Reactores nucleares1 são alimentados com urânio ligeiramente enriquecido no isótopopeurânio-235.2 Este isótopo é capaz de sustentar uma reacção nuclear controlada em cadeia que é necessária para a produção de energia eléctrica. A reação em cadeia resulta na produção de neutrões que induzem radioatividade no combustível, água de resfriamento e componentes estruturais do reator.
Radioatividade é induzida principalmente através de processos que envolvem a captura de neutrões por átomos de urânio no combustível. A fissão ocorre quando o núcleo de um átomo de urânio-235 (e menos comumente um átomo de urânio-238)captura um nêutron, torna-se instável e se divide em dois e (raramente)trêsernúcleos de luz; esses núcleos são chamados de produtos de fissão.A fissão de urânio produz uma distribuição de massa bimodal dos produtos de fissão mostrados na Figura D.1. Os produtos de fissão mais comuns têm números de massa em torno de 90 e 137 (por exemplo, strontium-90 e cesium-137).
Os produtos de fissão produzidos em um reator de energia nuclear abrangem a tabela periódica. Eles incluem:
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Gases nobres, por exemplo, krypton-85 e xenon-133.
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Halogéneos, por exemplo, iodeto131.
FIGURA D.1Distribuições de massa resultantes da fissão de urânio-235 por neutrões térmicos.
SOURCE: Dados de Fissão Avaliada Conjunta e Arquivo de Fusão,Dados de Incidência-neutrões, http://www-nds.iaea.org/exfor/endf00.htm, 2 de outubro de 2006; ver http://www-nds.iaea.org/sgnucdat/c1.htm.
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Metais alcalinos, por exemplo, césio-137.
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Metais alcalinos terrestres, por exemplo, estrôncio-90.
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Menos comumente, hidrogênio-3, mais comumente referido ao astritium (T), da fissão ternária de urânio-atômicos.
A captura de neutrons também pode induzir radioatividade através da transmissão de um elemento químico para outro. O processo de transsmutação resulta na emissão de partículas nucleares (por exemplo, prótons) e radiação do núcleo. Algumas reacções de transmutação e produtos significativos em reactores de potência incluem o seguinte:
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Produção de nitrogénio-16 através da captura de um neutro por um átomo de oxigénio: oxigénio-16 + neutro-> nitrogénio-16 + próton (abreviado como16O(n, p)16N). O nitrogênio-16 tem uma meia-vida curta(7 segundos) e é principalmente um perigo para os trabalhadores em plantas nucleares.
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Produção de carbono-14 através da captura de nêutrons pelo núcleo de nitrogênio, oxigênio, ou átomos de carbono: 14N(n,p)14C; 13C(n, y)14C;17O(n, a)14C.
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Produção de trítio (T) através da captura de um nêutron pelo nu-cleus de um átomo de boro: 10B(n,2a)T. Esta é uma reação importante em reatores de água pressurizada, que usam boro na água de resfriamento para controlar a reatividade.
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Produção de trítio pela captura de um nêutron por uma deuteriumatom que está naturalmente presente na água de resfriamento do areactor.
A captura de nêutron também pode induzir a radioatividade através da ativação. A captura de um nêutron excita o thenucleus, que rapidamente decai para um estado menos energético através da emissão de radiação. Algumas reacções de activação e produtos significativos em reactores de potência incluem o seguinte:
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Produção de cobalto-60 a partir do cobalto-59 através da reacção59Co(n, y)60Co.
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Produção de ferro-55 a partir do ferro-54 através da reacção54Fe(n, y)55Fe.
Cobalto-60 e ferro-55 são produtos de ativação comuns nos componentes estruturais dos reatores.
Os isótopos produzidos por estes processos de captura de nêutrons são quase sempre radioativos. Seu decaimento envolve a emissão de alfa, beta e gammaradiação, para produzir tanto produtos de decaimento radioativos quanto não radioativos. Uma reação de decaimento de particular importância em reatores nucleares é a seguinte:
Esta reação produz plutônio-239 por captura de urânio-238 neutrões seguida por dois decaimentos beta.
As partículas e outras radiações emitidas durante a captura de neutrões podem interagir com átomos no combustível, líquido refrigerante e estruturas do reator para produzir radioatividade adicional. Por exemplo, a interação de energeticelectrons com materiais no reator resulta na emissão de fótonsknown como bremsstrahlung. Esta radiação aparece como um brilho tênue quando os elétrons interagem com a água de resfriamento no reator e gastam poços de combustível.
Footnotes
1
Os termos reatores de energia nuclear e usinas nucleares se referem a reatores que são usados em bases comerciais para produzir eletricidade. Tais reatores tipicamente geram na ordem de 1000 megawatts de energia elétrica e 3000megawatts de energia térmica.
2
Uranio natural contém cerca de 99,3% de urânio-238 e 0,7% de urânio-235. O combustível usado em reatores de potência é tipicamente enriquecido em urânio-235 a níveis de 3-5 por cento.
3
Referido a como fissão ternária.