핵변환

Nuclear transmutation
수소 형성 중수소, 헬륨-3 및 일반 헬륨-4에서 양성자-양성자 사슬을 그림으로 나타낸다.

핵변환이란 한 화학원소 또는 동위원소를 다른 [1]화학원소로 변환하는 것이다.핵변환은 원자의 핵에 있는 양성자나 중성자의 수가 변화하는 모든 과정에서 일어난다.

변환은 핵반응(외부 입자가 핵과 반응하는 경우) 또는 외부 원인이 필요하지 않은 방사능 붕괴에 의해 달성될 수 있다.

과거에 별의 핵합성에 의한 자연적인 변환은 알려진 현존하는 우주에서 가장 무거운 화학 원소의 대부분을 만들어냈고, 헬륨, 산소, 탄소를 포함한 우주에서 가장 흔한 원소의 대부분을 만들어내며 오늘날까지 계속되고 있습니다.대부분의 별들은 수소와 헬륨을 포함한 핵융합 반응을 통해 변환하는 반면, 훨씬 더 큰 별들은 또한 진화 과정에서 무거운 원소들을 철까지 융합시킬 수 있습니다.

금이나 납과 같은 철보다 무거운 원소들은 초신성에서 자연적으로 발생할 수 있는 원소 변환을 통해 만들어진다.연금술의 한 가지 목표인 기초 물질을 금으로 바꾸는 것은 현재 화학적 방법으로는 불가능하지만 물리적 방법으로는 가능한 것으로 알려져 있다.별들이 무거운 원소들을 융합하기 시작하면서, 각각의 핵융합 반응에서 방출되는 에너지가 상당히 줄어듭니다.이것은 에너지를 소비하는 흡열 반응에 의해 생성되는 철에 도달할 때까지 계속됩니다.이러한 조건에서는 더 무거운 원소를 생산할 수 없습니다.

현재 관찰 가능한 자연 변환의 한 가지 유형은 자연에 존재하는 특정 방사성 원소가 알파 또는 베타 붕괴와 같은 변환을 일으키는 과정에 의해 자발적으로 붕괴될 때 발생합니다.예를 들어 칼륨-40에서 아르곤-40으로의 자연 붕괴는 공기 중 아르곤의 대부분을 형성한다.또한 지구에서는 (예를 들어 탄소-14를 형성하기 위해) 우주선의 충돌로 인해 자연핵반응의 다른 메커니즘에서 자연변환이 일어나며, 때로는 자연 중성자 충돌로 인해 자연핵분열로(예를 들어, 자연핵분열로 참조)도 발생한다.

원소의 핵구조에 변화를 일으키기에 충분한 에너지를 가진 기계에서는 인위적인 변환이 발생할 수 있다.그러한 기계에는 입자 가속기와 토카막 원자로가 포함된다.기존 핵분열 발전소는 기계의 힘이 아니라 인위적으로 생성된 핵 연쇄 반응에서 핵분열에 의해 생성된 중성자에 원소를 노출시킴으로써 인위적인 변환을 일으킨다.예를 들어 우라늄 원자가 느린 중성자로 폭격되면 핵분열이 일어난다.이것은 평균적으로 3개의 중성자와 많은 양의 에너지를 방출한다.방출된 중성자는 사용 가능한 우라늄이 모두 소진될 때까지 다른 우라늄 원자의 핵분열을 일으킨다.이것은 연쇄 반응이라고 불립니다.

인공 [2]핵변환은 방사성 폐기물의 부피와 위험을 줄이기 위한 가능한 메커니즘으로 검토되어 왔다.

역사

연금술

변환이라는 용어는 연금술로 거슬러 올라간다.연금술사들은 값싼 금속을 [3]금으로 바꾸는 국화과가 가능한 마법사의 돌을 추구했다.연금술사들은 종종 크리소포에아를 신비로운, 또는 종교적인 과정의 은유로 이해하는 반면, 어떤 의사들은 문자 그대로의 해석을 채택했고, 신체 실험을 통해 금을 만들려고 했다.금속 변환의 불가능성은 중세 이후 연금술사, 철학자, 과학자들 사이에서 논의되어 왔다.유사 알화학적 변환은 14세기부터 불법화되었고[4] 공개적으로 조롱당했다.Michael Maier와 Heinrich Khunrath와 같은 연금술사들은 금 제조에 대한 사기적인 주장을 폭로하는 책을 썼다.1720년대까지 물질에서 [5]금으로 변환되는 물질들을 추구하는 존경할 만한 인물들은 더 이상 없었다.앙투안 라부아지에, 18세기에, 원소의 연금술 이론을 화학 원소의 현대 이론으로 대체했고, 존 달튼은 다양한 화학 과정을 설명하기 위해 원자의 개념을 더욱 발전시켰다.원자의 분해는 연금술사가 성취할 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 에너지를 수반하는 독특한 과정이다.

