Alai

Kärnkraftsreaktorer1 drivs med uran som är svagt anrikat i isotopenuran-235.2 Denna isotop kan upprätthålla en kontrollerad kedjereaktion som är nödvändig för att producera elektrisk energi. Kedjereaktionen resulterar i produktion av neutroner som framkallar radioaktivitet i bränslet, kylvattnet och reaktorns strukturella komponenter.

Radioaktiviteten framkallas främst genom processer som innebär att uranatomer i bränslet fångar upp neutroner. Klyvning sker när kärnan i en uran-235-atom (och mer sällan en uran-238-atom) fångar en neutron, blir instabil och splittras i två och (sällan)tre3 lättare kärnor; dessa kärnor kallas klyvningsprodukter.Uranklyvning ger upphov till en bimodal massfördelning av klyvningsprodukterna som visas i figur D.1. De vanligaste klyvningsprodukterna har masstal runt 90 och 137 (t.ex. strontium-90 och cesium-137).

De klyvningsprodukter som produceras i en kärnkraftsreaktor spänner över hela den periodicbara perioden. De omfattar:

• Noble gaser, till exempel krypton-85 och xenon-133.
• Halogener, till exempel jod-131.

FIGUR D.1Massfördelningar till följd av klyvning av uran-235 med termiska neutroner.

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

• Alkalimetaller, till exempel cesium-137.
• Alkaliska jordartsmetaller, till exempel strontium-90.
• Mindre vanligt är väte-3, vanligare kallat astritium (T), från ternär fission av uranatomer.

Neutroninfångning kan också framkalla radioaktivitet genom att ett kemiskt grundämne transmuteras till ett annat. Transmutationsprocessen resulterar i utsläpp av kärnpartiklar (t.ex. protoner) och strålning från kärnan. Några transmutationsreaktioner och produkter av betydelse i kraftreaktorer är följande:

• Produktion av kväve-16 genom att en neutron fångas in av en syreatoms kärna: syre-16 + neutron-> kväve-16 + proton (förkortat16O(n, p)16N). Kväve-16 har en kort halveringstid (7 sekunder) och är främst en fara för arbetare vid kärnkraftverk.
• Produktion av kol-14 genom att neutroner fångas upp av kärnan i en kväve-, syre- eller kolatom: 14N(n,p)14C; 13C(n,y)14C;17O(n,a)14C.
• Produktion av tritium (T) genom att en neutron fångas upp av kärnan i en boratom: 10B(n,2a)T. Detta är en viktig reaktion i tryckvattenreaktorer som använder bor i kylvattnet för att kontrollera reaktiviteten.
• Produktion av tritium genom att en neutron fångas upp av en deuteriumatom som finns naturligt i kylvattnet i en reaktor.

Nutroninfångning kan också framkalla radioaktivitet genom aktivering. När en neutron fångas upphetsas kärnan, som snabbt sönderfaller till ett mindre energirikt tillstånd genom att avge strålning. Några aktiveringsreaktioner och produkter av betydelse i effektreaktorer är följande:

• Produktion av kobolt-60 från kobolt-59 genom reaktionen59Co(n, y)60Co.
• Produktion av järn-55 från järn-54 genom reaktionen54Fe(n, y)55Fe.

Kobolt-60 och järn-55 är vanliga aktiveringsprodukter i reaktorers strukturella komponenter.

De isotoper som produceras av dessa neutroninfångningsprocesser är nästan alltid radioaktiva. Deras sönderfall innebär att alfa-, beta- och gammaradiation avges för att producera både radioaktiva och icke-radioaktiva sönderfallsprodukter. En sönderfallsreaktion av särskild betydelse i kärnkraftsreaktorer är följande:

Denna reaktion producerar plutonium-239 genom neutroninfångning av uran-238 följt av två betasönderfall.

Partiklarna och annan strålning som avges vid neutroninfångning kan interagera med atomer i bränslet, kylvätskan och reaktorstrukturerna för att producera ytterligare radioaktivitet. Exempelvis resulterar växelverkan mellan energetiska elektroner och material i reaktorn i utsläpp av fotoner som kallas bremsstrahlung. Denna strålning uppträder som ett svagt blått sken när elektroner interagerar med kylvatten i reaktorn och bassänger för förbrukat bränsle.