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核裂變產物

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核裂变产物
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核分裂產物即指核分裂過程中生成的產物。核分裂是指由較重的(原子序數較大的)原子,主要是指鈾或鈽,分裂成較輕的(原子序數較小的)原子的一種核反應形式。原子彈以及核電廠的能量來源都是核分裂。早期原子彈應用(以鈾-238製備的)鈽-239為原料製成,而鈾-235分裂在核電廠最常見,由釷-232製備的鈾-233也在實驗堆中使用。

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分裂產物的質量數產額圖:鈾-235鈽-239鈾-233的熱中子分裂產物

特點與種類

重核原子經中子撞擊後,分裂成為兩個較輕的原子,這就是最初的分裂產物。由於重原子核的中子含量很高,大約60%(如鈽-239含有145個中子),而輕的穩定原子核中子含量較低(50%~55%),因此分裂產物中都含有過多的中子。這些富含中子的分裂產物都通過系列β衰變(把中子變成質子的反應)最終變成穩定核,這一過程中將產生一系列放射性分裂產物,每個β系列都維持質量數不變,都以一個穩定核為終點。例如 氪-92 → 銣-92 → 鍶-92 → 釔-92 → 鋯-92。

核分裂生成眾多不同產物,可以按照質量數分成不同的β系列,而這些不同系列(即不同質量數)的種類分布也是有規律的。如右圖所示,每個重核都大致分裂成大小兩個輕核,一個質量數在86~107之間(),一個質量數在131-148之間()。此外,微量的(0.2~0.4%)三裂式分裂,除了大小兩個輕核外,還產生一個微小的氦-4或氚核。

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放射性危害

更多資訊 半衰期範圍, 4n ...

由於核子反應爐存在核洩露的隱患,因此放射性分裂產物受到廣泛關注。事實上,也是很幸運的是,沒有半衰期為百年至二十萬年之間的分裂產物,因此放射性分裂產物可以分成兩類,一類放射性強,但是可以在數百年內衰變殆盡;另一類放射性很弱,它們的放射性低於相應分裂原料,即放射性礦物,採用廢料回填礦坑的辦法就能達成「核工業降低地殼的放射性總量」。

第一類強放射性的分裂產物中,絕大多數半衰期很短,在洩露數月內就很快耗盡,但有幾個核素半衰期在數年到數十年之間,列於上表「中壽命核分裂產物」,它們造成的影響將持續數十至數百年。其中最值得關注的是銫-137鍶-90,它們的半衰期都約為30年(壽命很長),而且分裂產額都較高(產量很大),這兩種原子核是分裂產物放置數年至數百年間放射性的主要來源(因為其它強放射性核或者數年內耗盡,或者含量太低)。如上表所示,銫-137和鍶-90的產額和衰變能都顯著地比其它核素高。不幸的是,這兩種中長期放射線主力核素,恰巧都容易進入生物體內:銫和鍶兩種元素的化學性質分別與鉀和鈣相似,容易被人體吸收,特別是鍶容易代替鈣沉積在骨骼中,因此對銫-137和鍶-90的回收利用或無害化處理十分重要。此外一些極短壽命的放射性產物也頗受關注,特別是碘-131,雖然數個月就能衰變殆盡,但它極易被人體吸收富集;另外,銫-134鍶-89是另兩個短壽強放射性核素,對人體傷害方式與銫-137和鍶-90相同,只是危害時間更集中。[註 1]以上五個核素正是分裂產物洩漏造成數次人體傷害事故的主要元兇,相關數據列於下表:

更多資訊 核素, 分裂產額 ...


第二類分裂產物放射性很低,卻「太長壽」,最值得關注的是碘-129鎝-99銫-135。雖然它們放射性比相應數量的鈾礦原料低,但比鈾礦更容易游離於自然水體之中,它們分別以I-TcO4-和Cs+形式溶解在水中,而且難以沉積,造成大自然水體的近乎永久性的放射性污染。因此它們的隔絕存放尤為重要。它們被水稀釋後,放射線量遠低於自然界的放射線背底,不對人體健康造成影響,而且即使多量攝入也很容易排出。[註 2]

此外,核洩漏或核爆炸造成的放射污染還包括鈽鈾等錒系元素的污染,它們不屬於核分裂產物。

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註釋

參考文獻

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