Kerntransmutation - Nuclear transmutation

Die Sonne ist ein natürlicher Fusionsreaktor und wandelt leichte Elemente durch stellare Nukleosynthese , eine Form der Kernfusion, in schwerere Elemente um .

Kerntransmutation ist die Umwandlung eines chemischen Elements oder eines Isotops in ein anderes chemisches Element. Kerntransmutation tritt bei jedem Prozess auf, bei dem die Anzahl der Protonen oder Neutronen im Kern eines Atoms geändert wird.

Eine Transmutation kann entweder durch Kernreaktionen (bei denen ein äußeres Teilchen mit einem Kern reagiert) oder durch radioaktiven Zerfall erreicht werden , bei dem keine äußere Ursache benötigt wird.

Natürliche Transmutation durch stellare Nukleosynthese hat in der Vergangenheit die meisten der schwereren chemischen Elemente im bekannten existierenden Universum geschaffen und findet bis heute statt und erzeugt die überwiegende Mehrheit der häufigsten Elemente im Universum, einschließlich Helium , Sauerstoff und Kohlenstoff . Die meisten Sterne führen Transmutationen durch Fusionsreaktionen mit Wasserstoff und Helium durch, während viel größere Sterne auch in der Lage sind, gegen Ende ihrer Entwicklung schwerere Elemente zu Eisen zu verschmelzen .

Elemente, die schwerer als Eisen sind, wie Gold oder Blei , werden durch elementare Transmutationen erzeugt, die nur in Supernovae natürlich vorkommen können . Wenn Sterne beginnen, schwerere Elemente zu verschmelzen, wird bei jeder Fusionsreaktion wesentlich weniger Energie freigesetzt. Dies setzt sich fort, bis es Eisen erreicht, das durch eine endotherme Reaktion unter Energieaufwand erzeugt wird. Unter solchen Bedingungen kann kein schwereres Element hergestellt werden.

Eine Art von natürlicher Transmutation, die in der Gegenwart beobachtbar ist, tritt auf, wenn bestimmte in der Natur vorhandene radioaktive Elemente spontan durch einen Prozess zerfallen, der eine Transmutation verursacht, wie z. B. Alpha- oder Beta-Zerfall . Ein Beispiel ist der natürliche Zerfall von Kalium-40 zu Argon-40 , das den größten Teil des Argons in der Luft bildet. Auch auf der Erde, natürliche Verwandlungen von den verschiedenen Mechanismen der natürlichen Kernreaktionen auftreten, aufgrund kosmischer Strahlung Bombardement von Elementen (beispielsweise Form Kohlenstoff-14 ), und gelegentlich auch aus natürlichem Neutronenbeschuss (siehe beispielsweise die natürlichen Kernspaltungsreaktor ).

Künstliche Transmutation kann in Maschinen auftreten, die genug Energie haben, um Veränderungen in der Kernstruktur der Elemente zu bewirken. Zu diesen Maschinen gehören Teilchenbeschleuniger und Tokamak- Reaktoren. Herkömmliche Kernspaltungsreaktoren verursachen auch eine künstliche Transmutation, nicht durch die Kraft der Maschine, sondern indem Elemente Neutronen ausgesetzt werden, die durch Spaltung einer künstlich erzeugten nuklearen Kettenreaktion erzeugt werden . Wenn beispielsweise ein Uranatom mit langsamen Neutronen beschossen wird, findet eine Spaltung statt. Dabei werden im Durchschnitt 3 Neutronen und eine große Menge Energie freigesetzt. Die freigesetzten Neutronen verursachen dann die Spaltung anderer Uranatome, bis das gesamte verfügbare Uran aufgebraucht ist. Dies wird als Kettenreaktion bezeichnet .

Künstliche Nukleartransmutation wurde als möglicher Mechanismus zur Verringerung des Volumens und der Gefahr radioaktiver Abfälle in Betracht gezogen .