현대 물리학

그것은 프레드릭 소디가 1901년 어니스트 러더포드와 함께 방사성 토륨이 라듐으로 변환된다는 것을 발견했을 때 의식적으로 현대 물리학에 처음 적용되었다.나중에 깨달은 순간, Soddy는 "Rutherford, 이것은 변환입니다!"라고 소리쳤다.러더포드는 이렇게 쏘아붙였다. "제발, 소디, 그걸 변혁이라고 하지 마.연금술사로서 [6]우리의 목을 베게 될 것이다."

러더포드와 소디는 알파 붕괴 유형의 방사성 붕괴의 일부로서 자연 변환을 관찰하고 있었다.첫번째 인공 변환 1925년에 패트릭 블래킷, 연구원은 러더퍼드 밑에서 일하는에 의해 질소를 산소로 변환과, 알파 입자 질소에 14N 연출한+페이지의 주[7]러더퍼드 1919년에 있는 양성자(그는 그것을 수소 원자라고 불렀다)알파 폭격 전 남편에서 발생하는 것으로 나타났다α → 17O+를 사용하여 달성되었다.periments, 하지만 그는 남은 핵에 대한 정보를 가지고 있지 않았다.Blackett의 1921-1924년 실험은 인공 핵변환 반응에 대한 최초의 실험 증거를 제공했다.Blackett은 기초가 되는 통합 과정과 잔류 핵의 정체를 정확하게 식별했다.1932년, 러더포드의 동료인 존 콕크로프트와 어니스트 월튼은 핵을 두 개의 알파 입자로 분할하기 위해 리튬-7에 대해 인공 가속 양성자를 사용했다.1938년 오토 한, 리제 마이트너, 그리고 그들의 조수 프리츠 스트라스만이 중원소에서 [8]발견한 현대 핵분열 반응은 아니었지만, 이 위업은 일반적으로 "원자 분열"로 알려져 있었다.1941년, Rubby Sherr, Kenneth Bainbridge, 그리고 Herbert Lawrence Anderson은 수은이 [9]금으로 핵 변환되는 것을 보고했다.

20세기 후반에는 우주에서 상대적으로 무거운 원소들이 풍부하게 존재하는 것을 설명하면서 별 내 원소들의 변환이 정교하게 이루어졌다.빅뱅과 다른 우주선 과정에서 생성된 최초의 다섯 가지 원소를 제외하고, 별의 핵합성은 붕소보다 무거운 모든 원소의 풍부함을 설명했습니다.윌리엄 알프레드 파울러,[10] 마가렛 버비지, 제프리 버비지, 프레드 호일은 1957년에 발표한 논문에서 가장 가벼운 화학 원소를 제외한 모든 원소의 함량이 어떻게 별의 핵합성 과정에 의해 설명될 수 있는지를 설명했다.

진정한 핵변환 하에서는 금을 납으로 바꾸는 것이 연금술사들이 열심히 추구했던 역반응보다 훨씬 쉽다.금을 원자로에 [citation needed]장기간 방치함으로써 중성자 포획과 베타 붕괴를 통해 금을 납으로 전환하는 것이 더 쉬울 것이다.

글렌 시보그는 비스무트에서 수천 개의 금 원자를 생산했지만 순손실을 냈다.[11][12]

금 합성에 대한 자세한 내용은 귀금속 합성을 참조하십시오.

197Au + n → Au198 (반감기 2.7일) → Hg198 + n → Hg199 + n → Hg + n → Hg202 + n → Hg203 (반감기 47일) → Tl203 (반감기 3.8년) → Pb[further explanation needed].

