Nükleer dönüşüm

Nükleer dönüşüm, bir kimyasal element ya da bir izotopun birbirine dönüşmesidir. Her element (ya da herhangi birinin izotopu) atomlarındaki proton (ve nötron) sayılarıyla tanımlanırlar. Başka bir deyişle, atom çekirdeği içindeki proton ya da nötron sayısında değişim gerçekleştiğinde nükleer dönüşüm meydana gelir.
Bir dönüşüm, ya nükleer tepkimeler (çekirdek dışındaki bir parçacığın etkileşimi ile) ya da başka bir dış etmene ihtiyaç duyulmadığında radyoaktif bozunma ile gerçekleştirilebilir.
Geçmişte yıldız nükleosentezi ile gerçekleşen doğal dönüşüm, günümüzde evrende var olduğunu bildiğimiz ağır kimyasal elementleri meydana getirmiştir.
Dönüşüm teknolojisi büyük ölçüde radyoaktif yarılanma ömrüne azaltarak insan popülasyonları üzerindeki radyoaktif atıkların uzun vadeli olumsuz etkileri azaltma potansiyeline sahiptir.
Tüm radyoaktif bozunmalar veya nükleer reaksiyonlar dönüşüne sebep olmaz, ancak tüm dönüşüm ya çürümeye veya nükleer reaksiyon neden olur. En yaygın radyoaktif bozunma türleri gama bozunması ve iç dönüşüm alakalı işlemlerdir. Ancak, çoğu diğer tip bozunma (dönüşüm), radyoizotopların dönüşmesine sebep olur. Benzer şekilde, birkaç nükleer reaksiyon uygulamasında, çoğu nükleer reaksiyonlar ve nükleer türleri doğal olarak gözlemlemek için tüm kimyasal elementlerin var olmasına rağmen, dönüşüme neden olmaz.
Bir tür doğal dönüşüm gözlemlenebilir olduğunda bazı radyoaktif elementler alfa ya da beta bozunumu gibi mevcut doğa tarafından kendiliğinden çürüme sürecine neden olur. Örnek olarak doğal çürüme potasyum-40'ın argon-40'a, argonun havadaki en çok olan formu, dönüşmesi. Ayrıca Dünya üzerinde, kozmik ışın bombardıman (örneğin, karbon-14) ve zaman zaman da doğal nötron bombardımanı (örneğin, doğal nükleer fisyon reaktörü) nedeniyle doğal mutasyondan farklı mekanizma doğal nükleer reaksiyonlar meydana gelir.
Yapay dönüşüm elemanları çekirdek yapısında değişikliklere neden olmak için yeterli enerjiye sahip makineler oluşturabilir. Yapay dönüşüme sebep olan makineler parçacık hızlandırıcı ve tokamak içerebilir. Geleneksel fisyon güç reaktörü bu yapay dönüşüme sebep olabilir ancak ancak yapay olarak üretilen nükleer zincir reaksiyonu bir fisyon tarafından üretilen nötron eleman açar.
Yapay nükleer dönüşüm, radyo aktif atığın hacmini ve tehlikesini azaltmak için olası bir mekanizma olarak kabul edilmiştir.

