Nükleer fisyon ürünü

Nükleer fisyon ürünleri, büyük bir atom çekirdeğinin nükleer fisyona girmesinden sonra kalan atomik parçalardır. Tipik olarak, uranyum fisyonları gibi büyük bir çekirdek, birkaç nötronla birlikte iki küçük çekirdeğe, ısı enerjisinin salınımı (çekirdeklerin kinetik enerjisi) ve gama ışınlarına bölünerek bölünür. İki küçük çekirdek, fisyon ürünleridir.

Fisyonların yaklaşık %0,2 ila %0,4'ü, helyum-4 (%90) veya trityum (%7) gibi üçüncü bir hafif çekirdek üreten üçlü fisyonlardır.

Fisyon ürünleri genellikle kararsızdır ve bu nedenle radyoaktiftir. Atom numaralarına göre görece nötron açısından zengin oldukları için, çoğu hızlı bir şekilde beta bozunmasına uğrar. Bu, beta parçacıkları, antinötrinolar ve gama ışınları şeklinde ek enerji açığa çıkarır. Bu nedenle, fisyon olayları normalde beta ve gama radyasyonu ile sonuçlanır, ancak bu radyasyon doğrudan fisyon olayı tarafından üretilmese bile.

Üretilen radyonüklitlerin farklı yarı ömürleri vardır ve bu nedenle radyoaktivite açısından farklılık gösterir. Örneğin, stronsiyum-89 ve stronsiyum-90, fisyonda benzer miktarlarda üretilir ve her bir çekirdek, beta emisyonu ile bozulur. Ancak ⁹⁰Sr'nin 30 yıllık yarılanma ömrü ve ⁸⁹Sr'nin 50,5 günlük yarı ömrü vardır. Böylece 50.5 günde, ⁸⁹Sr atomunun yarısının bozunması, bozunmalarla aynı sayıda beta parçacığı yayması, ⁹⁰Sr atomlarının %0,4'ünden daha azının bozunması ve betaların yalnızca %0,4'ünü yayması gerekir. Radyoaktif emisyon oranı, aynı zamanda en hızlı bozunmalarına rağmen, en kısa ömürlü radyonüklitler için en yüksektir. Ek olarak, daha az kararlı fisyon ürünleri, daha az bozunmaya ve radyasyon emisyonuna maruz kalan diğer radyonüklidlere bozunarak, radyasyon çıktısına ek olarak kararlı çekirdeklere daha az bozunur. Kullanılmış yakıtın acil tehlikesi olan bu kısa ömürlü fisyon ürünleridir ve radyasyonun enerji çıkışı da kullanılmış yakıtı depolarken dikkate alınması gereken önemli bir ısı üretir. Yaratılan yüzlerce farklı radyonüklit olduğu için, kısa ömürlü radyonüklitler bozuldukça başlangıçtaki radyoaktivite seviyesi hızla azalır, ancak daha uzun ömürlü radyonüklitler kalan kararsız atomların daha fazlasını oluşturduğu için asla tamamen durmaz.

Oluşum ve Bozunma

Bir bölünebilir atomun bölünmesiyle üretilen iki atomun atom kütlesinin toplamı, her zaman orijinal atomun atom kütlesinden daha azdır. Bunun nedeni, kütlenin bir kısmının serbest nötronlar olarak kaybolması ve fisyon ürünlerinin kinetik enerjisinin kaldırılmasından sonra (yani, ürünler reaksiyon tarafından sağlanan ısıyı çıkarmak için soğutulduğunda), bu enerji ile ilişkili kütlenin sisteme de kapalıdır ve bu nedenle soğutulmuş fisyon ürünlerinde "eksik" görünmektedir.