우주의 변환

주요 기사:핵합성

빅뱅은 우주에 있는 수소(모든 중수소 포함)와 헬륨의 기원으로 여겨진다.수소와 헬륨을 합치면 우주의 일반 물질 질량의 98%를 차지하고, 나머지 2%는 다른 모든 물질을 구성합니다.빅뱅은 또한 소량의 리튬, 베릴륨 그리고 아마도 붕소를 생산했다.더 많은 리튬, 베릴륨, 붕소가 자연 핵반응인 우주선 파쇄에서 나중에 생성되었다.

별의 핵합성은 탄소에서 우라늄에 이르는 안정적인 동위원소 및 원시 핵종으로서 우주에서 자연적으로 발생하는 다른 모든 원소의 원인이 된다.이러한 현상은 빅뱅 이후 별의 형성 과정에서 발생했습니다.탄소에서 철에 이르는 일부 가벼운 원소들은 별에서 형성되었고 점근거성가지(AGB) 별에 의해 우주로 방출되었다.이들은 외부 대기를 "퍼프"하는 적색 거성의 일종으로 탄소, 니켈, 철 등의 원소를 포함하고 있다.원자량이 64 원자질량 단위보다 큰 모든 원소는 중성자 포획을 통해 초신성에서 생성되며, 중성자 포획은 r-과정과 s-과정 두 가지 과정으로 나뉜다.

태양계는 현재로부터 약 46억 년 전에 수많은 별에 의해 이전에 형성된 먼지 알갱이에 더 무거운 원소를 포함한 수소와 헬륨 구름으로부터 응축된 것으로 생각된다.이 알갱이들은 우주의 역사 초기에 변환에 의해 형성된 더 무거운 원소들을 포함하고 있었다.

별에서 일어나는 이러한 모든 자연적인 변환 과정은 오늘날에도 계속되고 있습니다. 우리 은하와 다른 은하에서도 마찬가지입니다.별들은 에너지를 생산하기 위해 수소와 헬륨을 점점 더 무거운 원소들로 융합한다.예를 들어, SN 1987A와 같은 초신성 별들의 관측된 광도 곡선은 별들이 (지구 질량에 버금가는) 다량의 방사성 니켈과 코발트를 우주로 방출하는 것을 보여준다.그러나 이 물질 중 지구에 도달하는 것은 거의 없다.오늘날 지구상의 대부분의 자연적 변환은 우주선(탄소-14의 생산 등)과 태양계의 초기 형성에서 남은 방사성 원시 핵종의 방사성 붕괴(칼륨-40, 우라늄, 토륨 등)와 이들 핵종의 생성물(라듐, 라돈, 폴)의 방사성 붕괴에 의해 매개된다.오늄 등)'붕괴 사슬' 참조.

핵폐기물의 인위적 변환

개요

플루토늄 동위원소(경수로 사용후 핵연료 또는 마이너 악티늄(MAs, 즉 넵투늄, 아메리슘 및 큐륨)의 약 0.1 중량%와 같은 초우라늄 원소(악티늄에서 악티늄을 뺀 것)의 변환은 일부 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다.방사성 폐기물에 포함된 장기수명 동위원소의 비율을 줄임으로써 방사성 폐기물의 관리에 의해 야기된다.(이는 고준위 방사성 폐기물을 위한 심층 지질 저장소의 필요성을 배제하지 않는다.)원자로에서 고속 중성자를 조사하면 이들 동위원소는 핵분열을 일으켜 원래의 액티니드 동위원소를 파괴하고 방사성 및 비방사성 핵분열 생성물의 스펙트럼을 생성할 수 있다.

악티니드를 포함한 세라믹 표적은 가장 어려운 장수종을 제거하기 위해 변환 반응을 유도하기 위해 중성자를 폭격할 수 있다.이것들은 (Am,Zr)N, (Am,Y)N, (Zr,Cm)O2, (Zr,Cm,Am)O2, (Zr,Am,Y)O와2 같은 액티니드를 함유한 고체 용액 또는 AmO2,NpN과2 같은 액티니드 단계로 구성될 수 있다.비방사능 불활성 단계의 역할은 주로 중성자 [13]조사 하에서 대상에 안정적인 기계적 거동을 제공하는 것이다.

이 P&T(파티션 분할 및 변환) 전략에는 다음과 같은 문제가 있습니다.

  • 첫째, 핵분열 생성물 동위원소가 변환되기 전에 분리해야 하는 비용과 번거로움으로 인해 제한된다.
  • 또한 일부 장수명 핵분열 [which?]생성물은 단면이 작기 때문에 효과적인 변환이 일어나기에 충분한 중성자를 포획할 수 없다.

