Actínidos menores
Los actínidos minoritarios o junior son elementos transuránicos distintos del plutonio , formados durante el funcionamiento de un reactor nuclear . De importancia práctica son los isótopos de neptunio , americio y curio , otros elementos en los reactores de potencia se forman en cantidades insignificantes (pero pueden producirse en reactores de investigación especiales con una alta densidad de flujo de neutrones).
SNF contiene aproximadamente un orden de magnitud menos de actínidos menores que el plutonio (el contenido específico y la composición dependen en gran medida de la profundidad de quemado y el espectro de neutrones). Una tonelada de VVER SNF con un quemado del 4% contiene aproximadamente 10 kg de isótopos de plutonio, 500-700 g de neptunio, 600 g de americio-241 (después de 10 años de exposición), 120 g de americio-243, hasta 60 g de curio (incluido el curio-242 de vida corta) [2] [3] .
Muchos actínidos menores son emisores alfa con una vida media muy larga (cientos, miles e incluso millones de años), lo que los convierte en uno de los componentes más peligrosos del combustible nuclear gastado a largo plazo (en 200-300 años, cuando la radiactividad de los fragmentos de fisión caerá miles de veces).
Neptunio
La reacción principal en un reactor nuclear es la fisión de uranio-235 por medio de neutrones . Pero en alrededor del 15% de los casos, cuando se captura un neutrón, no se produce la fisión, sino que se forma un núcleo de uranio-236. Además, el uranio-236 también puede absorber neutrones, con la formación de uranio-237 beta-radiactivo de vida corta ( T ½ = 6,75 días), que, al desintegrarse, da neptunio-237 :
![{\displaystyle {\ce {^{236}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{237}_{92}U ->[\beta^-][6,75 \ {\ ce {d}}] ^{237}_{93}Np}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/715b075b6498142c091e5575910faff5e0984a7b)
Además, el neptunio-237 puede capturar neutrones y convertirse en plutonio-238 (esta es la principal fuente de acumulación de Pu-238 en SNF y el método principal para la producción de Pu-238 para RTG ):
![{\mathrm {^{{237}}_{{93}}Np}}({\mathrm {n}},\gamma ){\mathrm {^{{238}}_{{93}}Np}} \ {\xrightarrow[ {2117\ {\mathrm {d}}}]{\beta ^{-}\ 1292\ {\mathrm {MeV}}}}\ {\mathrm {^{{238}}_{{ 94}}Pu}}.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/00a9754c9f35de06cf8b2d3a443a159fc910256a)
T ½ neptunio-237 es de 2,1 millones de años. Debido a la larga vida media, su radiotoxicidad es relativamente baja (actividad específica 26 MBq/g).
Americius
Durante la operación de un reactor nuclear, el plutonio-239 se forma a partir del uranio-238 mediante la captura de un neutrón y dos desintegraciones beta:
![{\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->[\beta^- ][23,5\ {\ce {min}}] {}^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2,356\ {\ce {d}}] {}^{239}_{ 94}Pu}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/15bb66867a3b931a990a4b1de2b7a1f3692701e0)
Además, al capturar neutrones, Pu-239 se convierte sucesivamente en Pu-240, 241, 242 y 243. El plutonio-241 tiene una vida relativamente corta ( T ½ = 14 años), y por desintegración beta se convierte en americio-241 con T ½ = 432 años, y plutonio-243 de vida corta ( T ½ = 5 horas) - en americio-243 con T ½ = 7364 años [4] . También hay un isómero nuclear de larga vida Am-242m con T ½ = 140 años, pero tiene una sección transversal de fisión de neutrones térmicos muy grande (6200 barns [5] ), por lo que no se produce en un reactor en cantidades significativas.
Curio
El americio 241 y 243 forma isótopos de vida corta 242 y 244 por captura de neutrones El americio-242 con un período T ½ = 16 horas se convierte en curio-242 por desintegración beta con una probabilidad del 83 % (el 17 % restante es captura de electrones en plutonio-242). El americio-244 con un período de T ½ = 10 horas se desintegra en curio-244. La vida media de curio-242 T ½ = 163 días. Puede capturar un neutrón y convertirse en curio-243 con T ½ = 29 años, pero debido a la corta vida media y la baja sección transversal de captura, es mucho más probable la descomposición alfa a plutonio-238. Curium-244 tiene una vida media T ½ = 18 años. Además, el curio-244 puede, capturando neutrones, convertirse en curio-245 ( T ½ = 8250 años) y otros más pesados hasta curio-248, pero este proceso es muy lento en los reactores de potencia convencionales.
California
En un reactor de potencia convencional, los isótopos de curio más pesados que 244 se forman en cantidades extremadamente pequeñas, tk. incluso los isótopos de curio tienen secciones transversales de captura bajas [6] (con flujos de neutrones característicos de los reactores de potencia del orden de 10 13 n / (cm² • seg), no más que un pequeño porcentaje de curio-244 reacciona durante la campaña, y fracciones de un porcentaje de curio-246 y 248), y es muy probable que los isótopos impares se fisionen al capturar un neutrón (la probabilidad de fisión por neutrones térmicos es del 85 % para el curio-245 y del 64 % para el curio-247). Sin embargo, cuando los objetivos de americio o curio se irradian en reactores de alto flujo especialmente diseñados, como SM , donde los flujos de neutrones alcanzan 5 x 10 15 n/(cm² • seg), la proporción de curio reaccionado es órdenes de magnitud mayor, por lo que parte del curio se convierte en curio-249 beta-radiactivo de vida corta, que se convierte en berkelio -249 con T ½ = 64 minutos , y se convierte en californio-249 con T ½ = 330 días (o, berkelio-249 puede capturar un neutrón, convirtiéndolo en berkelio-250, que luego, con un período de vida media de 3 horas, decaerá en californio-250). Además, los isótopos de californio 250, 251 y 252 se forman por captura de neutrones. Este último ha encontrado aplicación como una fuente muy poderosa de neutrones (debido a la corta vida media T ½ \u003d 2.6 años y la alta probabilidad de fisión espontánea - 3 %, su fondo de neutrones es miles de millones de veces mayor que el plutonio-240 y cientos de billones de veces mayor que el uranio-238: un microgramo de californio-252 emite 2,3 millones de neutrones por segundo). Varias decenas de miligramos de californio-252 se sintetizan anualmente en el mundo.
Notas
- ↑ Sasahara, Akihiro; Matsumura, Tetsuo; Nicolaou, Giorgos; Papaioannou, Dimitri (abril de 2004). “Evaluación de fuentes de neutrones y rayos gamma de combustibles gastados LWR de UO2 y MOX de alto quemado”. Revista de Ciencia y Tecnología Nuclear . 41 (4): 448-456. DOI : 10.3327/jnst.41.448 .
- ↑ Copia archivada . Consultado el 31 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 3 de marzo de 2022.
- ↑ Combustible nuclear gastado de reactores térmicos . Consultado el 31 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 15 de mayo de 2021.
- ↑ Copia archivada . Consultado el 31 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 9 de agosto de 2021.
- ↑ Atlas de secciones transversales térmicas de resonancias de neutrones e integrales de resonancia . Consultado el 31 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 7 de mayo de 2021.
- ↑ Atlas de secciones transversales térmicas de resonancias de neutrones e integrales de resonancia . Consultado el 31 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 7 de mayo de 2021.