Fizika | Energetika » Radioaktivitás, radioaktív hulladékok transzmutációja

Radioaktivitás, radioaktív hulladékok transzmutációja Radioaktivitás. Bomlási sorok, radioaktív egyensúly. A radioaktív anyag aktivitása (a) egyenesen arányos a bomlásra képes atommagok számával (n): a = λ·n, ahol λ a bomlási állandó. Az aktivitás egysége a becquerel: 1 Bq = 1 bomlás/s. Exponenciális bomlástörvény: a(t) = a(0)·e-λt (= a(0)·2–t/T). A bomlási állandó és a felezési idő (T) közti összefüggés: λ = ln2/T. Radioaktív sugárzás kibocsátásakor (a γ-sugárzás kivételével) új atommag keletkezik. Ha a keletkezett atommag ismét radioaktív, akkor a bomlás tovább folytatódik. Több, egymásra következő bomlás sorozatát radioaktív bomlási sornak nevezzük. Hosszú idő alatt a bomlási sor tagjai között radioaktív egyensúly áll be: időegység alatt ugyanannyi atommag bomlik el az egyik fajtából, mint amennyi a bomlási sor őt megelőző tagjából keletkezett: a1 = a2 = a3 = . vagy másképp felírva n1 :

n2 : n3 : . = T1 : T2 : T3 : Bomlási sorok A radioaktív bomlási sorban általában α-, β- és γ-bomlások követik egymást. Ezek közül egyedül az α-bomlás változtatja meg az A tömegszámot: 4-gyel csökkenti. Így 4 bomlási sort különböztetünk meg attól függően, hogy a bomlási sorban levő elemek tömegszáma 4-gyel osztva milyen maradékot ad. Ezek a következők: • 4k család: 232Th 90 (T = 1,8·1010 év) . 208Pb82 • 4k + 1 család: 237Np90 (T = 2,14·106 év) . 209Bi83 A rövid felezési idő miatt ennek a családnak a tagjai már mind elbomlottak, s így csak mesterségesen állíthatók elő. • 4k + 2 család: 238U92 (T = 4,51·109 év) . 206Pb82 • 4k + 3 család: 235U92 (T = 7,04·109 év) . 207Pb82 232Th Z Np U Pa Th Ac Ra Fr Rn At Po Bi Pb Tl A = 4k 208Pb (tórium) bomlási sor 90 82 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 β-bomlás α-bomlás 206 210 214 218 222 226 230 234 238 A 237Np Z Np U Pa Th Ac Ra Fr Rn At

Po Bi Pb Tl A = 4k + 1 209Bi (neptunium) bomlási sor 93 83 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 β-bomlás α-bomlás 206 210 214 218 222 226 230 234 238 A A = 4·k +2 Z Np U Pa Th Ac Ra Fr Rn At Po Bi Pb Tl 238U 206Pb bomlási sor 92 82 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 Béta-bomlás Alfa-bomlás 206 210 214 218 222 226 230 234 238 A 235U Z Np U Pa Th Ac Ra Fr Rn At Po Bi Pb Tl A = 4k + 3 207Pb (235U) bomlási sor 92 82 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 β-bomlás α-bomlás 206 210 214 218 222 226 230 234 238 A Példa: Legalább mekkora tömegű uránszurokércet kellett feldolgoznia a Curie házaspárnak 1 g tiszta rádium előállításához? A rádium a 238-as urán (felezési ideje TU = 4,51·109 év) bomlási sorának egyik tagja, felezési ideje TRa = 1602 év. Első közelítésként feltesszük, hogy az ásványban csak 238U92 és 226Ra88 atommagok vannak. A keresett mennyiségű ásványnak 1 g rádiumot,

