منتج انشطار طويل العمر

المنتجات الانشطارية طويلة العمر هي مواد مشعة ذات عمر نصف طويل (أكثر من 200000 عام) تنتج عن الانشطار النووي لليورانيوم والبلوتونيوم . وبسبب سميتها الإشعاعية المستمرة ، فمن الضروري عزلها عن البشر والمحيط الحيوي وحصرها في مستودعات النفايات النووية لفترات جيولوجية من الزمن. تركز هذه المقالة على النظائر المشعة ( النويدات المشعة ) التي تولدها مفاعلات الانشطار .

ينتج الانشطار النووي منتجات انشطارية ، بالإضافة إلى الأكتينيدات من نوى الوقود النووي التي تلتقط النيوترونات ولكنها تفشل في الانشطار، ومنتجات التنشيط من تنشيط النيوترونات في المفاعل أو المواد البيئية.

إن النشاط الإشعاعي العالي قصير المدى للوقود النووي المستنفد يأتي في المقام الأول من منتجات الانشطار ذات عمر النصف القصير . ويعود النشاط الإشعاعي في خليط منتجات الانشطار في الغالب إلى النظائر قصيرة العمر مثل ^131I و ¹⁴⁰ Ba، وبعد حوالي أربعة أشهر يشكل ^141Ce و ⁹⁵ Zr/ ^95Nb و ⁸⁹ Sr أكبر المساهمين، بينما بعد حوالي عامين أو ثلاثة أعوام يأخذ ^144Ce / ^144Pr و ¹⁰⁶ Ru/ ^106Rh و ¹⁴⁷ Pm الحصة الأكبر. لاحظ أنه في حالة إطلاق النشاط الإشعاعي من مفاعل طاقة أو وقود مستعمل، يتم إطلاق بعض العناصر فقط. ونتيجة لذلك، فإن التوقيع النظيري للنشاط الإشعاعي يختلف كثيرًا عن التفجير النووي في الهواء الطلق حيث تنتشر جميع منتجات الانشطار.

منتجات الانشطار متوسطة العمر

• ف
• ت
• هـ

	ت ½ ( سنة )	أَثْمَر ( ٪ )	س ( كيلو إلكترون فولت )	بيتا
155 يورو	4.76	0.0803	252	بيتا
85 كرونا	10.76	0.2180	687	بيتا
113 م ك د	14.1	0.0008	316	بيتا
90 ريال	28.9	4.505	2826	بيتا
137 س	30.23	6.337	1176	بيتا غاما
121م سن	43.9	0.00005	390	بيتا
151 سم	94.6	0.5314	77	بيتا

بعد عدة سنوات من التبريد، يأتي معظم النشاط الإشعاعي من نواتج الانشطار السيزيوم-137 والسترونشيوم -90 ، والتي يتم إنتاج كل منها في حوالي 6٪ من الانشطارات، ولها عمر نصف يبلغ حوالي 30 عامًا. تتمتع نواتج الانشطار الأخرى ذات عمر النصف المماثل بعائدات نواتج انشطارية أقل بكثير، وطاقة اضمحلال أقل ، والعديد منها ( ¹⁵¹ Sm، ¹⁵⁵ Eu، ^113m Cd) يتم تدميرها أيضًا بسرعة عن طريق التقاط النيوترون أثناء وجودها في المفاعل، وبالتالي فهي ليست مسؤولة عن أكثر من جزء صغير من إنتاج الإشعاع في أي وقت. لذلك، في الفترة من عدة سنوات إلى عدة مئات من السنين بعد الاستخدام، يمكن نمذجة النشاط الإشعاعي للوقود المستنفد ببساطة على أنه اضمحلال أسي للسيزيوم ¹³⁷ والسترونشيوم ^90. تُعرف هذه أحيانًا باسم نواتج الانشطار متوسطة العمر. ^{[1] [2]}

إن كريبتون-85 ، ثالث أكثر أنواع الوقود النووي المستنفد نشاطاً، هو غاز نبيل يُسمح له بالهروب أثناء إعادة المعالجة النووية الحالية ؛ ومع ذلك، فإن خموله يعني أنه لا يتركز في البيئة، بل ينتشر إلى تركيز منخفض موحد في الغلاف الجوي. ومن غير المرجح أن تتم إعادة معالجة الوقود المستنفد في الولايات المتحدة وبعض البلدان الأخرى إلا بعد عقود من الاستخدام، وبحلول ذلك الوقت يكون معظم الوقود المستنفد ⁸⁵ قد تحلل.