Kolayca fisyona girebilen çekirdekler özellikle nötron açısından zengin olduğundan (örneğin uranyum-235'teki nükleonların %61'i nötronlardır), ilk fisyon ürünleri genellikle fisyon ürünü ile aynı kütlede olan kararlı çekirdeklerden daha fazla nötron açısından zengindir ( örneğin stabil zirkonyum-90, %58'deki kararsız stronsiyum-90 ile karşılaştırıldığında %56 nötrondur). Bu nedenle ilk fisyon ürünleri kararsız olabilir ve tipik olarak kararlı bir konfigürasyona doğru ilerlemek için beta bozunmasına uğrayabilir, her beta emisyonunda bir nötron protona dönüştürülür. (Fisyon ürünleri, alfa bozunması yoluyla bozulmaz.)

Birkaç nötronca zengin ve kısa ömürlü başlangıç fisyon ürünü, sıradan beta bozunmasıyla bozulur (bu, algılanabilir yarı ömür kaynağıdır, tipik olarak saniyenin onda biri ila birkaç saniyedir), ardından uyarılmış yavru ürün bir nötronun hemen salımı izler. Bu süreç, bir nükleer reaktörün kontrolünde önemli bir rol oynayan sözde gecikmiş nötronların kaynağıdır.

İlk beta bozunmaları hızlıdır ve yüksek enerjili beta parçacıkları veya gama radyasyonu salabilir. Bununla birlikte, fisyon ürünleri kararlı nükleer koşullara yaklaştıkça, son bir veya iki bozulma uzun bir yarı ömre sahip olabilir ve daha az enerji açığa çıkarabilir.

Zaman içinde radyoaktivite

Fisyon ürünlerinin yarılanma ömrü 90 yıl (samaryum-151) veya, yarı ömrü 211,100 yıl (teknetyum-99) veya daha fazla olan yedi uzun ömürlü fisyon ürünü hariç daha azdır. Bu nedenle, saf fisyon ürünleri karışımının toplam radyoaktivitesi ilk birkaç yüz yıl boyunca hızla azalır (kısa ömürlü ürünler tarafından kontrol edilir) Yüzbinlerce yıldır çok az değişen düşük bir seviyede stabilize edilir (yedi uzun ömürlü ürün tarafından kontrol edilir).

Aktinidlerin çıkarıldığı saf fisyon ürünlerinin bu davranışı, hala aktinidler içeren yakıtın bozunmasıyla çelişir. Bu yakıt, sözde "açık" (yani nükleer yeniden işleme yok) nükleer yakıt döngüsünde üretilir. Bu aktinitlerin bir kısmı, yaklaşık 100 ila 200.000 yıllık eksik aralıkta yarı ömürlere sahiptir ve bu, açık çevrim yeniden işlenmemiş yakıtlar için bu zaman aralığında depolama planlarında bazı zorluklara neden olur.

Integral Fast Reactor ve erimiş tuz reaktörü gibi tüm aktinitlerini fisyon yoluyla tüketmeyi amaçlayan nükleer yakıt çevrimi savunucuları, bu gerçeği, 200 yıl içinde yakıt atıklarının orijinal uranyum cevherinden daha fazla radyoaktif olmadığını iddia etmek için kullanıyorlar.

Fisyon ürünleri beta radyasyonu yayarken, aktinitler öncelikle alfa radyasyonu yayar. Her biri ayrıca gama radyasyonu yayar.

Verim

Fisyon ürünü kütle olarak uranyum-235, plütonyum-239, mevcut nükleer güç reaktörlerinin iki tipik kombinasyonu ve toryum döngüsünde kullanılan uranyum-233'ün termal nötron fisyonu için verir.

Bir ana atomun her fisyonu, farklı bir fisyon ürün atomu seti üretir. Bununla birlikte, bireysel bir fisyon öngörülebilir olmasa da, fisyon ürünleri istatistiksel olarak tahmin edilebilir. Fisyon başına üretilen herhangi bir belirli izotop miktarı, tipik olarak ana fisyon başına yüzde olarak ifade edilen verimi olarak adlandırılır; bu nedenle, %100 değil, toplam %200 verir. (Gerçek toplam, nadir görülen üçlü bölünme vakaları nedeniyle aslında %200'den biraz fazladır.)

