Alai

Reaktory jądrowe1 są zasilane uranem nieznacznie wzbogaconym w izotopuranu-235.2 Ten izotop jest zdolny do podtrzymywania kontrolowanej jądrowej reakcji łańcuchowej, która jest niezbędna do produkcji energii elektrycznej. Reakcja łańcuchowa powoduje produkcję neutronów, które wzbudzają promieniotwórczość w paliwie, wodzie chłodzącej i elementach konstrukcyjnych reaktora.

Promieniotwórczość jest wzbudzana głównie przez procesy polegające na wychwytywaniu neutronów przez atomy uranu w paliwie. Rozszczepienie następuje, gdy jądro atomu uranu-235 (rzadziej atomu uranu-238) wychwytuje neutron, staje się niestabilne i rozszczepia się na dwa lub (rzadko) trzy lekkie jądra atomowe; jądra te nazywane są produktami rozszczepienia.Rozszczepienie uranu powoduje dwumodalny rozkład mas produktów rozszczepienia, pokazany na rysunku D.1. Najbardziej powszechne produkty rozszczepienia mają liczby masowe w okolicach 90 i 137 (na przykład stront-90 i cez-137).

Produkty rozszczepienia wytwarzane w jądrowym reaktorze energetycznym obejmują cały okres. Należą do nich:

• Gazy szlachetne, na przykład krypton-85 i ksenon-133.
• Halogeny, na przykład jodek-131.

RYSUNEK D.1Rozkłady mas wynikające z rozszczepienia uranu-235 przez neutrony termiczne.

ŹRÓDŁO: Data from Joint Evaluated Fission and Fusion File,Incident-neutron data, http://www-nds.iaea.org/exfor/endf00.htm, October 2,2006; patrz http://www-nds.iaea.org/sgnucdat/c1.htm.

• metale alkaliczne, na przykład cez-137.
• metale ziem alkalicznych, na przykład stront-90.
• Najrzadziej wodór-3, częściej nazywany astrytem (T), pochodzący z trójskładnikowego rozszczepienia atomów uranu.

Wychwyt neutronów może również wywoływać promieniotwórczość poprzez transmutację jednego pierwiastka chemicznego w inny. Proces transmutacji prowadzi do emisji cząstek jądrowych (np. protonów) i promieniowania z jądra. Niektóre reakcje transmutacji i produkty mające znaczenie w reaktorach energetycznych obejmują następujące reakcje:

• Produkcja azotu-16 poprzez wychwyt neutronu przez jądro atomu tlenu: tlen-16 + neutron-> azot-16 + proton (w skrócie16O(n, p)16N). Azot-16 ma krótki (7-sekundowy) okres półtrwania i stanowi zagrożenie przede wszystkim dla pracowników zakładów jądrowych.
• Produkcja węgla-14 poprzez wychwyt neutronów przez jądro atomu azotu, tlenu lub węgla: 14N(n,p)14C; 13C(n, y)14C;17O(n, a)14C.
• Produkcja trytu (T) przez wychwyt neutronu przez nukleus atomu boru: 10B(n,2a)T. Jest to ważna reakcja w reaktorach wodnych ciśnieniowych, które wykorzystują bor w wodzie chłodzącej do kontroli reaktywności.
• Produkcja trytu poprzez wychwyt neutronu przez atom deuteru, który jest naturalnie obecny w wodzie chłodzącej reaktora.

Wychwyt neutronu może również wywoływać radioaktywność poprzez aktywację. Wychwyt neutronu wzbudza jądro, które szybko rozpada się do stanu mniej energetycznego poprzez emisję promieniowania. Niektóre reakcje aktywacji i produkty mające znaczenie w reaktorach energetycznych obejmują następujące procesy:

• Produkcja kobaltu-60 z kobaltu-59 w reakcji59Co(n, y)60Co.
• Produkcja żelaza-55 z żelaza-54 w reakcji54Fe(n, y)55Fe.

Kobalt-60 i żelazo-55 są powszechnymi produktami aktywacji w elementach konstrukcyjnych reaktorów.

Izotopy powstające w tych procesach wychwytu neutronów są prawie zawsze promieniotwórcze. Ich rozpad obejmuje emisję promieniowania alfa, beta i gamma, w wyniku czego powstają zarówno radioaktywne, jak i nieradioaktywne produkty rozpadu. Reakcja rozpadu o szczególnym znaczeniu w reaktorach jądrowych jest następująca:

Reakcja ta prowadzi do powstania plutonu-239 w wyniku wychwytu neutronów uranu-238, po którym następują dwa rozpady beta.

Cząstki i inne promieniowanie emitowane podczas wychwytu neutronów mogą oddziaływać z atomami w paliwie, chłodziwie i strukturach reaktora, wytwarzając dodatkową radioaktywność. Na przykład, oddziaływanie energetycznych elektronów z materiałami w reaktorze powoduje emisję fotonów znanych jako bremsstrahlung. Promieniowanie to pojawia się jako słaba niebieska poświata, gdy elektrony oddziałują z wodą chłodzącą w reaktorze i basenami z wypalonym paliwem.

.