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, 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.