Tarih

Dönüşüm terimi simya'ya kadar uzanmaktadır. Simyacılar, temel metalleri altın dönüştürmek için yeteneğe sahip felsefe taşını takip etmişlerdir, chrysopoeia dönüşümü. Simyacılar genellikle mistik ya da dini bir süreç için bir metafor olarak chrysopoeia anlaşılır olsa da, bazı uygulayıcılar literal bir yorumu kabul eder ve fiziksel deney yoluyla altın yapmaya çalışır. Metalik dönüşüm imkansızlığı simya, simyacı, filozof ve Orta Çağlardan beri bilim adamları arasında tartışılan bir olgu olmuştur. Sözde simya dönüşümünü yasa dışı ilan edildi ve on dördüncü yüzyılın başlarında alay edilmeye başlandı. Michael Maier ve Heinrich Khunrath gibi simyacılar, altın yapma hilelerini içerdiğini iddia ettikleri yazılar yayınladılar. 1720 de, altın içine maddelerin fiziksel dönüşümlerinin takip eden herhangi biri artık pek yoktu. Antoine Lavoisier, 18. yüzyılda elementlerin simya teorisini modern teori ile kimyasal elementlerin ve atomlarının yerini aldı(simya teorisinden yuvarlar), John Dalton daha da çeşitli kimyasal süreçleri açıklamak için kavramlar geliştirdi. Atomlu ayrışma simyacılar ile elde edilebilir çok daha fazla enerji konularında ayrı bir işlemdir.
İlk bilinçli modern fizik Frederick Soddy ile birlikte uygulandı. 1901 yılında Ernest Rutherford, radyoaktif olduğunu keşfettiği toryumun kendi kendine dönüştüğünü keşfetti. Sonra Soddy bağırdı: "Rutherford, bu dönüşüm! " Rutherford "demiyorlar, Tanrı aşkına, Soddy için geri tersledi dönüşüm. Onlar simyacılar olarak başımıza gerekecek."
Rutherford ve Soddy doğal dönüşümleri, radyoaktif ve alfa bozunumunun bir parçası olarak gözlemledi. Ancak 1919 yılında, Rutherford azot'u oksijene dönüştürmeyi başardı, azot yönelik alfa parçacıkları kullanarak, 14 N + α → 17 O + p. Bu ilk gözlem, nükleer reaksiyon yani bir reaksiyon işlemi, içinde bir çürüme partiküllerinin bir atom çekirdeği dönüştürülmesi için kullanılır. En sonunda, 1932 yılında, tam yapay nükleer reaksiyon ve nükleer dönüşüm Rutherford'un meslektaşları tarafından sağlanmıştır John Cockcroft ve Ernest Walton iki alfa parçacıkları içine çekirdeğini bölmek için lityum-7 karşı yapay hızlandırılmış protonlar kullanırlar. Modern olmamasına rağmen başarı, halk arasında ", atomu parçalamaktan" olarak bilinen nükleer fisyon tarafından 1938 yılında keşfedilen reaksiyon Otto Hahn, Lise Meitner ağır elementler ve bunların yardımcısı Fritz Strassmann'ın.
Daha sonra yirminci yüzyılda yıldız içindeki unsurların dönüşümü, evrende ağır elementlerin göreceli bolluk için muhasebesi yapıldı. Big Bang ve diğer üretildi ilk beş element, kozmik ışın süreçleri, yıldız nükleosentez bordan daha ağır elementlerin bolluğundan sorumluydu. Onların içinde 1.957 sayfa kağıt Yıldız Elementlerin Sentezi, William Alfred Fowler, Margaret Burbidge,Geoffrey Burbidge ve Fred Hoyle esasen tüm hafif kimyasal elementlerin ama bolluğu süreci ile açıklanabilir olduğunu ve yıldızların nükleosentezindeki işlemleri açıkladılar.
Bu gerçek nükleer dönüşümünü altında, simyacılar hararetle takip edenlerdi ters reaksiyon daha kurşun içine altın açmak için çok daha kolaydır. Nükleer denemeler başarıyla altın içine kurşunu dönüştürmüştür, ancak gider kadar herhangi bir kazanç yoktur. Bu yolla kurşun içine altın dönüştürmek daha kolay olacaktır, nükleer reaktörde altın bırakarak nötron yakalama ve beta bozunumu uzun bir süre için kolaylaştırır.
Glenn Seaborg bizmut altın için birkaç bin atom üretti ama net bir kayıp.
Altın sentezi ile ilgili daha fazla bilgi için değerli metaller sentezine bakınız.
¹⁹⁷Au + n → ¹⁹⁸Au (yarı ömrü 2.7 gün) → ¹⁹⁸Hg + n → ¹⁹⁹Hg + n → ²⁰⁰Hg + n → ²⁰¹Hg + n → ²⁰²Hg + n → ²⁰³Hg (yarı ömrü 47 gün) → ²⁰³Tl + n → ²⁰⁴Tl (yarı ömrü 3.8 yıl) → ²⁰⁴Pb

