Transmutación nuclear, Transmutación natural vs artificial, Historia, Transmutación en el universo, Transmutación artificial de los residuos nucleares

Transmutación nuclear es la conversión de un elemento químico o isótopo en otro. En otras palabras, los átomos de un elemento se puede cambiar en átomos de otro elemento 'transmutación'. Esto se produce ya sea a través de reacciones nucleares, o por medio de desintegración radiactiva.

A pesar de todo la transmutación es causado por la desintegración radiactiva o una reacción nuclear, lo contrario no es cierto, ya que no todos los tipos de cualquiera de las caries o causa reacción de transmutación nuclear. Los tipos más comunes de desintegración radiactiva que no causan la transmutación son decaimiento gamma y el proceso de conversión interna relacionada. Sin embargo, la mayoría de los otros tipos de decaimiento hacer causa transmutación del radioisótopo en descomposición. Del mismo modo, algunas reacciones nucleares no causan la transmutación, aunque en la práctica, la mayoría de las reacciones nucleares, y los tipos de reacciones nucleares, dan lugar a la transmutación.

Transmutación nuclear puede ocurrir a través de varios procesos naturales, o puede ser inducida artificialmente por la intervención humana.

Transmutación natural vs artificial

Transmutación natural es responsable de la creación de todos los elementos químicos que observamos natural. La mayor parte de esto ocurrió en el pasado distante, sin embargo.

Un tipo de transmutación natural, observable en la presente se produce cuando ciertos elementos radiactivos presentes en la naturaleza de forma espontánea la caries por un proceso que hace que la transmutación, tales como alfa o la desintegración beta. Un ejemplo es la descomposición natural de potasio-40 a la atmósfera de argón-40 que forma la mayor parte del argón en el aire. También en la Tierra, transmutaciones naturales de los diferentes mecanismos de se producen reacciones nucleares naturales, debido al bombardeo de rayos cósmicos de elementos, y también ocasionalmente de bombardeo de neutrones natural.

Transmutación artificial puede ocurrir en maquinaria que tiene la energía suficiente para provocar cambios en la estructura nuclear de los elementos. Máquinas que pueden causar la transmutación artificial incluyen aceleradores de partículas y reactores tokamak. Reactores de fisión convencionales también pueden causar la transmutación artificial, no de la potencia de la máquina, pero mediante la exposición de los elementos a los neutrones producidos por la fisión de una reacción nuclear en cadena producido artificialmente.

Transmutación nuclear artificial ha sido considerado como un posible mecanismo para la reducción del volumen y peligrosidad de los residuos radiactivos.

Historia

El término se remonta a la transmutación alquimia. Los alquimistas perseguían la piedra filosofal, capaz de chrysopoeia - la transformación de metales básicos en oro. Mientras que los alquimistas a menudo entendidas chrysopoeia como metáfora de un proceso místico o religioso, algunos practicantes adoptaron una interpretación literal, y trataron de hacer de oro mediante la experimentación física. La imposibilidad de la transmutación metálica había sido objeto de debate entre los alquimistas, filósofos y científicos desde la Edad Media. Transmutación alquímica Pseudo-fue declarada ilegal y se burló públicamente a partir del siglo XIV. Alquimistas como Michael Maier y Heinrich Khunrath escribieron tratados exponer reclamaciones fraudulentas de fabricación de oro. Por la década de 1720, ya no había ninguna cifra respetable que persiguen la transmutación física de sustancias en oro. Antoine Lavoisier, en el siglo 18, sustituyó a la teoría alquímica de los elementos con la teoría moderna de los elementos químicos, y John Dalton desarrolló aún más la idea de los átomos para explicar diversos procesos químicos. La desintegración de los átomos es un proceso distinto que implica mucho mayores energías que podría lograrse por los alquimistas.

En primer lugar, se aplicó conscientemente a la física moderna por Frederick Soddy, cuando él, junto con Ernest Rutherford, descubrió que el torio radiactivo fue convirtiéndose en radio en 1901 - En el momento de realización, Soddy recordó más tarde, él gritó: "Rutherford, esto es transmutación! " Rutherford espetó: "Por amor de Dios, Soddy, no llamaría la transmutación. Tendrán nuestras cabezas como alquimistas."