Geschichte

Alchimie

Der Begriff Transmutation geht auf die Alchemie zurück . Alchemisten verfolgten den Stein der Weisen , der zur Chrysopöie fähig ist – der Umwandlung von unedlen Metallen in Gold. Während Alchemisten Chrysopoeia oft als Metapher für einen mystischen oder religiösen Prozess verstanden, nahmen einige Praktizierende eine wörtliche Interpretation an und versuchten, durch physikalische Experimente Gold herzustellen. Die Unmöglichkeit der metallischen Transmutation wurde seit dem Mittelalter unter Alchemisten, Philosophen und Wissenschaftlern diskutiert. Die pseudo-alchemistische Transmutation wurde ab dem 14. Jahrhundert verboten und öffentlich verspottet. Alchemisten wie Michael Maier und Heinrich Khunrath schrieben Traktate, die betrügerische Behauptungen über die Goldherstellung aufdeckten. In den 1720er Jahren gab es keine angesehenen Persönlichkeiten mehr, die die physische Umwandlung von Substanzen in Gold verfolgten. Antoine Lavoisier , im 18. Jahrhundert, ersetzt die alchemistischen Theorie der Elemente mit der modernen Theorie der chemischen Elemente, und John Dalton weiter den Begriff der Atom (aus der alchemistischen Theorie entwickelt Blutkörperchen ) , um verschiedene chemische Prozesse zu erklären. Der Zerfall von Atomen ist ein eigenständiger Prozess, der viel größere Energien erfordert, als die Alchemisten erreichen könnten.

Moderne Physik

Es wurde erstmals von Frederick Soddy bewusst auf die moderne Physik angewendet, als er 1901 zusammen mit Ernest Rutherford entdeckte, dass radioaktives Thorium sich selbst in Radium umwandelt . Im Moment der Erkenntnis, erinnerte sich Soddy später, rief er: "Rutherford, das ist Transmutation!" »Um Himmels willen, Soddy, nenn es nicht Transmutation «, fuhr Rutherford zurück .

Rutherford und Soddy beobachteten die natürliche Transmutation als Teil des radioaktiven Zerfalls des Alpha-Zerfalls . Die erste künstliche Transmutation wurde 1925 von Patrick Blackett , einem wissenschaftlichen Mitarbeiter unter Rutherford, mit der Transmutation von Stickstoff in Sauerstoff durchgeführt , wobei Alpha-Partikel verwendet wurden, die auf Stickstoff gerichtet waren ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p. Rutherford hatte 1919 gezeigt, dass ein Proton (er nannte es ein Wasserstoffatom) bei Alpha-Bombardement-Experimenten emittiert wurde, aber er hatte keine Informationen über den Restkern. Blacketts Experimente von 1921 bis 1924 lieferten den ersten experimentellen Nachweis einer künstlichen nuklearen Transmutationsreaktion. Blackett identifizierte den zugrunde liegenden Integrationsprozess und die Identität des Restkerns richtig. Im Jahr 1932 gelang Rutherfords Kollegen John Cockcroft und Ernest Walton eine vollständig künstliche Kernreaktion und Kerntransmutation , die künstlich beschleunigte Protonen gegen Lithium-7 verwendeten, um den Kern in zwei Alphateilchen zu spalten. Das Kunststück wurde im Volksmund als "Spaltung des Atoms" bezeichnet, obwohl es nicht die moderne Kernspaltungsreaktion war , die 1938 von Otto Hahn , Lise Meitner und ihrem Assistenten Fritz Strassmann in schweren Elementen entdeckt wurde.

Später im zwanzigsten Jahrhundert wurde die Transmutation von Elementen innerhalb von Sternen ausgearbeitet, die die relative Häufigkeit schwerer Elemente im Universum erklärt. Abgesehen von den ersten fünf Elementen, die beim Urknall und anderen kosmischen Strahlenprozessen erzeugt wurden , ist die stellare Nukleosynthese für die Häufigkeit aller Elemente verantwortlich, die schwerer als Bor sind . In ihrem 1957 erschienenen Artikel Synthesis of the Elements in Stars erklärten William Alfred Fowler , Margaret Burbidge , Geoffrey Burbidge und Fred Hoyle , wie die Häufigkeiten von im Wesentlichen allen bis auf die leichtesten chemischen Elemente durch den Prozess der Nukleosynthese in Sternen erklärt werden könnten .

Bei der echten Kerntransmutation ist es viel einfacher, Gold in Blei umzuwandeln als die umgekehrte Reaktion, die die Alchemisten eifrig verfolgt hatten. Es wäre einfacher, Gold durch Neutroneneinfang und Betazerfall in Blei umzuwandeln, indem man Gold für längere Zeit in einem Kernreaktor belässt.

Glenn Seaborg produzierte aus Wismut mehrere tausend Atome Gold , allerdings mit Nettoverlust.

