核嬗变

理論上，某些高放射性並長壽的超鈾元素（錒系元素），比如鈈、鎿、鎇和鋦等可以通過人工核嬗變的方式轉化為或者短壽或者穩定或者具有較低放射性的核素。這將有助於核廢料的處理和再處理。在反應堆中用快中子輻照後，這些元素能夠裂變，產生原子量較小的裂變產物。這些產物或者具有放射性，或者是穩定核素。通過嬗變，就達到了減少錒系元素、并降低放射性的目的。

常用的方法是將含有錒系元素的陶瓷靶子放在反應堆中用中子轟擊。靶子可以是含有錒系元素的固體溶液，比如${\displaystyle {\ce {(Am,Zr)N}}}$、${\displaystyle {\ce {(Am,Y)N}}}$、${\displaystyle {\ce {(Zr,Cm)O2}}}$、${\displaystyle {\ce {(Zr,Cm,Am)O2}}}$、${\displaystyle {\ce {(Zr,Am,Y)O2}}}$，也可以是其氧化物和氮化物（如${\displaystyle {\ce {AmO2}}}$、${\displaystyle {\ce {NpO2}}}$、${\displaystyle {\ce {NpN}}}$、${\displaystyle {\ce {AmN}}}$）同惰性介質（像${\displaystyle {\ce {MgO}}}$、${\displaystyle {\ce {MgAl2O4}}}$、${\displaystyle {\ce {(Zr,Y)O2}}}$、${\displaystyle {\ce {TiN}}}$和${\displaystyle {\ce {ZrN}}}$）燒結而成。惰性介質的主要作用是增強樣品結構強度，否則靶子在中子的轟擊下可能很快粉碎。[12]

鈈可以被製成金屬氧化物核燃料而直接在熱中子反應堆中嬗變。更重的元素則必須使用快中子堆或者亞臨界反應堆。原則上核聚變反應堆也可以用於嬗變的目的。[13][14][15]

有幾种核燃料可以在其初始燃料燃料循環中使用鈈，用於商業發電。這個過程一舉兩得：不但產生電力，還可以消耗武器級的鈈以及來自乏燃料再處理過程的鈈。金屬氧化物燃料包含鈾和鈈的氧化物，可以替代低濃縮鈾，主要用於輕水堆。這種燃料裏的鈈可以經過燃燒而消耗。但因爲其含有鈾-238，經過中子俘獲後會產生次生的鈈。

釷也可以和鈈一起製成混合燃料。在這種燃料中，鈈裂變釋放出的中子被釷-232吸收，嬗變為釷-233。後者經過兩次β衰變後變成裂變材料鈾-233。釷-232是一種很好的增殖性材料，其中子俘獲截面比鈾-238大三倍，所以轉化率高。此燃料中鈈的燃燒深度也大於金屬氧化物核燃料。因爲其中不含鈾，不會產生次生的鈈。武器級鈈和反應堆級鈈皆可以用于釷-鈈混合燃料。

鈈的同位素和其他許多錒系元素的半衰期比較長，一般都在幾千年以上。而放射性衰變產物除长寿命裂变产物外，一般半衰期比較短。比如最長壽的中等壽命裂變產物釤-151半衰期為90年。因此從處理核廢料的角度講，人工核嬗變能消除長壽命裂變產物，把它們轉換成低放射性和短壽或穩定同位素，可以大大縮短處理周期。

放射性核素的危險性不僅僅在於其放射性。有些核素具有毒性，有些則具有其他生理活性。比如在生物體内，銫經過1-4個月便可以排出一半，但是鍶和鐳就很難排出體外。因此在等同的放射性劑量下，攝入鍶和鐳后造成的傷害要遠比攝入銫大得多。[16]

