核裂變產物
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核裂變產物即指核裂變過程中生成的產物。核裂變是指由較重的(原子序數較大的)原子,主要是指鈾或鈈,分裂成較輕的(原子序數較小的)原子的一種核反應形式。原子彈以及核電站的能量來源都是核裂變。早期原子彈應用(以鈾-238製備的)鈈-239為原料製成,而鈾-235裂變在核電廠最常見,由釷-232製備的鈾-233也在實驗堆中使用。
特點與種類
重核原子經中子撞擊後,分裂成為兩個較輕的原子,這就是最初的裂變產物。由於重原子核的中子含量很高,大約60%(如鈈-239含有145個中子),而輕的穩定原子核中子含量較低(50%~55%),因此裂變產物中都含有過多的中子。這些富含中子的裂變產物都通過系列β衰變(把中子變成質子的反應)最終變成穩定核,這一過程中將產生一系列放射性裂變產物,每個β系列都維持質量數不變,都以一個穩定核為終點。例如 氪-92 → 銣-92 → 鍶-92 → 釔-92 → 鋯-92。
核裂變生成眾多不同產物,可以按照質量數分成不同的β系列,而這些不同系列(即不同質量數)的種類分布也是有規律的。如右圖所示,每個重核都大致分裂成大小兩個輕核,一個質量數在86~107之間(氪、銣、鍶、釔、鋯、鈮、鉬、鍀、釕、銠、鈀、銀、鎘),一個質量數在131-148之間(錫、銻、碲、碘、氙、銫、鋇、鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪)。此外,微量的(0.2~0.4%)三裂式裂變,除了大小兩個輕核外,還產生一個微小的氦-4或氚核。
放射性危害
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由於核反應堆存在核泄露的隱患,因此放射性裂變產物受到廣泛關注。事實上,也是很幸運的是,沒有半衰期為百年至二十萬年之間的裂變產物,因此放射性裂變產物可以分成兩類,一類放射性強,但是可以在數百年內衰變殆盡;另一類放射性很弱,它們的放射性低於相應裂變原料,即放射性礦物,採用廢料回填礦坑的辦法就能達成「核工業降低地殼的放射性總量」。
第一類強放射性的裂變產物中,絕大多數半衰期很短,在泄露數月內就很快耗盡,但有幾個核素半衰期在數年到數十年之間,列於上表「中壽命核分裂產物」,它們造成的影響將持續數十至數百年。其中最值得關注的是銫-137和鍶-90,它們的半衰期都約為30年(壽命很長),而且裂變產額都較高(產量很大),這兩種原子核是裂變產物放置數年至數百年間放射性的主要來源(因為其它強放射性核或者數年內耗盡,或者含量太低)。如上表所示,銫-137和鍶-90的產額和衰變能都顯著地比其它核素高。不幸的是,這兩種中長期輻射主力核素,恰巧都容易進入生物體內:銫和鍶兩種元素的化學性質分別與鉀和鈣相似,容易被人體吸收,特別是鍶容易代替鈣沉積在骨骼中,因此對銫-137和鍶-90的回收利用或無害化處理十分重要。此外一些極短壽命的放射性產物也頗受關注,特別是碘-131,雖然數個月就能衰變殆盡,但它極易被人體吸收富集;另外,銫-134和鍶-89是另兩個短壽強放射性核素,對人體傷害方式與銫-137和鍶-90相同,只是危害時間更集中。[註 1]以上五個核素正是裂變產物泄漏造成數次人體傷害事故的主要元兇,相關數據列於下表:
核素 | 裂變產額 | 半衰期 | 衰變產物 | 衰變能 | 生物體 相似物 |
富集於器官 | 傳播 | 對策 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
碘-131 | ~3% | 8.02天 | β氙 | 971 keV | 碘-127 | 甲狀腺 | 大氣水體 | 服用碘化鉀片 |
銫-137 | 6.3% | 30.2年 | β鋇 | 1174 keV | 鉀 | 肝、腎、肌肉 | 大氣水體 | 深耕、鉀肥 普魯士藍 |
銫-134 | <6.8%[注1] | 2.06年 | β鋇 | 1548 keV | ||||
鍶-90 | 4.5% | 27.7年 | ββ鋯 | 2826 keV | 鈣 | 骨骼,無法排出 | 塵埃 | 土壤中撒石灰 |
鍶-89 | ~3% | 50.5天 | β釔 | 982 keV |
第二類裂變產物放射性很低,卻「太長壽」,最值得關注的是碘-129、鍀-99和銫-135。雖然它們放射性比相應數量的鈾礦原料低,但比鈾礦更容易游離於自然水體之中,它們分別以I-、TcO4-和Cs+形式溶解在水中,而且難以沉積,造成大自然水體的近乎永久性的放射性污染。因此它們的隔絕存放尤為重要。它們被自然水體稀釋後,輻射量遠低於自然界的輻射背底,不對人體健康造成影響,而且即使多量攝入也很容易排出。[註 2]
此外,核泄漏或核爆炸造成的放射污染還包括鈈鈾等錒系元素的污染,它們不屬於核裂變產物。
註釋
參考文獻
- ^ 雖然鐳不是錒系元素,但它緊接在錒系元素錒之前,且有半衰期超過4年,可被列入此表中的同位素,因此鐳也被列入其中。
- ^ 此表列出的是熱中子轟擊235U的裂變產額。
- ^ Milsted, J.; Friedman, A. M.; Stevens, C. M. The alpha half-life of berkelium-247; a new long-lived isomer of berkelium-248. Nuclear Physics. 1965, 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. doi:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
- ^ 是所有半衰期超過四年的同位素中最重的
- ^ 半衰期遠長於232Th,基本可視為穩定的衰變產物被排除在外,如半衰期8×1015年的113Cd。
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