Weitere Informationen zur Goldsynthese finden Sie unter Synthese von Edelmetallen .

¹⁹⁷ Au + n → ¹⁹⁸ Au ( Halbwertszeit 2,7 Tage) → ¹⁹⁸ Hg + n → ¹⁹⁹ Hg + n → ²⁰⁰ Hg + n → ²⁰¹ Hg + n → ²⁰² Hg + n → ²⁰³ Hg (Halbwertszeit 47 Tage) → ²⁰³ Tl + n → ²⁰⁴ Tl (Halbwertszeit 3,8 Jahre) → ²⁰⁴ Pb

Transmutation im Universum

Es wird angenommen, dass der Urknall der Ursprung des Wasserstoffs (einschließlich des gesamten Deuteriums ) und des Heliums im Universum ist. Wasserstoff und Helium machen zusammen 98% der Masse der gewöhnlichen Materie im Universum aus, während die anderen 2% alles andere ausmachen. Der Urknall produzierte auch geringe Mengen Lithium , Beryllium und vielleicht Bor . Mehr Lithium, Beryllium und Bor wurden später in einer natürlichen Kernreaktion, der kosmischen Strahlungsspallation, produziert .

Die stellare Nukleosynthese ist für alle anderen Elemente verantwortlich, die im Universum als stabile Isotope und Urnuklid natürlich vorkommen , vom Kohlenstoff bis zum Uran . Diese traten nach dem Urknall während der Sternentstehung auf. Einige leichtere Elemente von Kohlenstoff bis Eisen wurden in Sternen gebildet und von asymptotischen Riesenzweigen (AGB) in den Weltraum freigesetzt . Dies ist eine Art Roter Riese, der aus seiner äußeren Atmosphäre "pufft" und einige Elemente von Kohlenstoff bis Nickel und Eisen enthält. Alle Elemente mit einem Atomgewicht von mehr als 64 atomaren Masseneinheiten werden in Supernova- Sternen durch Neutroneneinfang erzeugt , der sich in zwei Prozesse unterteilt: r-Prozess und s-Prozess .

Es wird angenommen, dass das Sonnensystem ungefähr 4,6 Milliarden Jahre vor der Gegenwart aus einer Wolke aus Wasserstoff und Helium kondensiert ist, die schwerere Elemente in Staubkörnern enthält, die zuvor von einer großen Anzahl solcher Sterne gebildet wurden. Diese Körner enthielten die schwereren Elemente, die früher in der Geschichte des Universums durch Transmutation gebildet wurden.

All diese natürlichen Transmutationsprozesse in Sternen setzen sich heute in unserer eigenen Galaxie und in anderen fort. Sterne verschmelzen Wasserstoff und Helium zu immer schwereren Elementen, um Energie zu erzeugen. Zum Beispiel zeigen die beobachteten Lichtkurven von Supernova-Sternen wie SN 1987A , dass sie große Mengen (vergleichbar mit der Masse der Erde) an radioaktivem Nickel und Kobalt in den Weltraum schleudern. Allerdings erreicht nur wenig von diesem Material die Erde. Die meisten natürlichen Transmutationen auf der Erde werden heute durch kosmische Strahlung (wie die Produktion von Kohlenstoff-14 ) und durch den radioaktiven Zerfall radioaktiver Urnuklide, die bei der anfänglichen Bildung des Sonnensystems übriggeblieben sind (wie Kalium-40 , Uran und Thorium) vermittelt ) sowie der radioaktive Zerfall von Produkten dieser Nuklide (Radium, Radon, Polonium usw.). Siehe Zerfallskette .

Künstliche Transmutation von Atommüll

Überblick

Transmutation von Transuran-Elementen (dh Actiniden minus Actinium zu Uran ) wie die Isotope von Plutonium (ca. 1 Gew.-% in den Leichtwasserreaktoren verwendeten Kernbrennstoffen oder die kleineren Actiniden (MAs, dh Neptunium , Americium und Curium ), ca. 0,1 Gew.-% % je verbrauchtem Kernbrennstoff in Leichtwasserreaktoren) hat das Potenzial, einige Probleme zu lösen, die sich aus der Entsorgung radioaktiver Abfälle ergeben, indem der Anteil langlebiger Isotope reduziert wird. (Dies schließt die Notwendigkeit eines geologischen Tiefenlagers für hochradioaktiven Abfall nicht aus .) Wenn diese Isotope in einem Kernreaktor mit schnellen Neutronen bestrahlt werden , können sie einer Kernspaltung unterliegen , wodurch das ursprüngliche Aktiniden- Isotop zerstört und ein Spektrum von radioaktiven und nichtradioaktiven erzeugt wird Spaltprodukte .

