Йод-129 ( 129 I) представляет собой долгоживущий радиоизотоп йода , который встречается в природе, но также представляет особый интерес для мониторинга и воздействия искусственных продуктов ядерного деления , где он служит как индикатором, так и потенциальным радиологическим загрязнителем.
129 I — один из семи долгоживущих продуктов деления . В основном он образуется в результате деления урана и плутония в ядерных реакторах . Значительные количества были выброшены в атмосферу в результате испытаний ядерного оружия в 1950-х и 1960-х годах, в результате аварий на ядерных реакторах , а также в результате военной и гражданской переработки отработавшего ядерного топлива. [3]
Он также естественным образом производится в небольших количествах в результате спонтанного деления природного урана , расщепления космическими лучами следовых уровней ксенона в атмосфере и воздействия мюонов космических лучей , поражающих теллур -130. [4] [5]
129 I распадается с периодом полураспада 15,7 миллионов лет с низкоэнергетическими бета- и гамма- излучениями до стабильного ксенона-129 ( 129 Xe). [6]
129 I — один из семи долгоживущих продуктов деления , которые производятся в значительных количествах. Его выход составляет 0,706 % на деление 235 U. [7] Производятся большие количества других изотопов йода, таких как 131 I , но поскольку все они имеют короткий период полураспада, йод в охлажденном отработавшем ядерном топливе состоит примерно на 5/6 из 129 I и на 1/6 из единственного стабильного изотопа йода, 127 И.
Поскольку 129 I долгоживущ и относительно подвижен в окружающей среде, он имеет особое значение при долгосрочном обращении с отработавшим ядерным топливом. В глубоком геологическом хранилище непереработанного отработанного топлива 129 I, вероятно, будет радионуклидом, оказывающим наибольшее потенциальное воздействие в течение длительного времени.
Поскольку 129 I имеет скромное сечение поглощения нейтронов , равное 30 барн [ 8] и относительно неразбавлен другими изотопами того же элемента, его изучают на предмет утилизации путем ядерной трансмутации путем повторного облучения нейтронами [9] или путем мощные лазеры. [10]
Большая часть 129 I, содержащегося в отработавшем топливе, выделяется в газовую фазу, когда отработавшее топливо сначала измельчается, а затем растворяется в кипящей азотной кислоте во время переработки. [3] По крайней мере, на гражданских перерабатывающих заводах специальные скрубберы должны удерживать 99,5% (или более) йода путем адсорбции, [3] до того, как отработанный воздух будет выпущен в окружающую среду. Однако Северо-восточная радиологическая лаборатория здравоохранения (NERHL) во время измерений на первом гражданском заводе по переработке отходов в США, которым управляла компания Nuclear Fuel Services, Inc. (NFS) в западном Нью-Йорке, обнаружила, что «от 5 до 10% всего 129 I, доступных из растворенного топлива», было выпущено в выхлопную трубу. [3] Далее они написали, что «эти значения превышают прогнозируемый выход (таблица 1). Этого и следовало ожидать, поскольку йодные скрубберы не работали во время контролируемых циклов растворения». [3]
Северо-восточная радиологическая медицинская лаборатория далее заявляет, что из-за ограничений их измерительных систем фактический выброс 129 I мог быть даже выше, «поскольку потери [ 129 I] [в результате адсорбции], вероятно, происходили в трубопроводах и воздуховодах между дымовыми трубами. и сэмплер». [3] Кроме того, система отбора проб, используемая NERHL, имела барботерную ловушку для измерения содержания трития в пробах газа перед йодной ловушкой. Только после отбора проб NERHL выяснила, что «барботерная ловушка удержала от 60 до 90% отобранного 129 I». [3] Они пришли к выводу: «Барботеры, расположенные перед ионообменниками, удалили большую часть газообразного 129 I до того, как он достиг ионообменного пробоотборника. Способность барботера удалять йод ожидалась, но не в той степени, в которой это произошло. ." Задокументированный выброс «от 5 до 10% от общего количества 129 I, доступного из растворенного топлива» [3] не исправлен с учетом этих двух недостатков измерений.
Военная изоляция плутония из отработанного топлива также привела к выбросу 129 I в атмосферу: «Более 685 000 кюри йода-131 было выброшено из дымовых труб Хэнфордских разделительных заводов за первые три года работы». [11] Поскольку 129 I и 131 I имеют очень схожие физические и химические свойства, а разделение изотопов в Хэнфорде не проводилось, 129 I также должен был быть выпущен там в больших количествах во время Манхэттенского проекта. Поскольку Хэнфорд перерабатывал «горячее» топливо, облученное в реакторе всего несколькими месяцами ранее, активность выделившегося короткоживущего 131 I с периодом полураспада всего 8 дней была намного выше, чем у долгоживущий 129 I. Однако, хотя весь 131 I, выпущенный во времена Манхэттенского проекта, к настоящему времени распался, свыше 99,999% 129 I все еще находится в окружающей среде.
Данные ледяной скважины, полученные из Бернского университета на леднике Фишерхорн в Альпийских горах на высоте 3950 м, показывают довольно устойчивый рост содержания отложений 129 I (показан на изображении сплошной линией) со временем. В частности, самые высокие значения, полученные в 1983 и 1984 годах, примерно в шесть раз превышают максимум, измеренный в период испытаний атмосферной бомбы в 1961 году. Такое сильное увеличение после завершения испытаний атмосферной бомбы указывает на то, что переработка ядерного топлива с тех пор является основным источником атмосферного йода-129. Эти измерения продолжались до 1986 года. [12]
129 I не производится намеренно для каких-либо практических целей. Однако его длительный период полураспада и относительная мобильность в окружающей среде сделали его полезным для различных приложений для датирования. К ним относятся выявление более старых подземных вод на основе количества присутствующего природного 129 I (или продукта его распада 129 Xe), а также выявление более молодых подземных вод по повышенным антропогенным уровням 129 I с 1960-х годов. [13] [14] [15]
В 1960 году физик Джон Рейнольдс обнаружил, что некоторые метеориты содержат изотопную аномалию в виде избытка 129 Хе. Он предположил, что это, должно быть, продукт распада давно распавшегося радиоактивного 129 I. Этот изотоп в больших количествах образуется в природе только при взрывах сверхновых . Поскольку период полураспада 129 I сравнительно короток по астрономическим меркам, это показало, что между вспышкой сверхновой и моментом, когда метеориты затвердели и захватили 129 I , прошло лишь короткое время . Эти два события (сверхновая и затвердевание газового облака) Было высказано предположение, что это произошло в ранней истории Солнечной системы , поскольку изотоп 129 I, вероятно, образовался до образования Солнечной системы, но незадолго до этого, и засеял изотопы солнечного газового облака изотопами из второго источника. Этот источник сверхновой мог также вызвать коллапс облака солнечного газа. [16] [17]