Fisyon ürünleri, çinkodan lantanitler boyunca her elementi içerirken, fisyon ürünlerinin çoğu iki zirvede meydana gelir. Bir zirve, yaklaşık (atom numarası ile ifade edilir) stronsiyumdan rutenyuma kadar meydana gelirken, diğer tepe yaklaşık tellürden neodimiyuma kadardır. Verim, bir şekilde ana atoma ve ayrıca başlatan nötronun enerjisine bağlıdır.

Genel olarak nükleer fisyona giren durumların enerjisi ne kadar yüksekse, iki fisyon ürününün benzer kütleye sahip olma olasılığı o kadar yüksektir. Dolayısıyla, nötron enerjisi arttıkça veya bölünebilir atomun enerjisi arttıkça, iki tepe arasındaki vadi daha sığ hale gelir. Örneğin, ²³⁹Pu'nun kütleye karşı verim eğrisi, nötronlar termal nötronlar olduğunda ²³⁵U için gözlemlenenden daha sığ bir vadiye sahiptir. Daha sonraki aktinitlerin bölünmesi için eğriler, daha sığ vadiler oluşturma eğilimindedir. ²⁵⁹Fm gibi ekstrem durumlarda yalnızca bir tepe görülür; bu, kabuk etkilerinden dolayı simetrik fisyonun baskın hale gelmesinin bir sonucudur.

Yandaki şekil uranyum fisyonundan tipik bir fisyon ürün dağılımını göstermektedir. Bu grafiği yapmak için kullanılan hesaplamalarda, fisyon ürünlerinin aktivasyonunun göz ardı edildiğini ve fisyonun belirli bir süre yerine tek bir anda meydana geldiği varsayıldığını unutmayın. Bu çubuk grafikte sonuçlar, farklı soğutma süreleri için (bölünmeden sonraki süre) gösterilir. Çift sayıda proton veya nötron içeren çekirdeklerin kararlılığından dolayı, elemente karşı verim eğrisi düzgün bir eğri değildir, ancak değişme eğilimindedir. Kütle numarasına karşı eğrinin düzgün olduğuna dikkat edin.

Üretim

Doğal uranyumun düşük hızda kendiliğinden fisyonunun veya radyoaktif bozunmadan kaynaklanan nötronların veya kozmik ışın parçacıklarıyla reaksiyonların bir sonucu olarak doğal olarak küçük miktarlarda fisyon ürünleri oluşur. Bu fisyon ürünlerinin bazı doğal minerallerde (esas olarak apatit ve zirkon) bıraktığı mikroskobik izler, doğal kayaların soğuma (kristalleşme) yaşlarını sağlamak için fisyon izi tarihlemesinde kullanılır. Teknik, kullanılan mineral ve o mineraldeki uranyum konsantrasyonuna bağlı olarak 0.1 Ma ila >1.0 Ga arasında etkili bir tarihleme aralığına sahiptir.

Yaklaşık 1,5 milyar yıl önce Afrika'daki bir uranyum cevheri kütlesinde, doğal bir nükleer fisyon reaktörü birkaç yüz bin yıl boyunca çalıştı ve yaklaşık 5 ton fisyon ürünü üretti. Bu fisyon ürünleri, doğal reaktörün meydana geldiğine dair kanıt sağlamada önemliydi. Fisyon ürünleri, silah türüne göre değişen miktarlarda nükleer silah patlamalarında üretilir. En büyük fisyon ürünleri kaynağı nükleer reaktörlerdir. Mevcut nükleer enerji reaktörlerinde yakıttaki uranyumun yaklaşık %3'ü enerji üretiminin bir yan ürünü olarak fisyon ürünlerine dönüştürülmektedir. Bu fisyon ürünlerinin çoğu, yakıt elemanı arızası veya nükleer kaza olmadıkça veya yakıt yeniden işlenmedikçe yakıtta kalır.

