長壽命分裂產物

長壽命分裂產物一般指由核分裂反應產生的、半衰期超過20萬年的放射性物質。^[1]這並非精確的科學定義，比如有人把某些半衰期在20年至100年間的分裂產物也稱作長壽命分裂產物。^[2]另外的人則主張把這些半衰期在20年-100年間的分裂產物稱作中等壽命分裂產物。^[3]

核廢料放射性的來源

核廢料中含有分裂產物，還含有錒系元素，以及中子活化後的放射性元素（又稱為激活產物）。^[1]

短壽命分裂產物

中等壽命分裂產物

項： 單位：	t½ a	產額 %	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

剛出堆的用過燃料在短期內具有極強的放射性，這種放射性大多來源於分裂產物中的短壽命分裂產物，比如碘-131（半衰期=8.0197天）和鋇-140（半衰期=12.7523天）。四個月之後，上述兩種核素的強放射性基本消失，取而代之的是鈰-141、鋯-95、鈮-95和鍶-89。兩到三年之後，放射性主要來源於鈰-144、鐠-144、釕-106、銠-106和鉕-147。^[1]

當反應爐或者用過燃料發生核洩漏時，只會有部分核素外洩。這種洩漏的同位素特徵和大氣層核爆炸完全不同。^[4]

中等壽命分裂產物

用過燃料經過幾年的冷卻之後，大部分放射性源自銫-137和鍶-90。二者在分裂反應中的產額大概都是6%，半衰期都在30年左右。其他半衰期在30年左右的核素要麽反應產額低，要麽在反應爐中經中子俘獲而被轉變成其他核素（比如釤-151、銪-155和鎘-113m），因此對用過燃料的放射性貢獻不大。在幾年到幾百年的時間裏，用過燃料的放射性基本可以認爲就是銫-137和鍶-90的放射性，可以通過二者指數衰變的疊加來模擬。它們被稱為中等壽命分裂產物。^[1][3]

氪-85（半衰期=10.76年）也算是中等壽命分裂產物。但它的情形和銫-137和鍶-90有所不同。氪-85是一種惰性氣體，不會在大氣圈、岩石圈或者水圈富集。因此在現有再處理流程中，氪-85可以直接排放到大氣中。^[5]在美國和其他一些國家，用過燃料在再處理之前一般要經過幾十年的冷卻。到了再處理的時候，大部分氪-85已經經衰變而消失。

錒系元素

錒系元素和分裂產物的半衰期 閱 論 編
依衰變鏈分類的錒系元素[6]				半衰期範圍	依分裂產額（英語：Fission product yield）分類的分裂產物[7]
4n	4n + 1	4n + 2	4n + 3		4.5–7%	0.04–1.25%	<0.001%
228Ra				4～10年		155Eu þ
244Cm	241Pu ƒ	250Cf	227Ac	10～29年	90Sr	85Kr	113mCd þ
232U ƒ		238Pu	243Cm ƒ	29～100年	137Cs	151Sm þ	121mSn
248Bk[8]	249Cf ƒ	242mAm ƒ		100～400年	↑中等壽命分裂產物 沒有半衰期為 100年至21萬年 的分裂產物 ↓長壽命分裂產物
	241Am		251Cf ƒ[9]	400～1000年
		226Ra	247Bk	1000～2000年
240Pu	229Th	246Cm	243Am	2000～8000年
	245Cm ƒ	250Cm	239Pu ƒ	8000～3萬年
		230Th	231Pa	3～10萬年
236Np ƒ	233U ƒ	234U		10～30萬年	99Tc	126Sn
248Cm		242Pu		30～140萬年	135Cs	79Se
	237Np			140～700萬年	93Zr	107Pd
236U			247Cm ƒ	700～3000萬年		129I
244Pu				3000萬～1億年	也沒有半衰期超過 2000萬年的分裂產物[10]
232Th		238U	235U ƒ	1～150億年
ƒ 易分裂材料 þ 中子毒物（熱中子截面超過3000靶恩）

當銫-137和鍶-90大部分衰變後，用過燃料的放射性主要來源於錒系元素，最重要的有鈽-239、鈽-240、鎇-241、鎇-243、鋦-245和鋦-246。^[1]這些元素可以經再處理回收，用作分裂燃料。分離這些元素後，在1,000-100,000年左右用過燃料的放射性會大大降低。鈽-239可以直接用於現有的熱中子反應爐。量比較小的鎇-241和鈽-242則可以在快中子反應爐中轉化成其他核素。

