A nukleáris erőművek1 üzemanyaga az urán-235 izotópban enyhén dúsított urán.2 Ez az izotóp képes az elektromos energia előállításához szükséges szabályozott nukleáris láncreakció fenntartására. A láncreakció eredményeként neutronok keletkeznek, amelyek radioaktivitást idéznek elő az üzemanyagban, a hűtővízben és a reaktor szerkezeti elemeiben.
A radioaktivitást elsősorban olyan folyamatok idézik elő, amelyek során az üzemanyagban lévő uránatomok befogják a neutronokat. A hasadás akkor következik be, amikor az urán-235 atom (és ritkábban az urán-238 atom)atommagja neutront fog be, instabillá válik, és két és (ritkán)három3 könnyű atommagra hasad; ezeket az atommagokat nevezzük hasadási termékeknek.Az urán hasadása a hasadási termékek bimodális tömegeloszlását eredményezi, amelyet a D.1. ábra mutat. A leggyakoribb hasadási termékek tömegszáma 90 és 137 körül van (például a stroncium-90 és a cézium-137).
Az atomerőművi reaktorban keletkező hasadási termékek a perióduson átívelnek. Ezek közé tartoznak:
-
nemes gázok, például kripton-85 és xenon-133.
-
halogének, például jod-131.
D.1. ábraAz urán-235 termikus neutronok általi hasadásából származó tömegeloszlások.
FORRÁS:
-
Alkalifémek, például cézium-137.
-
Alkaliföldfémek, például stroncium-90.
-
Alkaliföldfémek, például stroncium-90.
-
Ritkábban az uránatomok hármas hasadásából származó hidrogén-3, közismertebb nevén asztritium (T).
A neutronbefogás az egyik kémiai elemnek a másikba történő transzmutációjával is kiválthat radioaktivitást. A transzmutációs folyamat magrészecskék (pl. protonok) és sugárzás kibocsátását eredményezi az atommagból. Az erőművi reaktorokban jelentős transzmutációs reakciók és termékek közé tartoznak a következők:
-
Nitrogén-16 keletkezése egy neutron befogásával egy oxigénatom magja által: oxigén-16 + neutron-> nitrogén-16 + proton (rövidítve16O(n, p)16N). A nitrogén-16 felezési ideje rövid (7 másodperc), és elsősorban az atomerőművekben dolgozókra jelent veszélyt.
-
Szén-14 előállítása a nitrogén-, oxigén- vagy szénatomok atommagjának neutronbefogásával: 14N(n,p)14C; 13C(n,y)14C;17O(n,a)14C.
-
Tritium (T) előállítása egy neutron befogásával egy bóratom atommagja által: 10B(n,2a)T. Ez egy fontos reakció a nyomottvizes reaktorokban, amelyek bórt használnak a hűtővízben a reaktivitás szabályozására.
-
Tritium előállítása neutron befogásával egy deutériumatom által, amely természetesen jelen van a reaktor hűtővizében.
A neutronbefogás radioaktivitást okozhat aktiválással is. A neutron befogása gerjeszti a magot, amely sugárzás kibocsátásával gyorsan egy kevésbé energikus állapotba bomlik. Az erőművi reaktorokban jelentős aktiválási reakciók és termékek közé tartoznak a következők:
-
Kobalt-60 előállítása kobalt-59-ből a59Co(n, y)60Co reakció révén.
-
Vas-55 előállítása vas-54-ből a54Fe(n, y)55Fe reakció révén.
A kobalt-60 és a vas-55 gyakori aktiválódási termékek a reaktorok szerkezeti elemeiben.
Az ilyen neutronbefogási folyamatok során keletkező izotópok szinte mindig radioaktívak. Bomlásuk alfa-, béta- és gammasugárzás kibocsátásával jár, és mind radioaktív, mind nem radioaktív bomlástermékek keletkeznek. Az atomenergia-reaktorokban különösen fontos bomlási reakció a következő:
Ez a reakció az urán-238 neutronbefogásával, majd két béta-bomlással plutónium-239-et állít elő.
A neutronbefogás során kibocsátott részecskék és egyéb sugárzás kölcsönhatásba léphet az üzemanyag, a hűtőközeg és a reaktor szerkezetében lévő atomokkal, és további radioaktivitást hozhat létre. Például az energikus elektronok kölcsönhatása a reaktorban lévő anyagokkal a bremsstrahlung néven ismert fotonok kibocsátását eredményezi. Ez a sugárzás halványkék izzásként jelenik meg, amikor az elektronok kölcsönhatásba lépnek a reaktorban lévő hűtővízzel és a kiégett üzemanyagtárolókkal.
Lábjegyzetek
1
Az atomerőművek és az atomerőművek kifejezések olyan reaktorokra utalnak, amelyeket kereskedelmi alapon villamos energia előállítására használnak. Az ilyen reaktorok jellemzően 1000 megawatt villamos energiát és 3000 megawatt hőenergiát termelnek.
2
A természetes urán körülbelül 99,3 százalék urán-238-at és 0,7 százalék urán-235-öt tartalmaz. Az erőművi reaktorokban használt üzemanyagot általában 3-5 százalékos urán-235-tartalommal dúsítják.
3
Az úgynevezett hármas hasadás.