Alai

Ydinvoimareaktoreissa1 käytetään polttoaineena uraania, joka on hieman rikastettu isotoopilla uraani-235.2 Tämä isotooppi pystyy ylläpitämään hallittua ydinvoiman ketjureaktiota, jota tarvitaan sähköenergian tuottamiseen. Ketjureaktio tuottaa neutroneita, jotka aiheuttavat radioaktiivisuutta polttoaineessa, jäähdytysvedessä ja reaktorin rakenteellisissa komponenteissa.

Radioaktiivisuus syntyy pääasiassa prosesseissa, joissa polttoaineessa olevat uraaniatomit vangitsevat neutroneita. Fissio tapahtuu, kun uraani-235-atomin (ja harvemmin uraani-238-atomin)ydin vangitsee neutronin, muuttuu epävakaaksi ja jakautuu kahdeksi ja (harvoin)kolmeksi3 kevyeksi ytimeksi; näitä ytimiä kutsutaan fissiotuotteiksi.Uraanin fissiossa syntyy fissiotuotteiden bimodaalinen massajakauma, joka on esitetty kuvassa D.1. Yleisimpien fissiotuotteiden massaluvut ovat noin 90 ja 137 (esimerkiksi strontium-90 ja cesium-137).

Ydinvoimareaktorissa syntyvät fissiotuotteet kattavat jakson. Niitä ovat:

• Nobelkaasut, esimerkiksi krypton-85 ja ksenon-133.
• Halogeenit, esimerkiksi jodi-131.

KUVA D.1Uraani-235:n fissiosta termisten neutronien avulla syntyvät massajakaumat.

LÄHDE: Data from Joint Evaluated Fission and Fusion File,Incident-neutron data, http://www-nds.iaea.org/exfor/endf00.htm, 2.10.2006; ks. http://www-nds.iaea.org/sgnucdat/c1.htm.

• Alkalimetallit, esimerkiksi cesium-137.
• Alkalimaametallit, esimerkiksi strontium-90.
• Vähemmän yleisesti vety-3, yleisemmin astritium (T), joka on peräisin uraaniatomien ternäärisestä fissiosta.

Neutronisieppaus voi synnyttää radioaktiivisuutta myös siten, että yksi kemiallinen alkuaine muuntuu toiseksi. Transmutaatioprosessi johtaa ydinhiukkasten (esim. protonien) ja säteilyn vapautumiseen ytimestä. Joitakin transmutaatioreaktioita ja -tuotteita, joilla on merkitystä energiareaktoreissa, ovat muun muassa seuraavat:

• Typpi-16:n tuottaminen kaappaamalla neutroni happiatomin ytimeen: happi-16 + neutroni – > typpi-16 + protoni (lyhenne16O(n, p)16N). Typpi-16:n puoliintumisaika on lyhyt (7 sekuntia), ja se on ensisijaisesti vaaraksi ydinvoimaloiden työntekijöille.
• Hiili-14:n tuotanto typpi-, happi- tai hiiliatomien ytimien sieppaamalla neutroneja: 14N(n,p)14C; 13C(n,y)14C;17O(n,a)14C.
• Tritiumin (T) tuottaminen vangitsemalla neutroni booriatomin ytimeen: 10B(n,2a)T. Tämä on tärkeä reaktio painevesireaktoreissa, jotka käyttävät jäähdytysvedessä olevaa booria reaktiivisuuden hallitsemiseksi.
• Tritiumin tuotanto neutronin vangitsemisen kautta deuteriumatomilla, jota on luonnostaan reaktorin jäähdytysvedessä.

Neutronin vangitseminen voi synnyttää radioaktiivisuuttakin aktivaation kautta. Neutronin sieppaus herättää ytimen, joka hajoaa nopeasti vähemmän energiseen tilaan säteilemällä säteilyä. Voimalaitosreaktoreissa merkittäviä aktivoitumisreaktioita ja -tuotteita ovat muun muassa seuraavat:

• Koboltti-60:n tuottaminen koboltti-59:stä reaktiolla59Co(n, y)60Co.
• Rauta-55:n tuottaminen rauta-54:stä reaktiolla54Fe(n, y)55Fe.

Koboltti-60 ja rauta-55 ovat yleisiä aktivoitumistuotteita reaktoreiden rakenneosissa.

Näissä neutronikaappausprosesseissa syntyvät isotoopit ovat lähes ainaradioaktiivisia. Niiden hajoamiseen liittyy alfa-, beeta- ja gammasäteilyä, joka tuottaa sekä radioaktiivisia että ei-radioaktiivisia hajoamistuotteita. Ydinvoimareaktoreissa erityisen tärkeä hajoamisreaktio on seuraava:

Tässä reaktiossa syntyy plutonium-239:ää uraani-238:n neutronisieppauksella, jota seuraa kaksi beetahajoamista.

Neutronisieppauksen aikana emittoituvat hiukkaset ja muu säteily voivat olla vuorovaikutuksessa polttoaineen, jäähdytysnesteen ja reaktorin rakenteissa olevien atomien kanssa ja näin tuottaa lisää radioaktiivisuutta. Esimerkiksi energeettistenelektronien vuorovaikutus reaktorissa olevien materiaalien kanssa johtaa fotonien emissioon, joka tunnetaan nimellä bremsstrahlung. Tämä säteily näkyy heikosti sinisenä hehkuna, kun elektronit vuorovaikuttavat reaktorin jäähdytysveden ja käytetyn polttoaineen altaiden kanssa.