Evrendeki dönüşüm

Yukarıda işaret edildiği gibi, Büyük Patlama (dahil olmak üzere tüm hidrojen kaynağı olduğu düşünülmektedir döteryum evrenin) ve helyum. Hidrojen ve helyum birlikte evrende sıradan maddenin kütlesinin %98'ini oluşturmaktadır.
Yıldız nükleosentezi olarak evrende doğal olarak oluşan diğer elementlerin hepsi sorumludur kararlı izotoplar ve ilkel nüklidin gelen, karbon için plutonyum. Bunlar yıldız oluşumu sırasında, Big Bang'den sonra gerçekleşti. Demire karbon bazlı hafif elementler yıldızla oluşan ve uzaya yayımlanan asimptotik dev dal (AGB) yıldızlı. Bunlar dış atmosfere kapalı "ponponları", nikel ve demir karbon bazı ögeleri içeren kırmızı dev bir türüdür. Tüm elemanlar atom ağırlığı daha büyük 64 atomik kütle birimi üretilen süpernova çekirdek adlı hafif çekirdekleri reaksiyon vasıtasıyla yıldızlı nötron yakalama: iki işlem içine alt böler r-işlem ve s işlem.
Güneş Sistemi gibi çok yıldızlı önceden oluşturulan toz taneleri daha ağır elementleri içeren hidrojen ve helyumdan bir buluttan, yaklaşık 4.6 milyar yıl önce şimdiki yoğunlaşmış olduğu düşünülmektedir. Bu taneler evrenin tarihinin erken dönüşümünü oluşturduğu ağır unsurları içeriyordu.
Yıldız Dönüşümün bu doğal süreçlerin tümü kendi galaksimizde ve diğerleri bugün hala devam ediyor. Örneğin, üst nova yıldızlı gözlemlenen ışık eğrileri SN 1987A bunları alan radyoaktif nikel ve kobalt büyük miktarda patlayıcı göstermektedir. Ancak, bu madde küçük toprak ulaşır. Yeryüzünde bugün çoğu doğal dönüşüm aracısı kozmik ışınlar (örneğin karbon-14 üretimi gibi) ve radyoaktif radyoaktif parçalanma ilkel nüklitlerin (örneğin güneş sisteminin ilk oluşumundan arta kalan potasyum-40, uranyum ve toryum ), artı bu nucleides ürünleri (radyum, radon, polonyum, vs.) radyoaktif bozunma. Bakınız çürüme zinciri.

Genel bakış

Transuranyum elementlerinin dönüşümü (aktinitler gibi) izotoplar ve plutonyum, Neptünyum, amerikyum ve küriyum yönetimi yarattığı sorunları çözmeye yardımcı potansiyeline sahip radyoaktif atıkların, içerdiği uzun ömürlü izotopların oranını azaltır. Bir nükleer reaktör içinde hızlı nötronlar ışınlandı zaman, bu izotoplar, orijinal aktinit izotop yok ve radyoaktif ve radyoaktif olmayan füzyon ürünleri spektrum üretir, nükleer fizyon geçmesi için yapılabilir.
Aktinitler içeren seramik hedefler en zor uzun ömürlü türlerin kaldırılabilmesi için dönüşüm reaksiyonları nötron ile bombardıman edilebilir. Bunlar, (Am, Zr), N, (Am, Y) aktinit-içeren katı çözeltilerin oluşabilir N, (Zr, Cm) O 2, (Zr, Cm, Am) O 2, (Zr, Am, Y) O 2 ya da AMO olarak sadece aktinid fazlar 2, NPO 2, NPN, MgO gibi bazı atıl fazlar karışık AmN, mgal 2 O 4 (Zr, Y) O 2, TiN ve ZrN. Radyoaktif olmayan atıl fazların rolü nötron ışınlama altında hedef stabil mekanik davranış sağlamak için esas olarak.