도쿄 공대의 치바 사토시(千葉 spectrum)가 주도한 새로운 연구('고속 스펙트럼 원자로에 의한 핵분열 생성물의 저감을 위한 방법'[14]이라고 불린다)에 따르면, 고속 스펙트럼 원자로에서는 동위원소 분리 없이 장기 핵분열 생성물의 효과적인 변환이 가능하다.이것은 중수소 이트륨 [15]감속재를 추가하여 달성할 수 있다.

원자로 타입

예를 들어, 플루토늄은 혼합 산화물 연료로 재처리되어 표준 원자로에서 변환될 수 있다.그러나 이는 사용후 MOX 연료에 플루토늄-240이 축적되어 제한된다. 사용후 MOX 연료는 특별히 비옥하지 않다(분열성 플루토늄-241로 변환되지만 플루토늄-239에 의한 중성자 포획으로 인한 플루토늄-240의 생산량보다 낮은 속도로 생성된다).프랑스와 같이 핵 재처리를 광범위하게 시행하는 나라들조차도, 일반적으로 사용된 MOX 연료의 플루토늄 함량을 재사용하지 않는다.무거운 원소는 고속 원자로에서 변환될 수 있지만, 때로는 에너지 증폭기로 알려져 있고 카를로 루비아가 고안한 아임계 원자로에서 더 효과적으로 변환될 수 있다.핵융합 중성자 선원도 [16][17][18]제안되었다.

연료 종류

사이클 시작 시 초기 조성에 플루토늄을 포함할 수 있고 사이클 종료 시 이 원소의 양이 적은 여러 연료가 있다.이 사이클 동안 플루토늄은 원자로에서 연소되어 전기를 발생시킬 수 있다.이 과정은 발전의 관점에서 흥미로울 뿐만 아니라 무기 프로그램의 잉여 무기급 플루토늄과 사용후 핵연료의 재처리에 따른 플루토늄을 소비할 수 있다는 점에서도 흥미롭다.

혼합 산화물 연료는 이것들 중 하나입니다.플루토늄과 우라늄의 산화물의 혼합은 경수로에서 주로 사용되는 저농축 우라늄 연료에 대한 대안을 구성한다.우라늄은 혼합산화물에 존재하기 때문에 플루토늄은 연소되지만 U-238의 방사능 포획과 그에 이은 두 번의 베타 마이너스 붕괴를 통해 2세대 플루토늄이 생산된다.

플루토늄과 토륨을 함유한 연료도 선택 사항이다.이 경우 플루토늄의 핵분열에서 방출되는 중성자는 Th-232에 의해 포획된다.이 복사 포획 후 Th-232는 Th-233이 되고, Th-233은 두 번의 베타 마이너스 붕괴를 거치면서 핵분열 동위원소 U-233을 생성한다.Th-232의 방사선 포획 단면은 U-238의 3배 이상이며, U-238보다 핵분열 연료로 변환되는 비율이 높다.연료에 우라늄이 없어 2세대 플루토늄이 생산되지 않고 혼합산화물 연료보다 플루토늄 연소량이 많아진다.그러나 핵분열성인 U-233은 사용후 핵연료에 존재할 것이다.무기급 플루토늄과 원자로급 플루토늄은 플루토늄 연료에 사용될 수 있으며, 무기급 플루토늄은 Pu-239의 양을 더 줄일 수 있다.

장수명 핵분열 생성물

다음 항목도 참조하십시오.핵재처리 vol볼록시드화
장수명 핵분열 생성물
핵종 t1/2 수율 Q[a 1] β의
(마) (%)[a2] (keV)
99Tc 0.211 6.1385 294 β
126스니 0.230 0.1084 4050[a 3] β의
79세 0.327 0.0447 151 β
93Zr 1.53 5.4575 91 β의
135Cs 2.3 6.9110[a 4] 269 β
107PD 6.5 1.2499 33 β
129나 15.7 0.8410 194 β의
  1. ^ 붕괴 에너지는 β, 중성미자 및 β(있는 경우)로 분할된다.
  2. ^ 65당 열 중성자 F는 U이고 35는 Pu이다.
  3. ^ 붕괴 에너지 380 keV이지만 붕괴 생성물 Sb는 붕괴 에너지 3.67 MeV입니다.
  4. ^ 전작인 Xe는 중성자를 쉽게 흡수하기 때문에 열원자로가 낮다.