Rutherford y Soddy estaban observando la transmutación natural como una parte de la desintegración radiactiva del tipo desintegración alfa. Sin embargo, en 1919, Rutherford fue capaz de lograr la transmutación de nitrógeno en oxígeno, el uso de partículas alfa dirigidas a un nitrógeno 14N ? 17O p. Esta fue la primera observación de una reacción nuclear, es decir, una reacción en la que se utilizan partículas de un decaimiento de transformar otro núcleo atómico. Finalmente, en 1932, una reacción nuclear totalmente artificial y la transmutación nuclear se consiguen de Rutherford colegas John Cockcroft y Ernest Walton, que utiliza artificialmente protones acelerados en contra de litio-7 para dividir el núcleo en dos partículas alfa. La hazaña se conoce popularmente como "la división del átomo", aunque no fue la reacción de fisión nuclear moderna descubierto 1938 por Otto Hahn y Fritz Strassmann su ayudante en elementos pesados.

Más tarde, en el siglo XX se elaboró la transmutación de los elementos dentro de las estrellas, que representan la abundancia relativa de elementos más pesados en el universo. Salvo los primeros cinco elementos, que se hayan producido en los otros procesos de rayos cósmicos Big Bang, la nucleosíntesis estelar representaba la abundancia de todos los elementos más pesados que el boro. En su documento de 1957 Síntesis de los elementos en las estrellas, William Alfred Fowler, Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge y Fred Hoyle explicó cómo la abundancia de esencialmente todos, pero los elementos químicos más ligeros podrían explicarse por el proceso de nucleosíntesis en las estrellas.

Autor Ken Croswell resume sus descubrimientos así:

 Burbidge, Burbidge, Fowler, Hoyle

Tomó las estrellas y les hizo afanan: carbón, cobre, oro y plomo Formado en las estrellas, es lo que dijeron

Resulta que, en cierto transmutación nuclear, es mucho más fácil de convertir el oro en plomo de la reacción inversa, que fue la que los alquimistas habían perseguido ardientemente. Experimentos nucleares han transmutado con éxito el plomo en oro, pero el costo es muy superior a cualquier ganancia. Sería más fácil para convertir el oro en plomo a través de la captura de neutrones y la desintegración beta dejando oro en un reactor nuclear durante un largo periodo de tiempo.

Más información sobre la síntesis de oro, ver Síntesis de los metales preciosos.

197Au n? 198Au? 198Hg n? 199Hg n? 200Hg n? 201Hg n? 202Hg n? 203Hg? 203Tl n? 204Tl? 204Pb

Transmutación en el universo

Como se señaló anteriormente, se cree que el Big Bang hasta el ser el origen del hidrógeno y el helio en el universo. El hidrógeno y el helio en conjunto representan el 98% de la masa de la materia ordinaria en el universo. El Big Bang también produce pequeñas cantidades de litio, berilio y boro tal vez. Más de litio, berilio y boro se produjeron más tarde, en una reacción nuclear natural, espalación de rayos cósmicos.

Nucleosíntesis estelar es responsable de todos los otros elementos presentes en la naturaleza en el universo como isótopos estables y primordial nucleidos, a partir de carbono al plutonio. Estos hechos se produjeron después del Big Bang, durante la formación de estrellas. Algunos de los elementos más ligeros de carbono al hierro se formaron en las estrellas y se liberan al espacio por estrellas rama asintótica gigante. Se trata de un tipo de gigante roja que "puffs" fuera de su atmósfera exterior, que contiene algunos elementos de carbono para el níquel y hierro. Todos los elementos con peso atómico mayor de 64 unidades de masa atómica se producen en estrellas supernovas por medio de la reacción nuclear de núcleos más ligeros con otras partículas, la mayoría de los neutrones.

Se cree que el sistema solar se han condensado a aproximadamente 4600 millones años antes de la presente, a partir de una nube de hidrógeno y helio que contiene elementos más pesados en los granos de polvo previamente formadas por un gran número de tales estrellas. Estos granos contienen los elementos más pesados se forman mediante la transmutación antes en la historia del universo.

