KESKUSTELU

Lähtöaineena ilmeisesti on lähinnä uraani 238. Siitä sitten voi syntyä plutoniumia, krytonia, bariumia, cesiumia ja jodia. Mitä muuta ja mitä lähinnä? Voiko hajoamistuote krypton kaapata elektroneja ja muuttua rubidiumiksi. Eli voiko siellä tällöin syntyä lähes mitä tahansa? Kuinka suuri aineiden muutos tapahtuu ydinpolttoaineputken elinkaaren aikana?

Kaikki ydinvoimalassa syntyvät uudet aineet, niin radioaktiiviset kuin stabiilitkin, syntyvät reaktorissa neutronien aiheuttamissa ydinreaktioissa, sekä näitä seuraavissa radioaktiivisissa hajoamisissa. Tuo mainitsemasi elektronikaappauskin on itse asiassa yksi radioaktiivisen hajoamisen muoto, jossa ytimen järjestysluku pienenee yhdellä (krypton muuttuu bromiksi, ei rubidiumiksi).

Ydinpolttoaineeseen syntyy uusia aineita pääasiassa kahdella mekanismilla:

1) Fissiilin uraanin (U-235) ja plutoniumin (Pu-239) fissioreaktiossa, josta myös reaktorin energiantuotanto on peräisin

2) Fertiilin uraanin (U-238) neutronikaappausreaktiossa.

Fissiossa raskas ydin halkeaa hieman epäsymmetrisesti (yleensä) kahteen osaan, joiden massaluvut osuvat n. 100:n ja 140:n paikkeille. Mahdollisia fissiotuotteita on yli tuhat, mutta suurin osa niistä on niin lyhytikäisiä että ne hajoavat lähes välittömästi pitkäikäisemmiksi isotoopeiksi. Prosessi on kaikenkaikkiaan aika monimutkainen, mutta jakauman muoto ja jotain yksittäisiä fissiotuoteisotooppeja on listattu mm. wikipediassa:

http://en.wikipedia.org/wiki/Fission_products_(by_element)

Neutronikaappausreaktioissa ytimen massaluku kasvaa yhdellä, mikä tekee siitä usein epästabiilin beta-miinus -hajoamisen suhteen. Tämä tarkoittaa sitä että peräkkäiset neutronikaappausreaktiot ja beta-hajoamiset kasvattavat ytimen massaluvun lisäksi järjestyslukua. Esimerkki U-238 -isotoopista lähtevästä neutronikaappaus-betahajoamisketjusta on:

U-238 -> U-239 -> Np-239 -> Pu-239 -> Pu-240 -> Pu-241 -> Am-241 -> Am-242 -> Cm-242 -> ...

Käytännössä tilannetta monimutkaistaa ketjujen haarautuminen, esim. Pu-241 voi ennen hajoamistaan fissioitua tai kaapata neutronin ja muuttua Pu-242:ksi. Isotooppien hajoamismoodit, puoliintumisajat ja fissio- ja kaappausreaktioiden todennäköisyydet riippuvat isotoopista, ja neutronireaktioita tapahtuu myös fissiotuotteilla.

Polttoaineen lisäksi neutronireaktioita tapahtuu absorbaattoreissa, sekä jäähdytteessä ja suojakuoressa. Jälkimmäisiin yritetään tosin valita sellaisia materiaaleja joilla neutronireaktioiden todennäköisyys on mahdollisimman pieni. Yksi yleisimmistä absorbaattorimateriaaleista on boori, jonka B-10 -isotoopin neutronireaktiot tuottavat mm. litiumia, sekä jonkin verran vedyn radioaktiivista isotooppia, tritiumia. Jäähdytysveden happi puolestaan aktivoituu muuttumalla lyhytikäiseksi N-16 -isotoopiksi, joka tekee primääripiirin vedestä radioaktiivista reaktorin käydessä. Veden mukana kiertää lisäksi korroosiotuotteita ja muita epäpuhtauksia, jotka saattavat aktivoitua kulkiessaan reaktorin läpi.

Tuoreessa polttoaineessa on 3-5% uraanin isotooppia U-235, ja loput isotooppia U-238. Kun polttoaine on käytetty loppuun, U-235 -pitoisuus on pudonnut alle prosenttiin, ja tilalle on tullut saman verran fissiotuotteita. Fissiotuotteiden määrää lisää jonkin verran U-238 -isotoopista syntyneen Pu-239:n fissio. Plutoniumia käytetyssä polttoaineessa on n. prosentti, pääasiassa isotooppeja Pu-239, Pu-240 ja Pu-241, ja raskaampia transuraaneja huomattavasti vähemmän. Selvästi yli 90% käytetystä polttoaineesta on siis edelleen alkuperäistä U-238:aa. Massa, joka on muuttunut energiaksi, on käytännössä mittaustarkkuuden ulkopuolella.