Keramische Targets, die Aktiniden enthalten, können mit Neutronen beschossen werden, um Transmutationsreaktionen zu induzieren, um die schwierigsten langlebigen Spezies zu entfernen. Diese können aus Actiniden enthaltenden festen Lösungen bestehen, wie (Am,Zr)N , (Am,Y)N , (Zr,Cm)O
2, (Zr,Cm,Am)O
2, (Zr,Am,Y)O
2oder nur Aktinidenphasen wie AmO
2, NpO
2, NpN , AmN gemischt mit einigen inerten Phasen wie MgO , MgAl
2Ö
4, (Zr,Y)O
2, TiN und ZrN . Die Rolle nicht radioaktiver inerter Phasen besteht hauptsächlich darin, dem Target unter Neutronenbestrahlung ein stabiles mechanisches Verhalten zu verleihen.

Es gibt jedoch Probleme mit dieser P&T-Strategie (Partitionierung und Transmutation):

• Erstens ist es durch die kostspielige und umständliche Notwendigkeit begrenzt, langlebige Spaltproduktisotope zu trennen, bevor sie einer Transmutation unterzogen werden können.
• außerdem sind einige langlebige Spaltprodukte aufgrund ihrer kleinen Neutroneneinfangquerschnitte nicht in der Lage, genügend Neutronen einzufangen, damit eine effektive Transmutation stattfindet.

Die neue Studie unter der Leitung von Satoshi Chiba von Tokyo Tech (genannt "Method to Reduce Long-lived Fission Products by Nuclear Transmutations with Fast Spectrum Reactors") zeigt, dass eine effektive Transmutation langlebiger Spaltprodukte in schnellen Spektrumreaktoren ohne die Notwendigkeit erreicht werden kann zur Isotopentrennung. Dies kann durch Zugabe eines Yttrium-Deuterid- Moderators erreicht werden.

Reaktortypen

Plutonium kann beispielsweise zu Mischoxidbrennstoffen aufbereitet und in Standardreaktoren umgewandelt werden. Die schwereren Elemente könnten in schnellen Reaktoren umgewandelt werden , aber wahrscheinlich effektiver in einem unterkritischen Reaktor, der manchmal als Energieverstärker bekannt ist und von Carlo Rubbia entwickelt wurde . Fusion Neutronenquellen sind auch als gut geeignet vorgeschlagen.

Kraftstoffarten

Es gibt mehrere Brennstoffe, die zu Beginn des Zyklus Plutonium in ihrer ursprünglichen Zusammensetzung enthalten können und am Ende des Zyklus eine geringere Menge dieses Elements aufweisen. Während des Zyklus kann Plutonium in einem Leistungsreaktor verbrannt werden, wodurch Strom erzeugt wird. Dieses Verfahren ist nicht nur aus Sicht der Stromerzeugung interessant, sondern auch wegen seiner Fähigkeit, das überschüssige waffenfähige Plutonium aus dem Waffenprogramm und Plutonium aus der Wiederaufbereitung von gebrauchtem Kernbrennstoff zu verbrauchen.

Mischoxidbrennstoff ist einer davon. Seine Mischung aus Plutonium- und Uranoxiden stellt eine Alternative zu dem überwiegend in Leichtwasserreaktoren verwendeten niedrig angereicherten Uranbrennstoff dar. Da Uran in Mischoxid vorhanden ist, wird Plutonium zwar verbrannt, aber Plutonium der zweiten Generation wird durch den Strahlungseinfang von U-238 und die beiden nachfolgenden Beta-Minus-Zerfälle erzeugt.