일부 방사성 핵분열 생성물은 변환에 의해 수명이 짧은 방사성 동위원소로 변환될 수 있다.반감기가 1년 이상인 모든 핵분열 생성물의 변환은 그르노블에서 [19]다양한 결과와 함께 연구된다.

반감기가 약 30년인 Sr-90과 Cs-137은 사용후 핵연료에서 최대 방사선(열 포함) 방출체이며(수율이 낮기 때문에 Sn-121m는 경미함), 중성자 흡수 단면이 낮기 때문에 쉽게 변환되지 않는다.대신, 그것들은 썩을 때까지 단순히 저장되어야 한다.이 저장 길이가 필요하기 때문에 반감기가 짧은 핵분열 생성물도 붕괴될 때까지 저장될 수 있다.

다음으로 수명이 긴 핵분열 생성물은 Sm-151로, 90년의 반감기를 가지고 있으며, 중성자 흡수체이기 때문에 핵연료가 아직 사용되고 있는 동안 대부분 변환된다. 그러나 핵폐기물에서 나머지 Sm-151을 효과적으로 변환하려면 사마륨의 다른 동위원소와의 분리가 필요하다.적은 양과 낮은 에너지 방사능을 고려할 때 Sm-151은 Sr-90 및 Cs-137보다 덜 위험하며 최대 970년 동안 붕괴된 상태로 둘 수도 있다.

마지막으로, 7개의 장수명 핵분열 생성물이 있다.그들은 211,000년에서 1570만년 사이의 반감기를 훨씬 더 오래 가지고 있다.이들 중 Tc-99와 I-129는 잠재적 위험이 될 수 있는 환경에서 충분히 이동 가능하며, 프리(Tecnetium에는 알려진 안정 동위원소가 없음) 또는 대부분 동일 원소의 안정 동위원소와의 혼합물이 없으며, 중성자 단면은 작지만 변환을 지원하기에 적합한 중성자 단면을 가지고 있다.또한 Tc-99는 원자로 [20]안정성에 대한 부귀환을 위해 U-238을 도플러 확폭 공급으로 대체할 수 있다.제안된 변환 체계에 대한 대부분의 연구는 Tc, I 및 초우라늄 원소를 변환 대상으로 가정했으며, 다른 핵분열 생성물, 활성화 생성물 및 가능한 재처리 우라늄은 [21]폐기물로 남아 있다.테크네튬-99는 핵이성체인 테크네튬-99m에서 핵의학 폐기물로 생산돼 더 이상 사용되지 않는다.Tc의 붕괴 생성물(중성자를 포획한 결과)이 귀금속인 루테늄의 안정적인 동위원소로 비교적 짧은 반감기로 붕괴하기 때문에 비용을 충분히 낮출 수 있다면 변환에 대한 경제적 인센티브도 있을 수 있다.

나머지 5개의 장기수명 핵분열 생성물 중 Se-79, Sn-126 및 Pd-107은 소량(최소한 오늘날의 열 중성자, U-235 연소 경수로)에서만 생산되며, 나머지 2개는 비교적 불활성화되어야 한다.나머지 2대인 Zr-93과 Cs-135는 대량으로 생산되지만 환경 내에서도 이동성이 높지 않습니다.또한 동일한 원소의 다른 동위원소들과 더 많은 양이 혼합된다.지르코늄은 중성자에 대해 사실상 '투명'하기 때문에 연료봉의 피복재로 사용되지만, 일반 지르콜로이에서 중성자를 흡수하여 소량의 Zr이 생성되지만 큰 악영향은 없다.Zr을 새로운 피복재에 재사용할 수 있는지 여부는 지금까지 많은 연구 대상이 되지 않았다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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  8. ^ 1932년 4월 콕크로프트와 월튼은 리튬을 고에너지 양성자로 분해했다. 2012-09-02 Wayback Machine 아카이브 완료
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  19. ^ 유해 방사성 핵폐기물 순감소 방법 - 미국 특허 4721596 설명
  20. ^ 고속로에서의 선택된 핵분열 생성물의 변환
  21. ^ 원자력 연금술 - 에너지 및 환경 연구 연구소

외부 링크

  • "방사능 변화", Rutherford & Soddy 기사(1903)는 온라인으로 Bibnum에서 분석했다.[영어 버전은 '테를레차저' 클릭]