Reaktör çeşitleri

Örneğin, reaktörlerde dönüşüm plütonyumun MOX yakıtların içine işlenmesi olabilir. Ağır elementler hızlı reaktörler de dönüştürülebilir, ama muhtemelen daha etkili olarak bilinen bir altkritik reaktörde enerji amplifikatörü, Carlo Rubbia tarafından geliştirilmiştir. Füzyon nötron kaynaklarının uygun olduğu ayrıca ileri sürülmüştür. 

Yakıt tipleri

Döngüsünün sonunda (EOC) çevrim (BOC) başında başlangıç ​​bileşimi içinde plütonyum birleştirmek ve bu elemanın daha küçük bir miktarına sahip çeşitli yakıtların vardır. Döngüsü sırasında, plütonyum elektrik üreten bir güç reaktöründe yanmış olabilir. Bu işlem, bir elektrik üretim açısından değil, aynı zamanda yeniden işleme nedeniyle harcanan nükleer yakıt (SNF) çıkan silah programına ve plütonyum gelen ihtiyaç fazlası silah plütonyum tüketen onun yeteneği.
Karışık oksit yakıt (MOX) bunlardan biridir. Plütonyum ve uranyum oksit harmanı ağırlıklı hafif su reaktörleri (LWR) kullanılan düşük zenginleştirilmiş uranyum (LEU) yakıta alternatif oluşturmaktadır. Plütonyum yanmış olacak, ancak uranyum, MOX mevcut olduğundan, ikinci nesil plütonyum ışınım U-238 yakalama ve birbirini takip eden iki beta eksi dönüşümü (bozunumu) yoluyla imal edilecektir.
Plütonyum ve toryumlu yakıtlar da bir diğer seçenektir. Bunlarda, plütonyum fisyon yayımlanan nötron Th-232 tarafından yakalanır. Bu ışıma yakalanmasından sonra, Th-232 üretimi ile sonuçlanan, bölünebilen U-233 izotopu  azalır, iki P eksi'ye maruz kalır ve Th-233 olur. Th-232 için ışınım yakalama kesiti U-238 den daha bölünebilir yakıt için daha yüksek bir dönüşüm ve üç kat daha fazla verimli U-238 olmasıdır. Yakıtta proton yokluğu nedeniyle, üretilen hiçbir ikinci nesil plütonyum yoktur ve MOX yakıtlarında daha yüksek yanmış plütonyum miktarı olacaktır. Bununla birlikte, bölünebilen U-233, yakıtta mevcut olacaktır. Silah dereceli ve reaktör dereceli plütonyum, silah sınıfı plütonyum Pu-239'un miktarının daha büyük bir azalma olduğunu gösterir, plütonyum toryum yakıtlarında kullanılabilir.

Dönüşümün arkasındaki mantık

Plütonyum ve diğer aktinitlerin izotopları uzun ömürlü olma eğilimindedir ve yarı ömürleri radyoaktif fisyon ürünleri kısa ömürlü olma eğilimi ise binlerce yıl içindedir. Atık yönetimi açısından bakıldığında, aktinitlerin dönüşüm çok uzun vadeli radyoaktif tehlikeyi ortadan kaldırır ve çok daha kısa vadeli bir diğeriyle değiştirir.
Bir radyoizotop tehdidi dahil olmak  kimyasal ve biyolojik elemanın özelliklerinin birçok faktör tarafından etkilenir olduğunu anlamak önemlidir. Örnek olarak, sezyum nispeten kısa ömre sahiptir ve biyolojik yarılanma ömrü ise (1 ila 4 ay) stronsiyum ve radyum hem çok uzun biyolojik yarı ömürleri vardır. Bunun sonucunda stronsiyum-90 ve radyum daha zarar çok daha edebiliyoruz sezyum-137 verilen bir etkinlik yutulur zaman. 
Uzun biyolojik yarılanma ömürleri çok ve çünkü aktinitler çoğu radyotoksik olan alfa yayıcılar. Dönüşümün niyet içine aktinitler dönüştürmek olduğunu fisyon ürünleri. Fisyon ürünleri çok radyoaktif, ancak faaliyetin çoğunluğu kısa bir süre içinde bozulacaktır. En endişe verici kısa ömürlü fisyon ürünleri gibi vücutta birikir olan iyot tiroid bezinde biriken iyot-131, ancak umulmaktadır [kim tarafından?] Iyi tasarımı ile nükleer yakıt ve dönüşüm tesisi böyle fisyon ürünleri insanlar ve çevreleri izole ve çürümeye izin verilebilir. Orta vadede en yüksek endişe fisyon ürünleri Stronsiyum-90 ve sezyum-137 vardır; her ikisi de yaklaşık 30 yıllık bir yarı-ömre sahiptir. Sezyum-137 harici çoğunluğu gama işçilerin yaşadığı dozdan sorumludur  ve 2005 yılında,  Çernobil de olduğu gibi. Bu orta ömürlü izotoplar çürümüş kalan izotoplar çok daha küçük bir tehdit olacaktır.

