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核裂变产物

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裂变产物的质量数产额图:铀-235钚-239铀-233的热中子裂变产物

裂变产物即指核裂变过程中生成的产物。核裂变是指由较重的(原子序数较大的)原子,主要是指铀或钚,分裂成较轻的(原子序数较小的)原子的一种核反应形式。原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变。早期原子弹应用(以铀-238制备的)钚-239为原料制成,而铀-235裂变在核电厂最常见,由钍-232制备的铀-233也在实验堆中使用。

特点与种类[编辑]

重核原子经中子撞击后,分裂成为两个较轻的原子,这就是最初的裂变产物。由于重原子核的中子含量很高,大约60%(如钚-239含有145个中子),而轻的稳定原子核中子含量较低(50%~55%),因此裂变产物中都含有过多的中子。这些富含中子的裂变产物都通过系列β衰变(把中子变成质子的反应)最终变成稳定核,这一过程中将产生一系列放射性裂变产物,每个β系列都维持质量数不变,都以一个稳定核为终点。例如 氪-92 → 铷-92 → 锶-92 → 钇-92 → 锆-92。

核裂变生成众多不同产物,可以按照质量数分成不同的β系列,而这些不同系列(即不同质量数)的种类分布也是有规律的。如右图所示,每个重核都大致分裂成大小两个轻核,一个质量数在86~107之间(),一个质量数在131-148之间()。此外,微量的(0.2~0.4%)三裂式裂变,除了大小两个轻核外,还产生一个微小的氦-4或氚核。

放射性危害[编辑]

锕系 半衰期 裂变产物
244Cm 241Pu f 250Cf 243Cmf 10~30 y 137Cs 90Sr 85Kr
232 f 238Pu f代表
裂变
69~90 y 151Sm nc➔
4n 249Cf  f 242Amf 141~351 y 没有半衰期为
102年至2×105
的裂变产物
241Am 251Cf  f 431–898
240Pu 229Th 246Cm 243Am 5~7 Ky
4n 245Cmf 250Cm 239Pu f 8~24 Ky
233U    f 230Th 231Pa 32~160 Ky
4n+1 234U 4n+3 211~290 Ky 99Tc 126Sn 79Se
248Cm 242Pu 340~373 Ky 长寿命裂变产物
237Np 4n+2 1~2 My 93Zr 135Cs nc➔
236U 4n+1 247Cmf 6~23 My 107Pd 129I
244Pu 8 My >7% >5% >1% >.1%
232Th 238U 235U    f 0.7~12 By 裂变产物产额
中等寿命裂变产物
项:
单位:
t½
a
产额
%
Q*
KeV
βγ
*
155Eu 4.76 .0803 252 βγ
85Kr 10.76 .2180 687 βγ
113mCd 14.1 .0008 316 β
90Sr 28.9 4.505 2826 β
137Cs 30.23 6.337 1176 βγ
121mSn 43.9 .00005 390 βγ
151Sm 90 .5314 77 β

由于核反应堆存在核泄露的隐患,因此放射性裂变产物受到广泛关注。事实上,也是很幸运的,没有半衰期为百年至二十万年之间的裂变产物,因此放射性裂变产物可以分成两类,一类放射性强,但是可以在数百年内衰变殆尽;另一类放射性很弱,它们的放射性低于相应裂变原料,即放射性矿物,采用废料回填矿坑的办法就能达成“核工业降低地壳的放射性总量”。

第一类强放射性的裂变产物中,绝大多数半衰期很短,在泄露数月内就很快耗尽,但有几个核素半衰期在数年到数十年之间,列于上表“中寿命核分裂产物”,它们造成的影响将持续数十至数百年。其中最值得关注的是铯-137锶-90,它们的半衰期都约为30年(寿命很长),而且裂变产额都较高(产量很大),这两种原子核是裂变产物放置数年至数百年间放射性的主要来源(因为其它强放射性核或者数年内耗尽,或者含量太低)。如上表所示,铯-137和锶-90的产额和衰变能都显著地比其它核素高。不幸的是,这两种中长期辐射主力核素,恰巧都容易进入生物体内:铯和锶两种元素的化学性质分别与钾和钙相似,容易被人体吸收,特别是锶容易代替钙沉积在骨骼中,因此对铯-137和锶-90的回收利用或无害化处理十分重要。此外一些极短寿命的放射性产物也颇受关注,特别是碘-131,虽然数个月就能衰变殆尽,但它极易被人体吸收富集;另外,铯-134锶-89是另两个短寿强放射性核素,对人体伤害方式与铯-137和锶-90相同,只是危害时间更集中。[註 1]以上五个核素正是裂变产物泄漏造成数次人体伤害事故的主要元凶,相关数据列于下表:

核素 裂变产额 半衰期 衰变产物 衰变能 生物体
相似物
富集于器官 传播 对策
碘-131 ~3% 8.02天 β氙 971 keV 碘-127 甲状腺 大气水体 服用碘化钾
铯-137 6.3% 30.2年 β钡 1174 keV 肝、肾、肌肉 大气水体 深耕、钾肥
普鲁士蓝
铯-134 <6.8%[注1] 2.06年 β钡 1548 keV
锶-90 4.5% 27.7年 ββ锆 2826 keV 骨骼,无法排出 尘埃 土壤中撒石灰
锶-89 ~3% 50.5天 β钇 982 keV


第二类裂变产物放射性很低,却「太长寿」,最值得关注的是碘-129锝-99铯-135。虽然它们放射性比相应数量的铀矿原料低,但比铀矿更容易游离于自然水体之中,它们分别以I-TcO4-和Cs+形式溶解在水中,而且难以沉积,造成大自然水体的近乎永久性的放射性污染。因此它们的隔绝存放尤为重要。它们被自然水体稀释后,辐射量远低于自然界的辐射背底,不对人体健康造成影响,而且即使多量摄入也很容易排出。[註 2]

此外,核泄漏或核爆炸造成的放射污染还包括钚铀等锕系元素的污染,它们不属于核裂变产物。

[编辑]

  1. ^ 铯-134不是直接的裂变产物,它是裂变产物衰变后再次俘获中子生成的,因此不存在于核爆炸产物中、只存在于反应堆产物中。6.8%的产额指其与俘获中子的前体铯-133(无放射性)的总产额。(质量数134的β系列产物的衰变终点是稳定的氙-134,无法到达铯-134)
  2. ^ 铀矿中释放的易游离于水体中的、易游离于大气中的氡都极其短寿。铀本身的放射性也很低,但是它能稳定地产生一定比例的较高放射性的中间产物,比如等。