Todos estos procesos naturales de la transmutación en las estrellas continúan hoy en día, en nuestra propia galaxia y en otras. Por ejemplo, las curvas de luz observadas de estrellas supernovas tales como SN 1987A muestran ellos voladura de grandes cantidades de níquel y cobalto radiactivo en el espacio. Sin embargo, poco de este material llega a la Tierra. Transmutación más natural en la Tierra hoy en día está mediada por los rayos cósmicos, y por la desintegración radiactiva de nucleidos radiactivos primordiales que quedaron de la formación inicial del sistema solar, además de la desintegración radiactiva de los productos de estos nucleides. Vea cadena de desintegración.

Transmutación artificial de los residuos nucleares

Visión de conjunto

La transmutación de los elementos transuránicos, como los isótopos de plutonio, neptunio, americio y curio tiene el potencial para ayudar a resolver los problemas que plantea la gestión de los residuos radiactivos, mediante la reducción de la proporción de isótopos de larga vida que contiene. Cuando se irradia con neutrones rápidos en un reactor nuclear, estos isótopos se pueden hacer a someterse a la fisión nuclear, destruyendo el isótopo actínidos original y producir un espectro de productos de fisión radiactivos y no radiactivos.

Objetivos de cerámica que contengan actínidos pueden ser bombardeado con neutrones para inducir reacciones de transmutación para eliminar las especies de larga vida más difíciles. Estos pueden consistir en soluciones sólidas que contienen actínidos tales como N, N, O2, O2, O2 o sólo las fases de actínidos tales como AmO2, NpO2, NPN, AmN mezclado con algunas fases inertes, tales como MgO, MgAl2O4, O2, TiN y ZrN. El papel de las fases inertes no radiactivos es principalmente para proporcionar un comportamiento mecánico estable a la diana bajo irradiación de neutrones.

Tipos de reactores

Por ejemplo, el plutonio puede ser reprocesado en combustibles MOX y transmutada en los reactores convencionales. Los elementos más pesados pueden ser transmutados en reactores rápidos, pero probablemente más eficaz en un reactor subcrítico que a veces se conoce como un amplificador de energía y que fue ideado por Carlo Rubbia. Fuentes de neutrones de fusión también se han propuesto como muy adecuado.

Tipos de combustible

Hay varios combustibles que pueden incorporar plutonio en su composición inicial al comienzo del ciclo y tienen una menor cantidad de este elemento en el fin del ciclo. Durante el ciclo, el plutonio puede ser quemado en un reactor de energía, la generación de electricidad. Este proceso no sólo es interesante desde el punto de vista de la generación de energía, sino también por su capacidad de consumo de los excedentes de armas de plutonio de grado del programa de armas y el plutonio resultante del reprocesamiento de combustible nuclear gastado.

Combustible de óxido mixto es uno de éstos. Su mezcla de óxidos de plutonio y uranio constituye una alternativa a la baja de combustible uranio enriquecido utilizado predominantemente en reactores de agua ligera. Desde uranio está presente en MOX, aunque plutonio será quemada, el plutonio segunda generación se produce a través de la captura de radiación de U-238 y los dos siguientes beta menos decae.

Los combustibles con plutonio y torio son también una opción. En estos, los neutrones liberados en la fisión de plutonio son capturados por Th-232 - Después de esta captura radiativa, Th-232 se convierte en Th-233, que se somete a dos desintegraciones beta menos que resulta en la producción del isótopo fisionable U-233 - La la sección transversal de captura radiativa de Th-232 es más de tres veces la de U-238, produciendo una mayor conversión de combustible fisionable que la de U-238 - Debido a la ausencia de uranio en el combustible, no hay segunda generación de plutonio producida , y la cantidad de plutonio quemada será más alto que en los combustibles MOX. Sin embargo, U-233, que es fisionable, estará presente en el SNF. Armas de grado y plutonio en reactores pueden ser utilizados en los combustibles de plutonio-torio, con plutonio es la que muestra una mayor reducción en la cantidad de Pu-239.

El razonamiento detrás de la transmutación

Los isótopos del plutonio y otros actínidos tienden a ser de larga duración, con vidas medias de muchos miles de años, mientras que los productos de fisión radiactivos tienden a ser más corta duración. Desde un punto de vista de la gestión de residuos, la transmutación de actínidos elimina un peligro radiactivo de muy largo plazo y lo sustituye por uno mucho más corto plazo.

