Alai

Nucleaire kernreactoren1 worden gevoed met uranium dat licht verrijkt is in de isotoop uranium-235.2 Deze isotoop is in staat een gecontroleerde nucleaire kettingreactie in stand te houden die noodzakelijk is voor de productie van elektrische energie. De kettingreactie resulteert in de productie van neutronen die radioactiviteit induceren in de splijtstof, het koelwater en de structurele componenten van de reactor.

Radioactiviteit wordt voornamelijk geïnduceerd door processen waarbij neutronen worden gevangen door uraniumatomen in de splijtstof. Splijting treedt op wanneer de kern van een uranium-235 atoom (en minder vaak een uranium-238 atoom) een neutron vangt, instabiel wordt en zich splitst in twee en (zelden) drie3 lichte kernkernen; deze kernkernen worden splijtingsproducten genoemd. De meest voorkomende splijtingsproducten hebben massagetallen rond 90 en 137 (bijvoorbeeld strontium-90 en cesium-137).

De splijtingsproducten die in een kernreactor worden geproduceerd, bestrijken de periode die kan worden overzien. Zij omvatten:

• Noble gassen, bijvoorbeeld krypton-85 en xenon-133.
• Halogenen, bijvoorbeeld jodide-131.

FIGUUR D.1Massaverdelingen als gevolg van de splijting van uranium-235 door thermische neutronen.

BRON: Gegevens uit Joint Evaluated Fission and Fusion File,Incident-neutron data, http://www-nds.iaea.org/exfor/endf00.htm, 2 oktober 2006; zie http://www-nds.iaea.org/sgnucdat/c1.htm.

• Alkalimetalen, bijvoorbeeld cesium-137.
• Alkalische aardmetalen, bijvoorbeeld strontium-90.
• Lager gebruikelijk is waterstof-3, meer algemeen aangeduid als astritium (T), afkomstig van de ternaire splijting van uraniumatomen.

Neutronenvangst kan ook radioactiviteit induceren door de transmutatie van een chemisch element in een ander. Het transmutatieproces resulteert in de emissie van kerndeeltjes (b.v. protonen) en straling uit de kern. Enkele transmutatiereacties en -producten die van belang zijn in energiereactoren zijn:

• Voorstelling van stikstof-16 door de vangst van een neutron door de kern van een zuurstofatoom: zuurstof-16 + neutron-> stikstof-16 + proton (afgekort als16O(n, p)16N). Stikstof-16 heeft een korte halveringstijd (7 seconden) en vormt vooral een gevaar voor werknemers in kerncentrales.
• Productie van koolstof-14 door het vangen van neutronen door de kern van stikstof-, zuurstof- of koolstofatomen: 14N(n,p)14C; 13C(n, y)14C;17O(n, a)14C.
• Productie van tritium (T) door de vangst van een neutron door de nucleus van een booratoom: 10B(n,2a)T. Dit is een belangrijke reactie in drukwaterreactoren, die boor in het koelwater gebruiken om de reactiviteit te beheersen.
• Productie van tritium door de vangst van een neutron door een deuteriumatoom dat van nature aanwezig is in het koelwater van een reactor.

Neutronenvangst kan ook radioactiviteit induceren door inactivering. Door het opvangen van een neutron wordt de kern geëxciteerd, die snel vervalt tot een minder energetische toestand door de emissie van straling. Enkele activeringsreacties en -producten die van belang zijn in kernreactoren zijn:

• Productie van kobalt-60 uit kobalt-59 door de reactie59Co(n, y)60Co.
• Productie van ijzer-55 uit ijzer-54 door de reactie54Fe(n, y)55Fe.

Kobalt-60 en ijzer-55 zijn veel voorkomende activeringsproducten in de structurele onderdelen van reactoren.

De isotopen die door deze neutronenvangstprocessen worden geproduceerd, zijn bijna altijd radioactief. Hun verval gaat gepaard met de emissie van alfa-, bèta- en gammastraling, waarbij zowel radioactieve als niet-radioactieve vervalproducten worden geproduceerd. Een vervalreactie die van bijzonder belang is in kernreactoren is de volgende:

Bij deze reactie wordt plutonium-239 geproduceerd door neutronenvangst van uranium-238, gevolgd door twee bètavervalprocessen.

De deeltjes en andere straling die vrijkomen bij neutronenvangst kunnen reageren met atomen in de splijtstof, de koelvloeistof en de reactorstructuren om extra radioactiviteit te produceren. Zo leidt de wisselwerking van energetische elektronen met materialen in de reactor tot de emissie van fotonen die bekend staan als bremsstrahlung. Deze straling verschijnt als een zwakke blauwe gloed wanneer elektronen interageren met koelwater in de reactor en met splijtstofbassins.