Güç reaktörleri

Ticari nükleer fisyon reaktörlerinde, sistem acil durumlarda kendi kendine sönen acil subkritik durumda çalıştırılır. Yine de bozunma ısısı seviyesinin üzerindeki sıcaklığı koruyan reaktöre özgü fiziksel fenomen, öngörülebilir gecikmeli ve dolayısıyla kolayca kontrol edilen, hayati bir fisyon ürünü sınıfının bozundukları sırada dönüşümleri veya hareketleridir. Gecikmiş nötronlar, "gecikmiş nötron öncüleri" olarak adlandırılan nötron açısından zengin fisyon parçaları tarafından yayılır. Bromin-87, yaklaşık bir dakikalık yarı ömre sahip böylesine uzun ömürlü bir "köz" dür ve bu nedenle bozunma üzerine gecikmiş bir nötron yayar. Sıcaklığı korumak için fisyon ürünlerinin doğal olarak gecikmiş dönüşümüne veya hareketine bağlı olan bu gecikmiş kritik durumda çalışırken, sıcaklıklar insan geribildirimine izin verecek kadar yavaş değişir. Odun közlerinin yeni yakıta doğru hareketini kontrol etmek için açıklığı değiştiren yangın damperlerine benzer bir şekilde, nükleer yakıt zamanla yandıkça kontrol çubukları nispeten yukarı veya aşağı değişir.

Bir nükleer enerji reaktöründe, ana radyoaktivite kaynakları, aktinitler ve aktivasyon ürünleriyle birlikte fisyon ürünleridir. Fisyon ürünleri, ilk birkaç yüz yıldaki en büyük radyoaktivite kaynağı iken, aktinidler, yakıt kullanımından yaklaşık 10³ ila 10⁵ yıl sonra baskındır.

Fisyon nükleer yakıtta meydana gelir ve fisyon ürünleri öncelikle üretildikleri yere yakın yakıt içinde tutulur. Bu fisyon ürünleri reaktörün çalışması için önemlidir çünkü bazı fisyon ürünleri reaktör kontrolü için yararlı olan gecikmiş nötronlara katkıda bulunurken diğerleri nükleer reaksiyonu engelleme eğiliminde olan nötron zehirleridir. Fisyon ürünü zehirlerinin birikmesi, belirli bir yakıt elemanının reaktör içinde tutulabileceği maksimum sürenin belirlenmesinde kilit bir faktördür. Kısa ömürlü fisyon ürünlerinin bozunması, reaktör kapatıldıktan ve fisyon reaksiyonları durdurulduktan sonra bile yakıt içinde devam eden bir ısı kaynağı sağlar. Kapandıktan sonra bir reaktörün soğutulması için gereksinimleri belirleyen bu bozunma ısısıdır.

Yakıtın etrafındaki yakıt kaplamasında delikler oluşursa, fisyon ürünleri birincil soğutucunun içine sızabilir. Fisyon ürün kimyasına bağlı olarak, reaktör çekirdeğine yerleşebilir veya soğutma sistemi boyunca ilerleyebilir. Soğutucu sistemleri, bu tür fisyon ürünlerini ortadan kaldırma eğiliminde olan kimya kontrol sistemlerini içerir. Normal koşullar altında çalışan iyi tasarlanmış bir güç reaktöründe, soğutucunun radyoaktivitesi çok düşüktür.

Yakıt yeniden işleme tesislerinde (ve 2005'teki Çernobil bölgesinde) gama maruziyetinin çoğundan sorumlu izotopun sezyum-137 olduğu bilinmektedir. İyot-129, yeniden işleme tesislerinden salınan başlıca radyoaktif elementlerden biridir. Nükleer reaktörlerde hem sezyum-137 hem de stronsiyum-90 yakıttan uzak yerlerde bulunur. Bunun nedeni, bu izotopların, depolanmasını sağlayan asal gazların (3.8 dakikalık yarı ömre sahip ksenon-137 ve 32 saniyelik yarı ömre sahip kripton-90) beta bozunması ile oluşmasıdır yakıttan uzak yerler (örneğin kontrol çubukları üzerinde).