Uzun ömürlü fisyon ürünleri

Bazı radyoaktif füzyon ürünleri dönüşümünü daha kısa ömürlü radyoizotoplara dönüştürülebilir. Bir yıldan fazla yarılanma ömrüne sahip tüm fisyon ürünleri dönüşümü, Grenoble de incelenmiştir değişken sonuşlar elde edilmiştir.
90-Sr ve Cs-137, yaklaşık 30 yıllık yarı ömürleri ile, yüzlerce yıldır bir ölçekte kullanılan nükleer yakıt en büyük radyasyon yayıcılar vardır ve onlar düşük olması nedeniyle kolayca dönüştürelemese de olmayan nötron soğurma kesitleri vardır. Bunlar çürüme kadar, sadece yerleri muhafaza edilmelidir. Bunlar çürüme kadar depolama uzunluk, gerekli olduğu göz önüne alındığında, daha kısa yarılanma ömrü ile füzyon ürünleri de saklanabilir.
Bir sonraki daha uzun ömürlü fisyon ürünü Sm-151'dir. 90 yıl yarılanma ömrü vardır ve nükleer yakıt halen kullanılmaktadır. Ancak, etkili bir nükleer atık olan Sm-151 transmuting diğer izotoplarının ayrılmayı gerektirecek samaryum. Küçük miktarlarda ve düşük enerjili radyoaktivite göz önüne alındığında, Sm-151 90-Sr ve Cs-137 daha az tehlikelidir ve de çürümeye terk edilebilir.
7 uzun ömürlü fisyon ürünü vardır. Onlar 16 milyon ile 211.000 yıl içinde çok daha uzun yarı ömürleri var. Bunlardan ikisi, Tc-99 ve I-129, potansiyel tehlikeleri olmayan ortamda yeteri kadar hareketli olan serbest ya da aynı elementin izotop karışımı çoğunlukla serbest ve dönüşümü desteklemek için küçük ama yeterli nötron kesitleri var. Ayrıca, Tc-99 U-238'in  doppler reaktörü istikrarı için negatif geri besleme ile yerini alabilir. Önerilen dönüşüm programların çalışmalarının çoğu varsayım 99 Tc, 129 I diğer fisyon ile transmutation için hedef olarak ve transuranics ürünleri, aktivasyon ürünleri ve muhtemelen yeniden işlenmiş uranyum atığı olarak kalır.
Kalan 5 uzun ömürlü fisyon ürünleri, Se-79, Sn-126 ve Pd-107 (en azından bugünün sadece küçük miktarlarda üretilen termal nötron, U-235 -burning hafif su reaktörü olmalı ve son iki) nispeten atıl. Diğer iki, Zr-93 ve CS-135, büyük miktarlarda üretilir, fakat bir ortamda aynı zamanda son derece hareketli değildir. Ayrıca, aynı elemanın diğer izotoplarını büyük miktarlarda karıştırılır.