stringtranslate.com

Изотопы цезия

Цезий ( 55Cs ) имеет 41 известный изотоп , атомные массы этих изотопов находятся в диапазоне от 112 до 152. Только один изотоп, 133Cs , является стабильным. Самым долгоживущим радиоизотопом является 135Cs с периодом полураспада 1,33 миллиона лет,137
Cs
с периодом полураспада 30,1671 года и 134 Cs с периодом полураспада 2,0652 года. Все остальные изотопы имеют период полураспада менее 2 недель, большинство менее часа.

Начиная с 1945 года с началом ядерных испытаний , радиоизотопы цезия были выброшены в атмосферу , где цезий легко поглощается в раствор и возвращается на поверхность Земли как компонент радиоактивных осадков . После того, как цезий попадает в грунтовые воды, он осаждается на поверхности почвы и удаляется из ландшафта в основном путем переноса частиц. В результате входная функция этих изотопов может быть оценена как функция времени.

Список изотопов

  1. ^ m Cs – Возбужденный ядерный изомер .
  2. ^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) приводится в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  3. ^ # – Атомная масса, отмеченная #: значение и неопределенность получены не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из тенденций от поверхности массы (TMS).
  4. ^ Способы распада:
  5. ^ Жирный курсивный символ как дочерний – Дочерний продукт почти стабилен.
  6. ^ Жирный символ как дочерний – Дочерний продукт стабилен.
  7. ^ ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.
  8. ^ ab # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).
  9. ^ abcde Порядок основного состояния и изомера не определен.
  10. ^ Используется для определения второго
  11. ^ abcd Продукт деления

Цезий-131

Цезий-131, представленный в 2004 году для брахитерапии компанией Isoray [7], имеет период полураспада 9,7 дней и энергию 30,4 кэВ.

Цезий-133

Цезий-133 — единственный стабильный изотоп цезия. Основная единица времени СИ, секунда , определяется специфическим переходом цезия-133 . С 1967 года официальное определение секунды следующее:

Второй символ s определяется путем принятия фиксированного числового значения частоты цезия Δ ν Cs , невозмущенной частоты сверхтонкого перехода основного состояния атома цезия-133 [8] , равной9 192 631 770 , если выразить в единице Гц , что равно с −1 .

Цезий-134

Период полураспада цезия-134 составляет 2,0652 года. Он производится как напрямую (с очень малым выходом, поскольку 134 Xe стабилен), так и посредством захвата нейтронов из нерадиоактивного 133 Cs ( сечение захвата нейтронов 29 барн ), который является обычным продуктом деления . Цезий-134 не производится посредством бета-распада других продуктов деления нуклидов с массой 134, поскольку бета-распад останавливается на стабильном 134 Xe. Он также не производится ядерным оружием , поскольку 133 Cs создается посредством бета-распада исходных продуктов деления только спустя долгое время после окончания ядерного взрыва.

Суммарный выход 133 Cs и 134 Cs составляет 6,7896%. Соотношение между ними будет меняться при продолжении нейтронного облучения. 134 Cs также захватывает нейтроны с поперечным сечением 140 барн, превращаясь в долгоживущий радиоактивный 135 Cs.

Цезий-134 подвергается бета-распаду (β− ) , производя непосредственно 134Ba и испуская в среднем 2,23 гамма-кванта (средняя энергия 0,698 МэВ ) . [9]

Цезий-135

Цезий-135 — слаборадиоактивный изотоп цезия с периодом полураспада 1,33 миллиона лет. Он распадается путем испускания низкоэнергетической бета-частицы в стабильный изотоп барий-135. Цезий-135 — один из семи долгоживущих продуктов деления и единственный щелочной. В большинстве типов ядерной переработки он остается со среднеживущими продуктами деления (включая137
Cs , которые могут быть отделены только от135
Cs через изотопное разделение ) а не с другими долгоживущими продуктами деления. За исключением реактора на расплавленной соли , где135
Cs создается как совершенно отдельный поток вне топлива (после распада пузырькового разделения)135
Низкая энергия распада , отсутствие гамма-излучения и длительный период полураспада 135Cs делают этот изотоп гораздо менее опасным, чем 137Cs или 134Cs .

Его предшественник 135 Xe имеет высокий выход продуктов деления (например, 6,3333% для 235 U и тепловых нейтронов ), но также имеет самое высокое известное сечение захвата тепловых нейтронов среди всех нуклидов. Из-за этого большая часть 135 Xe, произведенного в современных тепловых реакторах (до >90% при полной мощности в стационарном состоянии) [10], будет преобразована в чрезвычайно долгоживущий (период полураспада порядка 10 21 лет)136
Xe прежде, чем он сможет распасться на135
Cs, несмотря на относительно короткий период полураспада135
Xe . Мало или совсем нет135
Xe будет уничтожен захватом нейтронов после остановки реактора или в реакторе на расплавленной соли , который непрерывно удаляет ксенон из своего топлива, реакторе на быстрых нейтронах или ядерном оружии. Ксеноновая яма — это явление избыточного поглощения нейтронов через135
Накопление Xe в реакторе после снижения мощности или остановки часто регулируется путем135
Распад ксенона происходит до уровня, при котором поток нейтронов снова можно безопасно контролировать с помощью регулирующих стержней .

Ядерный реактор также будет производить гораздо меньшие количества 135Cs из нерадиоактивного продукта деления 133Cs путем последовательного захвата нейтронов в 134Cs , а затем в 135Cs .