許多錒系元素的放射毒性很強。它們大多是α輻射源，而且很難排出體外。核嬗變的目的在於把這些元素轉化成短壽的裂變產物。那些產物中，能在生物體積累的核素危害最大，比如碘-131能在甲狀腺中積累。這給人工核嬗變錒系元素的設想帶來一定的困難。但是，人們希望通過合理設計核燃料和嬗變反應堆，將這些威脅比較大的核素同環境和生物隔絕開來。在中等壽命裂變產物中，鍶-90和銫-137威脅較大。它們的半衰期都在30年左右。銫-137遷移能量很強。乏燃料再處理工廠工作的工人所吸收的大部分外源γ輻射劑量 都來自于銫-137[17]；2005年，在切尔诺贝利核電站原址工作的工人吸收的γ射線劑量大部分也來自于銫-137。[18]

有人曾在實驗中將半衰期一年以上的裂變產物用核嬗變轉化為短壽裂變產物，結果參差不齊。[19] 鍶-90和銫-137不容易經嬗變而消除，因為它們的中子俘獲截面比較小。安全的處理方法就是將其儲存起來，一直到它們大部分衰變爲止。到鍶-90和銫-137衰變趨於完全的時候，大部分短壽命裂變產物已經消失。

釤-151的半衰期為90年。它的中子俘獲截面比較大，因此在反應堆中就會經過嬗變而轉化成其它核素。但如果想徹底嬗變乏燃料中的釤-151，就必須分離它的其它同位素。因爲其產額祇有0.5%且放射性較低，比較經濟的處理方法是在儲存中任其衰變。

在七種长寿命裂变产物中，鍀-99是長壽裂變產物中產額較高的，為6%左右。它釋放出低到中等能量的電子，沒有γ輻射。因此只要不攝入體内，對生物不構成太大的風險。但鍀可以被氧化為高鍀酸鹽（TcO₄^-），溶解度好，被廣泛用於核醫學。[20][21]鍀-99在環境中遷移性比較大。據説已有數以噸計的鍀-99因人類活動進入環境。[22]碘-129半衰期在七種長壽裂變產物中最長：1570萬年。它放射性也很弱，起始時乏燃料中的鋯-93釋放的能量只是鍀-99的1%。但放射性碘卻對生物構成重大的核威脅，因爲碘是許多生物必須的微量元素之一。這兩种核素的中子俘獲截面足夠大，可以經過嬗變而除去。許多嬗變研究都以鍀-99、碘-129和超鈾元素作為主要嬗變目標，而其他裂變產物、激活產物、甚至再處理鈾都被當作廢料處理。[23]

其它五種長壽裂變產物中，硒-79的產額很低，輻射也很弱。每單位時間硒-79釋放出的能量是鍀-99的0.2%。錫-126衰變能較大，而且是七種長壽裂變產物中唯一能釋放高能γ射線的核素。但是這種核素產額很低。如果反應堆以鈾-235為燃料，在乏燃料中，每單位時間錫-126釋放出的能量是鍀-99的5%；如果反應堆以鈾-235（65%）和鈈-239（35%）為燃料，在乏燃料中，每單位時間錫-126釋放出的能量是鍀-99的20%。錫化學性質比較惰性，不易在環境中遷移，因此對人類健康影響不大。鈀-107的半衰期很長，產額在1%左右。如果以鈈-239為燃料，鈀-107的產率比用鈾-235為燃料時要高。其放射性很弱。起始時乏燃料中的鋯-93釋放的能量只是鍀-99的萬分之一。鈀屬貴金屬，化學性質不活潑，對人類健康影響也不大。鋯-93的產額在6%左右，其衰變比鍀-99慢7.5倍，衰變能只是鍀-99的30%。因此起始時乏燃料中的鋯-93釋放的能量只是鍀-99的4%。但其能量貢獻會隨著時間而增加。鋯-93產生極弱的γ輻射，在環境中也相對惰性。銫-135的前体氙-135產額在6%左右，但吸收熱中子的能力很強。因此大部分氙-135嬗變為穩定同位素氙-136，只有少部分衰變為銫-135。假定90%的氙-135發生嬗變，起始時乏燃料中的銫-135釋放的能量只是鍀-99的1%。銫-135具有揮發性，可以用高溫揮發的辦法分離。[24]