ناتج انشطار طويل الأمد

تُعدّ نواتج الانشطار طويلة العمر مواد مشعة ذات عمر نصف طويل ( أكثر من 200,000 عام) تنتج عن الانشطار النووي لليورانيوم والبلوتونيوم . ونظرًا لسميتها الإشعاعية المستمرة، فمن الضروري عزلها عن البشر والمحيط الحيوي ، وحصرها في مستودعات النفايات النووية لفترات جيولوجية طويلة. ويركز هذا المقال على النظائر المشعة ( النويدات المشعة ) الناتجة عن مفاعلات الانشطار .

ينتج عن الانشطار النووي نواتج الانشطار ، بالإضافة إلى الأكتينيدات من نوى الوقود النووي التي تلتقط النيوترونات ولكنها تفشل في الانشطار، ونواتج التنشيط من تنشيط النيوترونات للمواد المفاعلة أو البيئية.

تتمتع العناصر الثلاثة الأولى بفترات نصف عمر متشابهة، تتراوح بين 200 ألف و 300 ألف سنة؛ أما العناصر الأربعة الأخيرة فلها فترات نصف عمر أطول، تصل إلى ملايين السنين.

1. يُنتج التكنيتيوم-99 أكبر كمية من النشاط الإشعاعي في عملية التحلل الإشعاعي منخفض الطاقة. وهو يُصدر جسيمات بيتا ذات طاقة منخفضة إلى متوسطة، ولكنه لا يُصدر أشعة غاما ، لذا فإن خطره ضئيل عند التعرض الخارجي له، ولكن فقط في حالة ابتلاعه. ومع ذلك، تسمح خصائص التكنيتيوم الكيميائية بتكوين أنيونات ( بيرتكنيتات ، TcO₄⁻ ₎ ^تتميز بحركتها النسبية في البيئة.
2. يتميز القصدير-126 بطاقة اضمحلال عالية (بسبب ناتج اضمحلاله ذي عمر النصف القصير )، وهو النظير الوحيد من بين نظائر الانشطار النووي منخفضة الطاقة الذي يُصدر إشعاع غاما عالي الطاقة ، مما يُشكل خطرًا على الصحة العامة. مع ذلك، يُنتج هذا النظير بكميات ضئيلة جدًا في الانشطار بواسطة النيوترونات الحرارية ، لذا فإن الطاقة المنبعثة منه في وحدة الزمن تُعادل 5% فقط من الطاقة المنبعثة من ^{التكنيتيوم -99} في انشطار اليورانيوم-235، أو 20% في حالة انشطار اليورانيوم-235 بنسبة 65% والبلوتونيوم-239 بنسبة 35%. قد يُنتج الانشطار السريع كميات أكبر من الطاقة. يُعد القصدير معدنًا خاملًا قليل الحركة في البيئة، مما يُساعد على الحد من المخاطر الصحية الناجمة عن إشعاعه.
3. يُنتج السيلينيوم-79 بكميات قليلة ولا يُصدر إلا إشعاعًا ضعيفًا. ينبغي ألا تتجاوز طاقة اضمحلاله لكل وحدة زمنية 0.2% من طاقة اضمحلال التكنيتيوم-99.
4. يُنتج الزركونيوم-93 بنسبة عالية نسبيًا تبلغ حوالي 6%، لكن معدل تحلله أبطأ بـ 7.5 مرة من معدل تحلل التكنيتيوم-99، وطاقة تحلله لا تتجاوز 30% من طاقة التكنيتيوم-99؛ لذا فإن إنتاجه للطاقة في البداية لا يتجاوز 4% من إنتاج التكنيتيوم-99، مع أن هذه النسبة ستزداد مع تحلل التكنيتيوم-99. يُنتج الزركونيوم ^-93 إشعاع غاما، لكن بطاقة منخفضة جدًا، كما أنه خامل نسبيًا في البيئة.
5. يُنتج السيزيوم-135، سلف السيزيوم-135، بمعدل مرتفع يتجاوز 6% من الانشطارات، ولكنه يمتص النيوترونات الحرارية بقوة شديدة ( سم نيوتروني )، لذا يتحول معظمه إلى زينون-136 شبه مستقر قبل أن يتحلل إلى سيزيوم-135. إذا دُمّر 90% من الزينون ^{-135 ، فإن طاقة تحلل السيزيوم -135} المتبقي لكل وحدة زمنية لا تتجاوز في البداية 1% من طاقة تحلل التكنيتيوم ^-99 . في المفاعلات السريعة، قد يُدمّر جزء أقل من الزينون-135. يُعد السيزيوم ^-135 الناتج الوحيد من نواتج الانشطار طويلة العمر القلوية أو الموجبة كهربائيًا ؛ في المقابل، فإن نواتج الانشطار الرئيسية متوسطة العمر والأكتينيدات الثانوية الأخرى غير النبتونيوم جميعها قلوية وتميل إلى البقاء معًا أثناء إعادة المعالجة. مع العديد من تقنيات إعادة المعالجة، مثل المعالجة بمحلول ملحي أو تبخير الملح، يبقى السيزيوم ^{-135 ضمن هذه المجموعة، على الرغم من أن بعض التقنيات، مثل التبخير بدرجة حرارة عالية، قادرة على فصله. غالبًا ما} تُزجّج النفايات القلوية لتكوين نفايات عالية الإشعاع ، والتي تشمل السيزيوم ^-135 . لا يحتوي السيزيوم الناتج عن الانشطار على السيزيوم ^-135 فحسب ، بل يحتوي أيضًا على السيزيوم ^-133 المستقر ولكنه يمتص النيوترونات (والذي يُبدد النيوترونات ويُكوّن السيزيوم ^-134 المشعّ بنصف عمر يبلغ سنتين)، بالإضافة إلى ناتج الانشطار الشائع السيزيوم ^-137 الذي لا يمتص النيوترونات ولكنه شديد الإشعاع، مما يجعل التعامل معه أكثر خطورة وتعقيدًا؛ لكل هذه الأسباب، سيكون التخلص من السيزيوم ^-135 عن طريق التحويل النووي أكثر صعوبة.
6. يتميز البالاديوم-107 بعمر نصف طويل جدًا، وعائد منخفض (مع أن عائد انشطار البلوتونيوم أعلى من عائد انشطار اليورانيوم-235 )، وإشعاع ضعيف للغاية. يُفترض أن تكون مساهمته الأولية في إشعاع الانشطار منخفض المستوى جزءًا واحدًا فقط من 10000 لانشطار اليورانيوم ^-235 ، أو 2000 لانشطار اليورانيوم-235 بنسبة 65% ^{والبلوتونيوم -239} بنسبة 35% . البالاديوم معدن نبيل وخامل للغاية.
7. يتميز اليود-129 بأطول عمر نصف ، إذ يبلغ 15.7 مليون سنة، وبسبب طول عمر النصف وانخفاض معدل الانشطار وطاقة الاضمحلال، فإنه ينتج حوالي 1% فقط من شدة النشاط الإشعاعي للتكنيتيوم ^{-99 . ومع ذلك، يُعد} اليود المشع خطرًا بيولوجيًا كبيرًا نظرًا لتركيزه في الغدة الدرقية . يبلغ عمر النصف لليود ^{-129 ما يقارب} مليار ضعف عمر النصف لنظيره الشقيق الأكثر خطورة، اليود ^-131 ؛ لذا، ونظرًا لقصر عمر النصف وارتفاع طاقة الاضمحلال، فإن اليود ^-131 أكثر إشعاعًا بحوالي مليار ضعف من اليود ^-129 ذي العمر الأطول .

