始燃料燃料循环中使用钚,用于商业发电。这个过程一举两得:不但产生电力,还可以消耗武器级的钚以及来自乏燃料再处理过程的钚。金属氧化物燃料包含铀和钚的氧化物,可以替代低浓缩铀,主要用于轻水堆。这种燃料里的钚可以经过燃烧而消耗。但因为其含有铀-238,经过中子俘获后会产生次生的钚。

钍也可以和钚一起制成混合燃料。在这种燃料中,钚裂变释放出的中子被钍-232吸收,嬗变为钍-233。后者经过两次β衰变后变成裂变材料铀-233。钍-232是一种很好的增殖性材料,其中子俘获截面比铀-238大三倍,所以转化率高。此燃料中钚的燃烧深度也大于金属氧化物核燃料。因为其中不含铀,不会产生次生的钚。武器级钚和反应堆级钚皆可以用于钍-钚混合燃料。

人工核嬗变锕系元素的原因

钚的同位素和其他许多锕系元素的半衰期比较长,一般都在几千年以上。而放射性衰变产物除长寿命裂变产物外,一般半衰期比较短。比如最长寿的中等寿命裂变产物钐-151半衰期为90年。因此从处理核废料的角度讲,人工核嬗变能消除长寿裂变产物,把它们转换成低放射性和短寿或稳定同位素,可以大大缩短处理周期。

放射性核素的危险性不仅仅在于其放射性。有些核素具有毒性,有些则具有其他生理活性。比如在生物体内,经过1-4个月便可以排出一半,但是就很难排出体外。因此在等同的放射性剂量下,摄入锶和镭后造成的伤害要远比摄入铯大得多。[16]

许多锕系元素的放射毒性很强。它们大多是α辐射源,而且很难排出体外。核嬗变的目的在于把这些元素转化成短寿的裂变产物。那些产物中,能在生物体积累的核素危害最大,比如碘-131能在甲状腺中积累。这给人工核嬗变锕系元素的设想带来一定的困难。但是,人们希望通过合理设计核燃料和嬗变反应堆,将这些威胁比较大的核素同环境和生物隔绝开来。在中等寿命裂变产物中,锶-90和铯-137威胁较大。它们的半衰期都在30年左右。铯-137迁移能量很强。乏燃料再处理工厂工作的工人所吸收的大部分外源γ辐射剂量 都来自于铯-137[17];2005年,在切尔诺贝利核电站原址工作的工人吸收的γ射线剂量大部分也来自于铯-137。[18]

长寿命裂变产物

长寿命裂变产物
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
中等寿命裂变产物
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

有人曾在实验中将半衰期一年以上的裂变产物用核嬗变转化为短寿裂变产物,结果参差不齐。[19] 锶-90和铯-137不容易经嬗变而消除,因为它们的中子俘获截面比较小。安全的处理方法就是将其储存起来,一直到它们大部分衰变为止。到锶-90和铯-137衰变趋于完全的时候,大部分短寿命裂变产物已经消失。

钐-151的半衰期为90年。它的中子俘获截面比较大,因此在反应堆中就会经过嬗变而转化成其它核素。但如果想彻底嬗变乏燃料中的钐-151,就必须分离它的其它同位素。因为其产额祇有0.5%且放射性较低,比较经济的处理方法是在储存中任其衰变。

在七种长寿命裂变产物中,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[20][21]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。[22]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。这两种核素的中子俘获截面足够大,可以经过嬗变而除去。许多嬗变研究都以锝-99、碘-129和超铀元素作为主要嬗变目标,而其他裂变产物、激活产物、甚至再处理铀都被当作废料处理。[23]

其它五种长寿裂变产物中,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%。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。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,对人类健康影响也不大。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具有挥发性,可以用高温挥发的办法分离。[24]

参见

参考文献

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