Es importante entender que la amenaza planteada por un radioisótopo está influenciada por muchos factores, incluyendo las propiedades químicas y biológicas del elemento. Por ejemplo cesio tiene una vida media biológica relativamente corto tiempo de estroncio y el radio tanto tienen una vida media biológica muy largos. Como resultado de estroncio-90 y el radio son mucho más capaces de causar daño que de cesio-137 cuando se ingiere una actividad dada.

Muchos de los actínidos son muy radiotóxicos porque tienen una vida media larga y biológicos son emisores alfa. En la transmutación la intención es la de convertir los actínidos en los productos de fisión. Los productos de fisión son muy radiactivos, pero la mayoría de la actividad decaerán de distancia dentro de un corto período de tiempo. Los productos de fisión de vida corta más preocupantes son aquellos que se acumulan en el cuerpo, como el yodo-131, que se acumula en la glándula tiroides, pero se espera que para el buen diseño de la planta de combustible nuclear y la transmutación que tales productos de fisión pueden ser aislados de los seres humanos y su medio ambiente y se deja a las caries. A medio plazo, los productos de fisión de mayor preocupación son el estroncio 90 y el cesio-137, ambos tienen una vida media de alrededor de 30 años. El cesio-137 es responsable de la mayor parte de la dosis gamma externa que tienen los trabajadores de las plantas de reprocesamiento nuclear y, en 2005, a los trabajadores en el lugar de Chernobyl. Cuando estos isótopos mediana duración han decaído los isótopos restantes representan una amenaza mucho menor.

Productos de fisión de larga vida

Algunos productos de fisión radiactivos se pueden convertir en radioisótopos de vida más corta por transmutación. Transmutación de todos los productos de fisión con vida media superior a un año se estudia en Grenoble, con resultados variables.

Sr-90 y Cs-137, con vidas medias de unos 30 años, son los mayores emisores de radiación en el combustible nuclear usado en una escala de décadas a unos pocos cientos de años, y no son fácilmente transmutado porque tienen secciones transversales de absorción de neutrones de baja. En su lugar, simplemente se deben guardar hasta que caen. Dado que es necesaria esta longitud de almacenamiento, los productos de fisión con vidas medias más cortas también se pueden almacenar hasta que caen.

El siguiente producto de fisión de vida más larga es de Sm-151, que tiene una vida media de 90 años, y es un buen absorbente de neutrones tal que la mayor parte de él se transmuta mientras que todavía se está utilizando el combustible nuclear, sin embargo, la transmutación de manera efectiva el restante Sm- 151 en los residuos nucleares requeriría separación de otros isótopos de samario. Teniendo en cuenta las cantidades más pequeñas y su radiactividad de baja energía, Sm-151 es menos peligroso que el Sr-90 y Cs-137 y también se puede dejar a la decadencia.

Por último, hay 7 productos de fisión de larga vida. Ellos tienen vidas medias más largas en el rango de 211.000 años a 16 millones de años. Dos de ellos, Tc-99 y I-129, son lo suficientemente móvil en el medio ambiente a ser peligros potenciales, están libres o mayormente libre de mezcla con isótopos estables de un mismo elemento, y tienen secciones transversales de neutrones que son pequeñas, pero adecuado para apoyar transmutación. Además, Tc-99 puede sustituir U-238 en el suministro de ensanchamiento Doppler de retroalimentación negativa para la estabilidad del reactor. La mayoría de los estudios de los sistemas de transmutación propuestas han asumido 99Tc, 129I y transuránicos como los objetivos de la transmutación, con otros productos de fisión, productos de activación, y posiblemente de uranio reprocesado queda como residuo.

De los 5 productos de fisión de larga vida restantes, Se-79, Sn-126 y Pd-107 se producen en pequeñas cantidades y los dos últimos deben ser relativamente inerte. Los otros dos, Zr-93 y Cs-135, se producen en cantidades más grandes, pero también no muy móvil en el ambiente. También se mezclan con grandes cantidades de otros isótopos del mismo elemento.