導入
核分裂生成物は、核分裂性元素 (核) の分裂によって生じる化学体です。核分裂を起こした核分裂性物質の各核は 2 つ (例外的に 3 つ) の部分に分裂し、新しい原子の形で安定します。
これらは核反応の「灰」であり、最終的な核廃棄物を構成します。核分裂生成物は統計的分布（核分裂性核に弱く依存する）に従って形成され、そこには事実上すべての化学元素の同位体が見つかります。最初に形成される核分裂生成物の大部分は非常に不安定な同位体です。それらは非常に放射性が高く、強い熱とガンマ線を放出します。ガンマ線はしばしば非常に高エネルギーです（したがって危険です）。
最も放射性の高い核分裂生成物は半減期が非常に短く、すぐに消えてしまいます。核分裂生成物中の同位体の分布は時間の経過とともに非常に大きく変化し、初期の放射能は非常に急速に低下します。
原子炉では、核分裂生成物によって放出される電力（停止直後の原子炉の熱出力の 5% 程度）により、心臓部の溶融を避けるために停止後数日間冷却を維持する必要があります。この熱出力は原子炉の残留出力と呼ばれます。数日後、放射能は十分に減少し、燃料をプールに移送できるようになりました。プール内で数年間放置すると、放射能は十分に低レベルになり、物質を取り出したり再処理したりできるようになります。数百年後、核分裂生成物の残留放射能は、その生成元となる核分裂性原子の残留放射能よりも少なくなります。
核分裂生成物の放射能により、照射済み核燃料の取り扱いや、核貯蔵、使用済み核燃料の処理、放射性廃棄物の最終保管といった核サイクルの下流のすべての処理において、非常に重要な放射線防護が必要となります。
トレーニング
原子炉内では、ウラン 235原子核が中性子の吸収によって核分裂すると、2 つの新しい不安定な原子核が形成されます。
核分裂生成物 (FP) と、核連鎖反応によって他の核分裂を引き起こす 2 個または 3 個の中性子が含まれます。核子の総数は反応中に保存されますが、生成される原子と粒子の質量の合計は常に元の原子の質量よりも小さくなります。これは、質量の一部がエネルギーに変換されるという事実によって説明されます (E = mc 2を参照)。
この反応で考えられる式は次のとおりです。
- $$ {{}^{235}_{92}U + {}^1_0 n \rarr {}^{93}_{36}Kr + {}^{140}_{56}Ba + 3 {}^1_0 n + Energie = 200 MeV (environ) = 3,2 \times 10^{-11} joule } $$
この例では、両方の核分裂生成物に過剰な中性子があります。最も重い安定なクリプトンは Kr-86 (7 つの過剰な中性子)、最も重い安定なバリウムは Ba-138 (2 つの過剰な中性子) です。対応する崩壊連鎖は 7 つの電子を放出します (同数の中性子を陽子に変換します)。
- $$ {{}^{93}_{36}Kr \rightarrow} $$(1.286秒、β-)$$ {\rightarrow{}^{93}_{37}Rb\rightarrow} $$(5.84秒、β-)$$ {\rightarrow{}^{93}_{38}Sr\rightarrow} $$(7.423 分、β-)$$ {\rightarrow{}^{93}_{39}Y\rightarrow} $$(午前10時18分、β-)$$ {\rightarrow{}^{93}_{40}Zr\rightarrow} $$(1.53×10 6 a、β-)$$ {\rightarrow{}^{93}_{41}Nb\rightarrow} $$（安定した）
- $$ {{}^{140}_{56}Ba\rightarrow} $$(12.7527日、β-)$$ {\rightarrow{}^{140}_{57}La\rightarrow} $$(1.67855日、β-)$$ {\rightarrow{}^{140}_{58}Ce\rightarrow} $$（安定した）
核分裂したウラン原子と核分裂を引き起こす中性子には、最初に 92 個の陽子と 144 (143 + 1) 個の中性子が含まれており、そのうち 2 個半 (平均) が核分裂中にほぼ瞬時に放出されます。核分裂中に形成される 2 つの不安定な原子には、合計 92 個の陽子と 141.5 個の中性子 (平均) が含まれており、これらは形成された 2 つの不安定な原子間に分布しています。それぞれは平均して46 個の陽子と 71 個の中性子、つまり 117 個の核子を運びます (一方、パラジウム、Z = 46 は 56 ～ 60 個の中性子に対して安定です)。したがって、形成された 2 つの不安定な原子には、関係する元素の安定同位体と比較して過剰な数の中性子が含まれていることがわかります (安定性の谷と比較して 3 ～ 5 個の中性子が「過剰」): それらは β 放射能を示す傾向があります。そして、陽子の欠乏が大きい場合には、反応の「遅延中性子」の一部となる中性子を放出することによって、かなり急速に崩壊する。
核分裂生成物の原子番号は、統計的に 2 つの間隔で分布します。
核分裂生成物の正確な統計的分布は、燃料組成 (ウラン濃縮度、プルトニウム含有量)、スペクトルおよび中性子束などのいくつかの要因に依存します。同位体235 に富むウランを使用する加圧水型発電炉 (PWR タイプ) では、核分裂生成物の 97% が次の間隔の間に分布します。
- 最初の部分では 84 個から 105 個の核子。
- 他の部分は 129 から 149 にします。
また、核子の数が 90 ～ 100 個、他方で 133 ～ 144 個の原子の割合は非常に近く、すべて約 3 ～ 3.2% のオーダーです (「ラクダの背中」で示した)したがって、上記 (対数スケール) では、形成された原子の約 (11 + 12) × 3.1% = 71.3% に対して 2 つの「準プラトー」が存在します。
比率は、これら 2 つのプラトーを超えると、それらに対してほぼ対称的に急激に減少します。
- 90 ～ 84 核子 (~0.5%)
- 100 ～ 105 核子 (~0.4%)
- 133 ～ 129 核子 (~0.5%)
- 144 ～ 149 核子 (~0.6%)。
形成される他の核子の相対比率は 0.3% 未満または非常に低いです。
核分裂後、原子炉が停止する前に、形成された原子の核子数分布は、中性子束との反応によってごくわずかに変化し、核子の数を増加させる捕獲につながる可能性があります。したがって、分布は原子炉内での核分裂生成物の培養時間 (中性子への曝露時間) に依存します。さらに、この間に、ベータとガンマへの 放射性崩壊が発生します（核子の数は変化しません）。
さらに、原子炉内でウラン 238から形成されるプルトニウム 239の分裂では、たとえ大きさがほぼ同じであっても、ウラン 235 の場合とまったく同じ割合の異なる元素の原子が生成されるわけではありません。
これらの考慮事項は、すべての原子炉および使用される燃料のすべてのエネルギー (または摩耗) での核分裂によって形成される放射性核種の性質、特に量を単純に評価することがなぜ非常に難しいのかを説明しています。これを行うには、非常に複雑なモデリングが必要です。