azaz nRa = (1/226) ·6·1023 = = 2,65· 1021 rádiumatommagot kell tartalmaznia. Az uránatommagok száma: nU = TU/TRa ·nRa = 7,46·1027 Ennyi uránatom(mag) mol-ban mért tömege: mU = 7,46·1027/6·1023 mol = 12,4 kmol, ami 12,4·103· 238 g = 2960 kg -nak felel meg. További közelítésként kiszámíthatnánk az urán bomlási sora többi tagjának a hatását is, de a fenti eredmény csak a negyedik jegyben módosul! Mégis, a Curie házaspárnak a fentebb számítottnál jóval nagyobb tömegű szurokércet kellett feldolgoznia egyetlen gramm tiszta rádium előállításához, mert az ásvány nagy mennyiségben tartalmazott olyan elemeket is, amelyek nem tartoznak az urán bomlási sorába, s így nem szerepelnek a számításunkban. Példa: Urántartalmú kőzetek korának meghatározása. Egy urántartalmú kőzetben minden harmadik uránatomra jut egy ólomatom. Mennyi a kőzet kora? Megoldás. A 238U92 bomlási sorának utolsó tagja 206Pb82 Ha a kőzetben minden

harmadik uránatomra jut egy ólomatom, akkor kezdetben meglevő urán mennyiségének ¼ része már elbomlott ólommá, s így csak a ¾ része maradt meg. Ezért ¾ = 2–t/T (= e-λ·t ), ahol t az ásvány keletkezése óta eltelt idő, T pedig az urán felezési ideje: T = 4,51·109 év. Mindkét oldal logaritmálásával: lg(3/4) = -t/T·lg(2), innen t = 1,87·109 év. A megoldás során feltételeztük, hogy • a stabil ólomizotóp teljes egészében a radioaktív bomlás során keletkezett, • a kőzetből keletkezés óta semmi sem távozott el (pl. a bomlás során létrejött gáznemű termék stb.) Az atomerőművek üzemeltetése során keletkező nagy aktivitású radioaktív hulladékok kezelése • A világűrbe való fellövés – veszélyes és komolytalan • Mély geológiai tárolás – nagy a társadalmi ellenállás • Transzmutáció – új és perspektivikus nukleáris technológia 1000 kg, 3,3%-ban dúsított urán sorsa a reaktorban 3 év

után 235 U 238 U 0 év 33 kg 967 kg 3 év 8 kg Transzuránok - Maghasadék (össz) - 4,6 kg 236U 0,5 kg 237Np 943 kg 8,9 kg 239Pu 35 kg 0,12 kg 243Am 0,04 kg 244Cm Össz: 14,16 kg Össztömeg Tömegdefektus 1000 kg 999,966 kg 34 g 860 GWh 3,1·1015 J Példa: Mennyi villamos energiát termel az atomerőművünk 3 év alatt 1 tonna uránból? Ha az előző táblázat alapján az 1000 kg urán 3 évvel későbbi „leszármazottainak” összes tömegét pontosan összeadjuk, akkor Δm = 34 g tömeghiányt kapunk. Ez a tömeghiány alakul át három év alatt (Einstein energia-tömeghiány összefüggését alkalmazva) E = Δm ·c2 = 860 GWh (=3,1·1015 J) energiává. Ez az energia nagyrészt hő formájában szabadul fel, s így csak mintegy 32%-a alakítható át villamos energiává. Ezzel az atomerőművünk 3 év alatt 1000 kg uránból mintegy 275 millió kWh (9,91·1014 J) elektromos energiát termel. Nyomottvizes reaktor kiégett üzemanyagának