الأكتينيدات ومنتجات الانشطار حسب عمر النصف ف ت هـ
الأكتينيدات [3] حسب سلسلة الاضمحلال				مدى نصف العمر ( أ )	نواتج انشطار اليورانيوم 235 حسب العائد [4 ]
4 ن	4 ن + 1	4 ن + 2	4 ن + 3		4.5-7%	0.04-1.25%	<0.001%
228 رارقم				4-6 أ		155 يورو​
248 كتاب[5]				> 9 أ
244 سم​	241 بو​	250 قدم مكعب	227 أكترقم	10-29 أ	90 ريال	85 كرونا	113م كد
232 وحدة​		238 بو​	243 سم​	29–97 أ	137 س	151 سممكعب	121م سن
	249 قدممكعب	242 مصباحا		141-351 أ	لا يوجد لمنتجات الانشطار عمر نصف يتراوح بين 100 ألف و210 ألف كيلو.
	241 صباحًا​		251 ق فƒ[6]	430–900 أ
		226 رارقم	247 بك	1.3–1.6 ألف كيلو
240 بو	229 ث	246 سم​	243 صباحًا​	4.7–7.4 ألف سنة
	245 سم​	250 سم		8.3–8.5 ألف سنة
			239 بو​	24.1 كيلو
		230 ثرقم	231 باسكالرقم	32–76 ألف سنة
236 نيوتن.متر​	233 وحدة​	234 يورقم		150-250 كيلو	99 تيرابايت	126 قصدير
248 سم		242 بو		327–375 ألف سنة		79 س₡
				1.33 مليون	135 سيز₡
	237 نيوتن.متر​			1.61–6.5 مليون سنة	93 زر	107 د
236 يو			247 سم​	15–24 مليون سنة		129 جنيهاسترليني
244 بو				80 مليون	... ولا يتجاوز 15.7 مليون سنة [7]
232 ثرقم		238 يورقم	235 يو​	0.7–14.1 جيجا
₡، لها مقطع عرضي لالتقاط النيوترونات الحرارية في نطاق 8–50 حظيرة ƒ,  انشطارية رقم، في المقام الأول مادة مشعة تحدث بشكل طبيعي (NORM) þ،  السم النيوتروني (مقطع التقاط النيوترون الحراري أكبر من 3 آلاف حظيرة)

بعد تحلل ¹³⁷ Cs و ^{90 Sr إلى مستويات منخفضة، فإن الجزء الأكبر من النشاط الإشعاعي من الوقود المستنفد لا يأتي من منتجات الانشطار ولكن من} الأكتينيدات ، ولا سيما البلوتونيوم 239 (نصف عمر 24 ألف  سنة )، والبلوتونيوم 240 (6.56 ألف سنة)، والأمريسيوم 241 (432 سنة)، والأمريسيوم 243 (7.37 ألف سنة)، والكوريوم 245 (8.50 ألف سنة)، والكوريوم 246 (4.73 ألف سنة). يمكن استرداد هذه المواد عن طريق إعادة المعالجة النووية (إما قبل أو بعد معظم تحلل ¹³⁷ Cs و ⁹⁰ Sr) وانشطارها، مما يوفر إمكانية تقليل النشاط الإشعاعي للنفايات بشكل كبير في مقياس زمني يتراوح من حوالي 10 ³ إلى 10 ⁵ سنوات. يمكن استخدام البلوتونيوم ²³⁹ كوقود في المفاعلات الحرارية الحالية ، ولكن بعض الأكتينيدات الثانوية مثل الأمونيوم ²⁴¹ ، وكذلك النظير غير الانشطاري والأقل خصوبة البلوتونيوم 242 ، يتم تدميرها بشكل أفضل في المفاعلات السريعة ، أو المفاعلات دون الحرجة التي تعمل بالمسرعات ، أو مفاعلات الاندماج . للأمريسيوم 241 بعض التطبيقات الصناعية ويستخدم في أجهزة الكشف عن الدخان وبالتالي غالبًا ما يتم فصله عن النفايات لأنه يجلب سعرًا يجعل مثل هذا الفصل اقتصاديًا.