Тепловое сечение захвата нейтронов и резонансный интеграл 135 Cs составляют 8,3 ± 0,3 и 38,1 ± 2,6 барн соответственно. [11] Утилизация 135 Cs путем ядерной трансмутации затруднена из-за низкого сечения, а также из-за того, что нейтронное облучение смешанного изотопного деления цезия производит больше 135 Cs из стабильного 133 Cs. Кроме того, интенсивная среднесрочная радиоактивность 137 Cs затрудняет обращение с ядерными отходами. [12]

Цезий-136

Период полураспада цезия-136 составляет 13,16 суток. Он производится как напрямую (с очень малым выходом, поскольку 136Xe является бета-стабильным ) в качестве продукта деления, так и посредством захвата нейтронов из долгоживущего 135Cs (сечение захвата нейтронов 8,702 барн), который является обычным продуктом деления. Цезий-136 не производится посредством бета-распада других продуктов деления нуклидов с массой 136, поскольку бета-распад останавливается на почти стабильном 136Xe . Он также не производится ядерным оружием, поскольку 135Cs создается путем бета-распада исходных продуктов деления только спустя долгое время после окончания ядерного взрыва. 136Cs также захватывает нейтроны с сечением 13,00 барн, становясь среднеживущим радиоактивным 137Cs . Цезий-136 подвергается бета-распаду (β−), производя 136Ba напрямую.

Цезий-137

Цезий-137 с периодом полураспада 30,17 лет является одним из двух основных среднеживущих продуктов деления , наряду с 90 Sr , которые ответственны за большую часть радиоактивности отработанного ядерного топлива после нескольких лет охлаждения, вплоть до нескольких сотен лет после использования. Он составляет большую часть радиоактивности, оставшейся после аварии на Чернобыльской АЭС , и является серьезной проблемой для здоровья при дезактивации земель вблизи АЭС Фукусима . [13] 137 Cs бета распадается до бария-137m (короткоживущий ядерный изомер ), а затем до нерадиоактивного бария-137 . Цезий-137 не испускает гамма-излучение напрямую, все наблюдаемое излучение обусловлено дочерним изотопом барием-137m.

137 Cs имеет очень низкую скорость захвата нейтронов и пока не может быть утилизирован таким образом, если только не будут достигнуты успехи в коллимации нейтронного пучка (что невозможно сделать иным образом с помощью магнитных полей), что доступно только в экспериментах по мюонному катализу синтеза (а не в других формах ускорительной трансмутации ядерных отходов ), и не позволит производить нейтроны с достаточно высокой интенсивностью, чтобы компенсировать и преодолеть эти низкие скорости захвата; поэтому до тех пор 137 Cs нужно просто позволить распадаться.

137 Cs использовался в качестве трассера в гидрологических исследованиях , аналогично использованию 3 H.

Другие изотопы цезия

Другие изотопы имеют период полураспада от нескольких дней до долей секунды. Почти весь цезий, полученный в результате ядерного деления, происходит из бета-распада изначально более богатых нейтронами продуктов деления, проходящих через изотопы йода , чем изотопы ксенона . Поскольку эти элементы летучи и могут диффундировать через ядерное топливо или воздух, цезий часто создается далеко от исходного места деления.

Ссылки

  1. ^ abcd Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Оценка ядерных свойств NUBASE2020" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  2. ^ "Измерения периода полураспада радионуклидов NIST". NIST . Получено 2011-03-13 .
  3. ^ "Стандартные атомные веса: цезий". CIAAW . 2013.
  4. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
  5. ^ Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки*». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
  6. ^ ab Browne, E.; Tuli, JK (октябрь 2007 г.). "Ядерные данные для A = 137". Nuclear Data Sheets . 108 (10): 2173–2318. doi :10.1016/j.nds.2007.09.002.
  7. ^ Isoray. "Почему цезий-131". Архивировано из оригинала 2019-06-30 . Получено 2017-12-05 .
  8. ^ Хотя фаза, используемая здесь, более кратка, чем в предыдущем определении, она все еще имеет то же значение. Это ясно из 9-й брошюры SI, которая почти сразу после определения на стр. 130 гласит: "Эффект этого определения заключается в том, что секунда равна длительности9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями невозмущенного основного состояния атома 133 Cs».
  9. ^ "Характеристики цезия-134 и цезия-137". Японское агентство по атомной энергии. Архивировано из оригинала 2016-03-04 . Получено 2014-10-23 .
  10. ^ Джон Л. Грох (2004). «Дополнение к главе 11 книги «Основы физики реакторов» (PDF) . Проект CANTEACH. Архивировано из оригинала (PDF) 10 июня 2011 г. . Получено 14 мая 2011 г. .
  11. ^ Хацукава, Y.; Шинохара, N; Хата, K.; и др. (1999). «Сечение тепловых нейтронов и резонансный интеграл реакции 135Cs(n,γ)136Cs: Фундаментальные данные для трансмутации ядерных отходов». Журнал радиоаналитической и ядерной химии . 239 (3): 455–458. doi :10.1007/BF02349050. S2CID  97425651.
  12. ^ Оки, Шигео; Такаки, ​​Наоюки (2002). «Трансмутация цезия-135 с помощью быстрых реакторов» (PDF) . Труды седьмого совещания по обмену информацией по разделению и трансмутации актинидов и продуктов деления, Чеджу, Корея .
  13. ^ Деннис (1 марта 2013 г.). «Охлаждение горячей зоны». Science . 339 (6123): 1028–1029. doi :10.1126/science.339.6123.1028. PMID  23449572.