összetétele Urán és plutónium Másodlagos aktinidák neptúnium, amerícium, kűrium 955,5‰ 238U 0,5 ‰ 237Np Nagy felezési idejű hasadási termékek Kis felezési idejű hasadási termékek 0,2 ‰ 129I 1,0 ‰ 137Cs 10,0 ‰ lantanida 0,7 ‰ 90Sr 21,8 ‰ egyéb 16 millió év felezési idő 8,5 ‰ 239Pu 0,6 ‰ 243Am 0,8 ‰ 99Tc 200 ezer év felezési idő 0,02 ‰ 244Cm 0,7 ‰ 93Zr Nagyon radiotoxikusak és némelyik izotópjuk igen nagy élettartamú 0,3 ‰ 135Cs Stabil izotópok A kiégett üzemanyag radiotoxicitását hosszabb távon (5-600 év) meghatározó elemek • A kiégett üzemanyag tömegének >95%-át kitevő urán (amelynek 235U tartalma > 1%) reprocesszálható (zárt üzemanyagciklusban újra hasznosítható). • Az 1%-ot kitevő plutónium is zárt üzemanyagciklusban újra felhasználható. • A hasadási termékek toxicitása 5-600 év után jelentősen csökken, kivéve • 129I és 99Tc valamint a • másodlagos

aktinidák. Ezek határozzák meg hosszabb távon a kiégett üzemanyag radiotoxicitását. TRANSZMUTÁCIÓ A transzmutáció a nagy felezési idejű izotópoknak - speciális reaktorokban vagy - gyorsítóval hajtott szubkritikus (azaz önfenntartó láncreakcióra nem képes) rendszerekben történő olyan (általában neutronokkal való) besugárzását jelenti, amelynek során ezek az anyagok kis felezési idejű vagy stabil izotópokká alakulnak át. P/T-technológia: Partícionálás és Transzmutáció Ahhoz, hogy a nagy felezési idejű transzurán izotópokat és a hasadási termékeket transzmutálni lehessen, először szelektív módon le kell választani őket a kiégett üzemanyagból. A szelektív szétbontást particionálásnak hívják. Ezt követően - a hasadási termékeket neutronbefogással, - a másodlagos aktinidákat maghasadással lehet hatásosan transzmutálni. A transzmutáció megvalósítása Hasadási termékek transzmutálása Nagy

fluxusú (nagy neutronsűrűségű), termikus spektrumú (kisebb átlagenergiájú neutronokkal üzemelő) reaktorok Másodlagos aktinidák hasítása Gyors (keményebb neutronspektrumú) reaktorok, gyorsítóval hajtott szubkritikus rendszerek A hasadási termékeket neutronbefogással, a másodlagos aktinidákat maghasadással lehet hatásosan transzmutálni. A befogás valószínűsége általában annál nagyobb, minél kisebb a neutronenergia. Az aktinidák egy része csak bizonyos küszöbenergia felett hasad; transzmutálásukhoz nagyenergiájú neutronok szükségesek. Az aktinidák esetében a hasadás mellett felléphet a szimpla befogás is, amely eggyel nagyobb rendszámú transzurán kialakulásához vezet. Mivel a transzuránok hasadási valószínűsége a neutronenergia növekedésével általában nő, a transzmutáció szempontjából nemkívánatos befogási reakcióknak az arányát úgy lehet csökkenteni, ha keményebb neutronspektrumban végezzük a

besugárzást. EREDMÉNYEK • A P/T technológia ma már műszakilag is végrehajtható nukleáris hulladékkezelési eljárás mind az aktinidákra, mind a nagy élettartamú hasadási termékekre. • Az üzemanyag többszöri visszakeringetésével elérhető a radiotoxicitás akár századrészére történő csökkentése a nyitott üzemanyagciklushoz képest. • Ennek eredményeként a szükséges tárolási idő a több százezer éves nagyságrendről néhány száz évre csökken. • Az új technológia kb. 20%-kal emeli meg az ilyen rendszerekben termelt villamos energia árát. • Ha a hasadási termékeket visszavezetik az energiatermelésbe, a többi aktinidát pedig transzmutálják, akkor kiküszöbölhető a felhasználás lehetősége a fegyvergyártásra. • A transzmutációs rendszerek teljes potenciáljának kihasználása azonban csak akkor lehetséges, ha legalább száz évre elkötelezzük magunkat az alkalmazása mellett