وعلى نطاقات أكبر من 10 سنوات ^وخمس سنوات، تمثل منتجات الانشطار، وخاصة ⁹⁹ تيرا كربون ، مرة أخرى نسبة كبيرة من النشاط الإشعاعي المتبقي، على الرغم من انخفاضه، إلى جانب الأكتينيدات الأطول عمراً مثل النبتونيوم 237 والبلوتونيوم 242 ، إذا لم يتم تدميرها.

إن أكثر نواتج الانشطار وفرة وطول العمر لها طاقة اضمحلال إجمالية تبلغ حوالي 100-300 كيلو إلكترون فولت، ويظهر جزء منها فقط في جسيم بيتا؛ ويضيع الباقي في نيوترينو ليس له أي تأثير. وعلى النقيض من ذلك، تخضع الأكتينيدات لتحللات ألفا متعددة ، كل منها بطاقة اضمحلال تبلغ حوالي 4-5 ميجا إلكترون فولت.

إن سبعة فقط من نواتج الانشطار لها عمر نصف طويل، وهي أطول كثيراً من ثلاثين عاماً، في نطاق يتراوح بين مائتي ألف إلى ستة عشر مليون سنة. وتُعرف هذه المنتجات باسم منتجات الانشطار الطويلة العمر. وثلاثة منها تتمتع بعائدات عالية نسبياً تبلغ نحو 6%، في حين تبدو بقية المنتجات ذات العائدات أقل كثيراً. (تستبعد هذه القائمة التي تضم سبعة نظائر ذات تحلل بطيء للغاية وعمر نصف أطول من عمر الكون، وهي مستقرة فعلياً وموجودة بالفعل في الطبيعة، فضلاً عن بعض النويدات مثل التكنيشيوم -98 والساماريوم -146 التي "تختفي" من تحلل بيتا ولا يمكن أن تحدث إلا كنواتج انشطار مباشرة، وليس كنواتج انشطار بيتا لنواتج انشطار أولية أكثر ثراءً بالنيوترونات. وتبلغ العائدات من نواتج الانشطار المختفية نحو واحد على المليون من اليود -129).

منتجات الانشطار طويلة العمر

• ف
• ت
• هـ

النويدة	ت 1 ⁄ 2	أَثْمَر	س [أ1]	بيتا
	( ما )	(%) [أ 2]	( كيلو إلكترون فولت )
99 تيرا	0.211	6.1385	294	بيتا
126 قصدير	0.230	0.1084	4050 [أ 3]	بيتا غاما
79 س	0.327	0.0447	151	بيتا
135 سي	1.33	6.9110 [أ 4]	269	بيتا
93 زر	1.53	5.4575	91	بيتا
107 د	6.5	1.2499	33	بيتا
129 أنا	16.14	0.8410	194	بيتا
^ يتم تقسيم طاقة الاضمحلال بين β ، والنيوترينو ، و γ إن وجدت. ^ لكل 65 انشطار نيوتروني حراري لـ 235 U و 35 من 239 Pu . ^ تبلغ طاقة اضمحلاله 380 كيلو إلكترون فولت، ولكن ناتج اضمحلاله 126 Sb تبلغ طاقة اضمحلاله 3.67 ميجا إلكترون فولت. ^ أقل في المفاعلات الحرارية لأن 135 Xe ، سلفه، يمتص النيوترونات بسهولة .

الثلاثة الأولى لها نصف عمر مماثل، ما بين 200 ألف إلى 300 ألف سنة؛ أما الأربعة الأخيرة فلديها نصف عمر أطول، في ملايين السنين.