إجمالاً، تُطلق النوى الستة المتبقية من نواتج الانشطار النووي منخفضة العمر، الموجودة في الوقود المستهلك للمفاعلات الحرارية، في البداية ما يزيد قليلاً عن 10% من الطاقة التي يُطلقها التكنيتيوم-99 لانشطار اليورانيوم-235، أو 25% من الطاقة الناتجة عن انشطار اليورانيوم-235 بنسبة 65% مع البلوتونيوم-239 بنسبة 35%. بعد حوالي 1000 عام من استخدام الوقود، ينخفض ​​النشاط الإشعاعي لنواتج الانشطار متوسطة العمر، السيزيوم-137 والسترونتيوم-90، إلى ما دون مستوى النشاط الإشعاعي للتكنيتيوم-99 أو نواتج الانشطار النووي منخفضة العمر عموماً. (في هذه المرحلة، ستُصدر الأكتينيدات، إن لم تُزال، نشاطاً إشعاعياً أكبر من أيٍّ منهما). بعد حوالي مليون عام، سينخفض ​​النشاط الإشعاعي للتكنيتيوم-99 إلى ما دون مستوى الزركونيوم-93، مع أن عدم حركة الأخير يعني أنه على الأرجح لا يزال أقل خطورة. بعد حوالي 3 ملايين عام، ستنخفض طاقة اضمحلال الزركونيوم-93 إلى ما دون طاقة اضمحلال اليود-129.

يُدرس التحويل النووي كطريقة للتخلص من النفايات، لا سيما التكنيتيوم-99 واليود-129، كونهما يمثلان أخطر المواد بيولوجيًا ويمتلكان أكبر مقاطع عرضية لالتقاط النيوترونات ، على الرغم من أن التحويل النووي لا يزال بطيئًا مقارنةً بانشطار الأكتينيدات في المفاعل. كما نُظر في التحويل النووي للسيزيوم-135، ولكنه يكاد يكون غير مجدٍ اقتصاديًا بالنسبة لنظائر التنشيط النووي الأخرى. وبالنظر إلى أن السيزيوم-133 المستقر يُنتج أيضًا في الانشطار النووي، فإن كلاً من السيزيوم-133 وناتج تنشيطه النيوتروني ¹³⁴السيزيوم هو مادة سامة للنيوترونات ، ويحدث تحول للنظير ¹³⁵قد يتطلب السيزيوم فصل النظائر . ⁹⁹يُعد التكنيتيوم جذابًا بشكل خاص للتحويل النووي، ليس فقط بسبب الخصائص غير المرغوب فيها للمنتج المراد تدميره ومقطع امتصاص النيوترونات العالي نسبيًا، ولكن أيضًا لأن ¹⁰⁰يتحلل التكنيتيوم بسرعة إلى حالة مستقرة ^{تبلغ 100}الروثينيوم . لا يحتوي الروثينيوم على نظائر مشعة ذات عمر نصف أطول بكثير من عام، وسعر الروثينيوم مرتفع نسبيًا، مما يجعل تدمير ⁹⁹تحويل التكنيتيوم إلى مصدر مربح محتمل لإنتاج معدن ثمين من مواد خام غير مرغوب فيها.