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: a 1 = a 2 = a 3 =... vagy másképp felírva n 1 : n 2 : n 3 :... = T 1 : T 2 : T 3 :...

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: 232 Th 90 (T = 1,8·10 10 év) →...→...→ 208 Pb 82 4k + 1 család: 237 Np 90 (T = 2,14·10 6 év) →...→...→ 209 Bi 83. A rövid felezési idő miatt ennek a családnak a tagjai már mind elbomlottak, s így csak mesterségesen állíthatók elő. 4k + 2 család: 238 U 92 (T = 4,51·10 9 év) →...→...→ 206 Pb 82 4k + 3 család: 235 U 92 (T = 7,04·10 9 év) →...→...→ 207 Pb 82

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np β-bomlás α-bomlás Z A A = 4k 232 Th 90 → 208 Pb 82 (tórium) bomlási sor

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np β-bomlás α-bomlás Z A A = 4k Np 93 → 209 Bi 83 (neptunium) bomlási sor

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Béta-bomlás Alfa-bomlás Z A A = 4·k U 92 → 206 Pb 82 bomlási sor

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np β-bomlás α-bomlás Z A A = 4k U 92 → 207 Pb 82 ( 235 U) bomlási sor

Példa: L egalább mekkora tömegű uránszurokércet kellett feldolgoznia a Curie házaspárnak 1 g tiszta rádium előállításához? A rádium a 238-as urán (felezési ideje T U = 4,51·10 9 év) bomlási sorának egyik tagja, felezési ideje T Ra = 1602 év. Első közelítésként feltesszük, hogy az ásványban csak 238 U 92 és 226 Ra 88 atommagok vannak. A keresett mennyiségű ásványnak 1 g rádiumot, azaz n Ra = (1/226) ·6·10 23 = = 2,65· rádiumatommagot kell tartalmaznia. Az uránatommagok száma: n U = T U /T Ra ·n Ra = 7,46·10 27 Ennyi uránatom(mag) mol-ban mért tömege: m U = 7,46·10 27 /6·10 23 mol = 12,4 kmol, ami 12,4·10 3 · 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 238 U 92 bomlási sorának utolsó tagja 206 Pb 82. 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 = 4,51·10 9 év. Mindkét oldal logaritmálásával: lg(3/4) = -t/T·lg(2), innen t = 1,87·10 9 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 UTranszuránok Mag- hasadék (össz) ÖssztömegTömeg- defektus 0 év33 kg967 kg kg 3 év 8 kg943 kg 4,6 kg 236 U 0,5 kg 237 Np 8,9 kg 239 Pu 0,12 kg 243 Am 0,04 kg 244 Cm Össz : 14,16 kg 35 kg 999,966 kg 34 g 860 GWh 3,1·10 15 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 ·c 2 = 860 GWh (=3,1·10 15 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 (9,91·10 14 J) elektromos energiát termel.

Nyomottvizes reaktor kiégett üzemanyagának összetétele Urán és plutónium Másodlagos aktinidák neptúnium, amerícium, kűrium Nagy felezési idejű hasadási termékek Kis felezési idejű hasadási termékek Stabil izotópok 955,5‰ 238 U0,5 ‰ 237 Np0,2 ‰ 129 I 16 millió év felezési idő 1,0 ‰ 137 Cs10,0 ‰ lantanida 8,5 ‰ 239 Pu0,6 ‰ 243 Am0,8 ‰ 99 Tc 200 ezer év felezési idő 0,7 ‰ 90 Sr21,8 ‰ egyéb 0,02 ‰ 244 Cm0,7 ‰ 93 Zr Nagyon radiotoxikusak és némelyik izotópjuk igen nagy élettartamú 0,3 ‰ 135 Cs

A kiégett üzemanyag radiotoxicitását hosszabb távon (5-600 év) meghatározó elemek A kiégett üzemanyag tömegének >95%-át kitevő urán (amelynek 235 U tartalma > 1%) reprocesszálható (zárt üzemanyagciklusban újra hasznosítható). Az 1%-ot kitevő plutónium is zárt üzemanyagciklusban újra felhasználható. A hasadási termékek toxicitása év után jelentősen csökken, kivéve 129 I és 99 Tc 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 Másodlagos aktinidák hasítása Nagy fluxusú (nagy neutronsűrűségű), termikus spektrumú (kisebb átlagenergiájú neutronokkal üzemelő) reaktorok 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.