1. ينتج التكنيشيوم-99 أكبر كمية من إشعاع LLFP. ينبعث منه جسيمات بيتا ذات طاقة منخفضة إلى متوسطة ولكن لا ينبعث منه ^أشعة جاما ، لذا فإن مخاطره قليلة عند التعرض الخارجي، ولكن فقط عند تناوله. ومع ذلك، تسمح كيمياء التكنيشيوم له بتكوين أنيونات ( بيرتكنيتات ، TcO4- ₎ متحركة نسبيًا في البيئة.
2. يتمتع القصدير-126 بطاقة اضمحلال كبيرة (بسبب ناتج اضمحلاله القصير التالي ) وهو LLFP الوحيد الذي ينبعث منه إشعاع جاما النشط ، وهو خطر التعرض الخارجي. ومع ذلك، يتم إنتاج هذا النظير بكميات صغيرة جدًا في الانشطار بواسطة النيوترونات الحرارية ، وبالتالي فإن الطاقة لكل وحدة زمنية من ¹²⁶ Sn تبلغ حوالي 5% فقط من ⁹⁹ Tc لانشطار U-235، أو 20% بقدر 65% U-235 + 35% Pu-239. قد ينتج الانشطار السريع عائدات أعلى. القصدير هو معدن خامل ذو قدرة قليلة على الحركة في البيئة، مما يساعد على الحد من المخاطر الصحية الناجمة عن إشعاعه.
3. يتم إنتاج السيلينيوم-79 بكميات منخفضة ولا يصدر سوى إشعاعات ضعيفة. يجب أن تكون طاقة اضمحلاله لكل وحدة زمنية حوالي 0.2% فقط من طاقة اضمحلال التكتونيوم-99.
4. يتم إنتاج الزركونيوم 93 بمعدل إنتاج مرتفع نسبيًا يبلغ حوالي 6%، ولكن تحلله أبطأ بنحو 7.5 مرة من تحلل التكتونيوم 99، وطاقة تحلله تعادل 30% فقط؛ وبالتالي فإن إنتاجه من الطاقة في البداية تعادل 4% فقط من تحلل التكتونيوم 99، على الرغم من أن هذه النسبة ستزداد مع تحلل التكتونيوم 99. ينتج الزركونيوم ^{93 إشعاع غاما، ولكن بطاقة منخفضة للغاية،} والزركونيوم خامل نسبيًا في البيئة.
5. يتم إنتاج سلف السيزيوم 135 زينون 135 بمعدل مرتفع يزيد عن 6٪ من الانشطارات، ولكنه ممتص قوي للغاية للنيوترونات الحرارية ( سم النيوترون )، بحيث يتحول معظمه إلى زينون 136 مستقر تقريبًا قبل أن يتمكن من التحلل إلى السيزيوم 135. إذا تم تدمير 90٪ من ¹³⁵ Xe، فإن طاقة تحلل السيزيوم ¹³⁵ المتبقية لكل وحدة زمنية تكون في البداية حوالي 1٪ فقط من طاقة ⁹⁹ Tc. في مفاعل سريع، قد يتم تدمير أقل من Xe-135. السيزيوم
   ¹³⁵ هو LLFP القلوي أو الموجب الكهربي الوحيد ؛ على النقيض من ذلك، فإن منتجات الانشطار الرئيسية متوسطة العمر والأكتينيدات الثانوية بخلاف النبتونيوم كلها قلوية وتميل إلى البقاء معًا أثناء إعادة المعالجة؛ مع العديد من تقنيات إعادة المعالجة مثل محلول الملح أو تطاير الملح، سيبقى السيزيوم ^{135 أيضًا مع هذه المجموعة، على الرغم من أن بعض التقنيات مثل التطاير عالي الحرارة يمكن أن تفصله. غالبًا ما يتم} تزجيج النفايات القلوية لتشكيل نفايات عالية المستوى ، والتي ستشمل السيزيوم ^135.
   يحتوي السيزيوم الانشطاري ليس فقط على السيزيوم ^{135 ولكن أيضًا على السيزيوم 133} المستقر ولكنه يمتص النيوترونات (الذي يهدر النيوترونات ويشكل السيزيوم ¹³⁴ وهو مشع بنصف عمر يبلغ عامين) بالإضافة إلى منتج الانشطار الشائع السيزيوم ¹³⁷ الذي لا يمتص النيوترونات ولكنه مشع للغاية، مما يجعل التعامل معه أكثر خطورة وتعقيدًا؛ لكل هذه الأسباب، سيكون التخلص من السيزيوم ^{135 عن طريق التحويل أكثر صعوبة.}
6. يتميز البلاديوم 107 بنصف عمر طويل للغاية، وعائد منخفض (على الرغم من أن العائد من انشطار البلوتونيوم أعلى من العائد من انشطار اليورانيوم 235 )، وإشعاع ضعيف للغاية. يجب أن تكون مساهمته الأولية في إشعاع LLFP حوالي جزء واحد فقط في 10000 لانشطار ²³⁵ U، أو 2000 لانشطار 65% ²³⁵ U + 35% ²³⁹ Pu. البلاديوم معدن نبيل وخامل للغاية.
7. يتمتع اليود-129 بأطول عمر نصف ، 15.7 مليون سنة، وبسبب عمره النصفي الأعلى، ونسبة الانشطار المنخفضة وطاقة الاضمحلال، فإنه ينتج حوالي 1% فقط من شدة النشاط الإشعاعي مثل ⁹⁹ Tc. ومع ذلك، فإن اليود المشع يشكل خطرًا بيولوجيًا غير متناسب لأن الغدة الدرقية تركز اليود. يبلغ عمر النصف لليود ^{129I ما يقرب من} مليار مرة أطول من نظيره الشقيق الأكثر خطورة ^131I ؛ وبالتالي، مع عمر نصف أقصر وطاقة اضمحلال أعلى، يكون اليود ^131I أكثر إشعاعًا بحوالي مليار مرة من نظيره الأطول عمرًا ^129I .