Nükleer reaktör zehirleri

Bazı fisyon ürünleri bir nötronun salınmasıyla bozulur. Orijinal fisyon olayı (kendi ani nötronlarını hemen salan) ile bu nötronların salınması arasında kısa bir gecikme olabileceğinden, sonuncusu "gecikmiş nötronlar" olarak adlandırılır. Bu gecikmiş nötronlar, nükleer reaktör kontrolü için önemlidir.

Ksenon-135 ve samaryum-149 gibi bazı fisyon ürünleri, yüksek bir nötron absorpsiyon kesitine sahiptir. Bir nükleer reaktör, nötron üretimi ve soğurma oranlarında bir dengeye bağlı olduğundan, nötronları reaksiyondan ayıran fisyon ürünleri, reaktörü kapatma veya reaktörü "zehirleme" eğiliminde olacaktır. Nükleer yakıtlar ve reaktörler, yanabilir zehirler ve kontrol çubukları gibi özelliklerle bu fenomeni ele almak için tasarlanmıştır. Kapatma veya düşük güçte çalışma sırasında ksenon-135 birikmesi, reaktörü yeniden başlatmayı engelleyecek kadar veya tam gücün yeniden başlatılması veya geri yüklenmesi sırasında reaksiyonun normal kontrolüne müdahale edecek kadar zehirleyebilir ve muhtemelen bir kaza senaryosuna neden olabilir veya buna katkıda bulunabilir.

Nükleer silahlar

Nükleer silahlar, kısmi veya ana enerji kaynağı olarak fisyon kullanır. Silah tasarımına ve nerede patladığına bağlı olarak, fisyon ürünü radyoaktivitesinin nispi önemi, toplam serpinti radyoaktivitesindeki aktivasyon ürünü radyoaktivitesiyle karşılaştırıldığında değişecektir.

Nükleer silah fisyonundan elde edilen ani fisyon ürünleri, fisyon yapan belirli bir nüklide biraz bağlı olarak, diğer fisyon kaynaklarından gelenlerle esasen aynıdır. Bununla birlikte, reaksiyon için çok kısa zaman ölçeği, bir atom bombasından üretilen izotopların belirli karışımında bir fark yaratır.

Örneğin, ¹³⁴Cs/¹³⁷Cs oranı, bir bombadan gelen serpinti ile bir güç reaktöründen gelen fisyon ürünlerini ayırt etmek için kolay bir yöntem sağlar. Neredeyse hiç sezyum-134 nükleer fisyon tarafından oluşmaz (çünkü ksenon-134 kararlıdır). ¹³⁴Cs'ler, izobardaki izotopların bozunmasıyla oluşan kararlı ¹³³Cs'lerin nötron aktivasyonu ile oluşturulur (A = 133). Yani anlık bir kritiklikte, nötron akışı sıfır olduğunda, herhangi bir ¹³³Cs'nin olması için çok az zaman geçmiş olacaktır. Bir güç reaktöründe izobardaki izotopların ¹³³Cs'ler oluşturmak için bozunması için bolca zaman varken, bu şekilde oluşturulan ¹³³Cs'ler, yalnızca kritikliğin başlangıcı ve bitişi arasındaki süre uzunsa ¹³⁴Cs'ler oluşturmak üzere aktive edilebilir.

Jiri Hala'nın ders kitabına göre, bir atom bombasındaki fisyon ürünü karışımındaki radyoaktivite çoğunlukla iyot-131 ve baryum-140 gibi kısa ömürlü izotoplardan kaynaklanıyor. Yaklaşık dört ay sonra, seryum-141, zirkonyum-95 /niyobyum-95 ve stronsiyum-89, radyoaktif malzemenin en büyük payını temsil eder. İki ila üç yıl sonra, radyoaktivitenin büyük bir kısmından seryum-144 /praseodymium-144, rutenyum-106 /rodyum-106 ve prometyum-147 sorumludur. Birkaç yıl sonra, radyasyona stronsiyum-90 ve sezyum-137 hakim olurken, 10.000 ila bir milyon yıl arasındaki dönemde hakim olan teknetyum-99'dur.