長壽命分裂產物

100,000年以後，分裂產物將以七種核素爲主，兼有少量鎿-237和鈽-242。^[1]這七種核素的半衰期在20萬年到1600萬年之間。主要產物鍀-99、鋯-93和銫-135的產額在6%左右，其衰變能在100-300千電子伏特之間，一部分表現為β放射線，另一部分則以無害的中微子形式釋放。錒系元素以α衰變爲主，衰變能在4-5兆電子伏特。

• 鍀-99是長壽分裂產物中產額較高的，為6%左右。它釋放出低到中等能量的電子，沒有γ放射線。因此只要不攝入體內，對生物不構成太大的風險。但鍀可以被氧化為高鍀酸鹽（TcO₄^-），溶解度好，被廣泛用於核醫學。^[11][12]鍀-99在環境中遷移性比較大。據説已有數以噸計的鍀-99因人類活動進入環境。^[13]

• 錫-126衰變能較大，而且是七種長壽分裂產物中唯一能釋放高能γ射綫的核素。但是這種核素產額很低。如果反應爐以鈾-235為燃料，在用過燃料中，每單位時間錫-126釋放出的能量是鍀-99的5%；如果反應爐以鈾-235（65%）和鈽-239（35%）為燃料，在用過燃料中，每單位時間錫-126釋放出的能量是鍀-99的20%。錫化學性質比較惰性，不易在環境中遷移，因此對人類健康影響不大。

• 硒-79的產額很低，放射線也很弱。每單位時間硒-79釋放出的能量是鍀-99的0.2%。

• 鋯-93的產額在6%左右，其衰變比鍀-99慢7.5倍，衰變能只是鍀-99的30%。因此起始時用過燃料中的鋯-93釋放的能量只是鍀-99的4%。但其能量貢獻會隨著時間而增加。鋯-93產生極弱的γ放射線，在環境中也相對惰性。

• 銫-135的前體氙-135產額在6%左右，但吸收熱中子的能力很強。因此大部分氙-135嬗變為穩定同位素氙-136，只有少部分衰變為銫-135。假定90%的氙-135發生嬗變，起始時用過燃料中的銫-135釋放的能量只是鍀-99的1%。銫-135是七種長壽分裂產物中唯一一種鹼金屬，具有強電正性。相比之下，主要的中等壽命分裂產物和除鎿之外的錒系元素都是鹼性。銫-135具有揮發性，可以用高溫揮發的辦法分離。^[14]

長壽命分裂產物

項： 單位：	t½ Ma	產額 %	Q* KeV	βγ *
99Tc	0.211	6.1385	294	β
126Sn	0.230	0.1084	4050	βγ
79Se	0.295	0.0447	151	β
135Cs	1.33	6.9110	269	β
93Zr	1.53	5.4575	91	βγ
107Pd	6.5	1.2499	33	β
129I	15.7	0.8410	194	βγ

• 鈀-107的半衰期很長，產額在1%左右。如果以鈽-239為燃料，鈀-107的產率比用鈾-235為燃料時要高。其放射性很弱。起始時用過燃料中的鋯-93釋放的能量只是鍀-99的萬分之一。鈀屬貴金屬，化學性質不活潑。

• 碘-129半衰期在七種長壽分裂產物中最長：1570萬年。它放射性也很弱，起始時用過燃料中的鋯-93釋放的能量只是鍀-99的1%。但放射性碘卻對生物構成重大的核威脅，因爲碘是許多生物必須的微量元素之一。碘-131在碘同位素中放射性最強，危害也最大。

七種長壽分裂產物的放射性隨時間的變化

如果反應爐以鈾-235為燃料，在用過燃料中，每單位時間其它六種核素釋放出的縂能量是鍀-99的10%；如果反應爐以鈾-235（65%）和鈽-239（35%）為燃料，在用過燃料中，每單位時間其它六種核素釋放出的縂能量是鍀-99的25%。

用過燃料冷卻1000年後，中等壽命分裂產物銫-137和鍶-90的放射性降低到和長壽分裂產物持平的水平。如果錒系元素沒有分離的話，將比中等壽命分裂產物和長壽分裂產物的放射性更強。

用過燃料冷卻100萬年後，鍀-99的放射性將首次低於鋯-93。300萬年後，鋯-93的衰變能將低於碘-129。

因爲鍀-99和碘-129對生物危害較大，但同時有較大的中子反應截面，有人正在考慮用核嬗變的方式將它們轉化為危害較小的核素以除去。^[15]