في المجمل، تطلق مفاعلات LLFP الستة الأخرى، في الوقود المستهلك للمفاعل الحراري، في البداية ما يزيد قليلاً عن 10% من الطاقة لكل وحدة زمنية مثل Tc-99 لانشطار U-235، أو 25% من 65% U-235 + 35% Pu-239. بعد حوالي 1000 عام من استخدام الوقود، ينخفض ​​النشاط الإشعاعي من منتجات الانشطار متوسطة العمر Cs-137 وSr-90 إلى ما دون مستوى النشاط الإشعاعي من Tc-99 أو مفاعلات LLFP بشكل عام. (إذا لم تتم إزالة الأكتينيدات، فستصدر نشاطًا إشعاعيًا أكثر من أي منهما في هذه المرحلة). بحلول حوالي مليون عام، سيكون النشاط الإشعاعي لـ Tc-99 قد انخفض إلى ما دون نشاط Zr-93، على الرغم من أن ثبات الأخير يعني أنه ربما لا يزال أقل خطورة. بحلول حوالي 3 ملايين عام، ستكون طاقة اضمحلال Zr-93 قد انخفضت إلى ما دون طاقة I-129.

يُنظر إلى التحويل النووي كطريقة للتخلص، في المقام الأول بالنسبة لـ Tc-99 وI-129 حيث يمثل كلاهما أعظم المخاطر البيولوجية ولديهما أكبر مقاطع عرضية لالتقاط النيوترونات ، على الرغم من أن التحويل لا يزال بطيئًا مقارنة بانشطار الأكتينيدات في المفاعل. كما تم النظر في التحويل بالنسبة لـ Cs-135، ولكن من المؤكد تقريبًا أنه ليس مفيدًا بالنسبة لـ LLFPs الأخرى. نظرًا لأن السيزيوم المستقر-133 ينتج أيضًا في الانشطار النووي، فإن كلاً من السيزيوم-133 ومنتج تنشيط النيوترون الخاص به¹³⁴
السيزيوم عبارة عن سموم نيوترونية ، تحويل¹³⁵
قد يتطلب السيزيوم فصل النظائر .⁹⁹
تعتبر Tc جذابة بشكل خاص للتحويل ليس فقط بسبب الخصائص غير المرغوبة للمنتج المراد تدميره والمقطع العرضي لامتصاص النيوترون المرتفع نسبيًا ولكن أيضًا بسبب¹⁰⁰
يتحلل Tc بسرعة إلى بيتا مستقرًا¹⁰⁰
الروثينيوم ليس له نظائر مشعة ذات عمر نصف أطول بكثير من عام وسعر الروثينيوم مرتفع نسبيًا، مما يجعل تدميره مستحيلًا .⁹⁹
يمكن أن يصبح استخدام المعادن الثمينة مصدرًا مربحًا لإنتاج معدن ثمين من مادة خام غير مرغوب فيها.