Auch Brennstoffe mit Plutonium und Thorium sind eine Option. In diesen werden die bei der Spaltung von Plutonium freigesetzten Neutronen von Th-232 eingefangen. Nach diesem Strahlungseinfang wird aus Th-232 Th-233, das zwei Beta-Minus-Zerfälle durchläuft, was zur Bildung des spaltbaren Isotops U-233 führt. Der Strahlungseinfangquerschnitt von Th-232 ist mehr als dreimal so groß wie der von U-238, was eine höhere Umwandlung in spaltbaren Brennstoff ergibt als der von U-238. Aufgrund des Fehlens von Uran im Brennstoff wird kein Plutonium der zweiten Generation produziert, und die Menge an verbranntem Plutonium wird höher sein als bei Mischoxidbrennstoffen. Im verwendeten Kernbrennstoff wird jedoch das spaltbare U-233 enthalten sein. Plutonium in Waffen- und Reaktorqualität kann in Plutonium-Thorium-Brennstoffen verwendet werden, wobei Plutonium in Waffenqualität dasjenige ist, das eine größere Verringerung der Menge an Pu-239 zeigt.

Langlebige Spaltprodukte

Einige radioaktive Spaltprodukte können durch Transmutation in kurzlebige Radioisotope umgewandelt werden. Die Transmutation aller Spaltprodukte mit einer Halbwertszeit von mehr als einem Jahr wird in Grenoble mit unterschiedlichen Ergebnissen untersucht.

Sr-90 und Cs-137 sind mit Halbwertszeiten von etwa 30 Jahren die größten Strahlungs- (einschließlich Wärme-)Emitter in gebrauchtem Kernbrennstoff auf einer Skala von Jahrzehnten bis ~305 Jahren (Sn-121m ist wegen der geringen Ausbeute unbedeutend ) und sind nicht leicht umgewandelte weil sie niedrige haben Neutronenabsorptionsquerschnitte . Stattdessen sollten sie einfach gelagert werden, bis sie zerfallen. Da diese Lagerdauer notwendig ist, können auch die Spaltprodukte mit kürzeren Halbwertszeiten bis zum Zerfall gelagert werden.

Das nächste langlebigere Spaltprodukt ist Sm-151 , das eine Halbwertszeit von 90 Jahren hat und ein so guter Neutronenabsorber ist, dass das meiste davon umgewandelt wird, während der Kernbrennstoff noch verwendet wird; eine effektive Umwandlung des verbleibenden Sm-151 im Atommüll würde jedoch eine Trennung von anderen Isotopen des Samariums erfordern . Aufgrund der geringeren Mengen und seiner niederenergetischen Radioaktivität ist Sm-151 weniger gefährlich als Sr-90 und Cs-137 und kann auch ~970 Jahre lang zerfallen.

Schließlich gibt es 7 langlebige Spaltprodukte . Sie haben viel längere Halbwertszeiten im Bereich von 211.000 Jahren bis 15,7 Millionen Jahren. Zwei von ihnen, Tc-99 und I-129 , sind in der Umwelt mobil genug, um potenzielle Gefahren zu sein, sind frei oder weitgehend frei von Mischungen mit stabilen Isotopen desselben Elements und haben Neutronenquerschnitte, die klein, aber ausreichend sind, um zu unterstützen Transmutation. Außerdem kann Tc-99 U-238 ersetzen, indem es eine Doppler-Verbreiterung für eine negative Rückkopplung für die Reaktorstabilität liefert . Die meisten Studien zu vorgeschlagenen Transmutationsschemata haben ⁹⁹ Tc , ¹²⁹ I und Transuranelemente als Ziele für die Transmutation angenommen, wobei andere Spaltprodukte, Aktivierungsprodukte und möglicherweise wiederaufbereitetes Uran als Abfall verbleiben.

Von den verbleibenden 5 langlebigen Spaltprodukten werden Se-79 , Sn-126 und Pd-107 nur in geringen Mengen produziert (zumindest in heutigen thermischen Neutronen- , U-235- brennenden Leichtwasserreaktoren ) und die letzten beiden sollten relativ träge. Die anderen beiden, Zr-93 und Cs-135 , werden in größeren Mengen produziert, sind aber auch in der Umwelt nicht sehr mobil. Sie werden auch mit größeren Mengen anderer Isotope desselben Elements vermischt.

Siehe auch

• Neutronenaktivierung
• Atomkraft
• Liste der nuklearen Abfallbehandlungstechnologien
• Synthese von Edelmetallen
• Fruchtbares Material

Verweise

Externe Links

• "Radioactive change", Artikel von Rutherford & Soddy (1903), online und analysiert auf Bibnum [klicken Sie auf 'à télécharger' für die englische Version] .