Ydinjätteet: 1.2 Nuklideista

Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen.

1.2 Radionuklidit

Alkuaine määräytyy protonien ja elektronien lukumäärästä: vedyllä (H) on yksi protoni ja elektroni, heliumilla (He) kaksi, hiilellä (C) kuusi, kloorilla (Cl), nikkelillä (Ni). Nämä ovat kaikki kevyitä alkuaineita, joista syntyy radionuklideita neutroniaktivoinnilla eli niiden ytimet kaappaavat ylimääräisen neutronin, joita ydinreaktorissa on runsaasti tarjolla.

Vedyllä on kolme isotooppia, joista yksi on radioaktiivinen. Ensimmäinen on perusvety yhdellä protonilla (H-1) – tätä on suurin osa maapallon vedystä. Kun siihen lisätään yksi neutroni, saadaan deuterium (H-2), jota on noin 0,015 % Maassa olevasta vedystä; se ei ole radioaktiivinen. Ja kun lisätään vielä yksi, saadaan tritium (H-3). Sen puoliintumisaika on 12,3 vuotta (a), ja sitä on kaikesta vedystä noin 1⁄10 000. Tritium syntyy ydinreaktoreissa neutoniaktivoinnilla litiumista (Li-6), sitä voidaan tuottaa myös teollisesti ja luonnossa sitä synnyttää yläilmakehän kosminen säteily.

Merkintätavoista: Kullakin alkuaineella on yksi- tai kaksikirjaiminen lyhenne, josta on kansainvälisesti sovittu. Nimi pitää sisällään protonien määrän, mutta joskus se halutaan näkyviin: tritium voidaan esittää kuten yllä H-3, jossa 3 tarkoittaa protonien ja neutronien lukumäärää, ytimen massaa eli massalukua. 

 

Puoliintumisaika: Se aika, jonka kuluessa radioaktiivista ainetta on jäljellä puolet alkuperäisestä. Vaihtelee alle sekunneista miljooniin vuosiin.

Kiinnostavia keveiden alkuaineiden isotooppeja ydinjätetutkimuksen kannalta ovat esimerkiksi:

C-14 (hiili), jossa on kuusi protonia ja kahdeksan neutronia. Sen puoliintumisaika on 5 730 vuotta, ja sitä syntyy tritium tavoin yläilmakehässä kosmisen säteilyn tuloksena ja ydinreaktoreissa typestä (N) neutroniaktivoinnilla. Hiilellä on kaksi neutraalia isotooppia: C-12 ja C-13, joista jälkimmäisen osuus on noin 1 %. C-14 sopii radiohiiliajoitukseen, jossa orgaanisessa aineessa sen suhde neutraaliin hiileen on kasvin tai eläimen eläessä kuta kuinkin vakio, koska ilmakehän C-14 määrää suhteen. Eläimen tai kasvin kuollessa se ei enää saa uutta C-14, joka alkaa puoliintua pois. Noin neljän puoliintumisen jälkeen (60000 vuotta, kuudestoista osa alkuperäisestä) C-14 pitoisuutta on enää vaikea määrittää, joten sitä pidempiin aikoihin menetelmä ei sovi.

Cl-36 (kloori), jolla on 17 protonia ja 19 neutronia. Sen puoliintumisaika on 301 300 vuotta, ja sitä syntyy tritium tavoin yläilmakehässä kosmisen säteilyn tuloksena ja ydinreaktoreissa vakaasta Cl-35 ytimestä neutroniaktivoinnilla. Kloorilla on kaksi vakaata isotooppia Cl-35 ja Cl-37, joista jälkimmäisen osuus on pienempi eli noin 24 %.

Ni-59 (nikkeli), jolla on 28 protonia ja 31 neutronia. Sen puoliintumisaika on 76 000 vuotta, ja sitä syntyy ydinreaktoreissa vakaasta Ni-58 ytimestä neutroniaktivoinnilla. Nikkelillä on peräti viisi vakaata isotooppia: massaluvut 58, 60, 61, 62 ja 64, joista eniten massalukuja 58 ja 60.

Kemialliset erot hiilen, kloorin ja nikkelin välillä ovat merkittäviä. Hiilellä on lukematon joukko epäorgaanisia ja orgaanisia yhdisteitä, joukossa myös kaasuja. Kloori on kaasu, mutta veteen se liukenee kloridi-ionina, joka nappaa muilta yhdisteiltä vedessä yhden elektronin ja on siten negatiivinen varaukseltaan. Nikkeli on metalli, joka veteen liuetessaan puolestaan luovuttaa kaksi elektronia ja on siten selvästi positiivinen ioni. Näillä seikoilla on iso merkitys radionuklidien kulkeutumisessa.

Lisäksi on ydinreaktorit tuottavat ison joukon keskiraskaista alkuaineita, fissiotuotteita (syntyvät ydinreaktioissa), näiden syntyyn palataan myöhemmin:

Tc-99 (teknetium), jolla on 43 protonia ja 56 neutronia. Sen puoliintumisaika on 211 000 vuotta. Sitä ei esiinny luonnostaan Maassa, vaan se on ensimmäinen ihmisen tuottama alkuaine. Se on tärkein gamma-aktiivinen lääketieteen käyttämä nuklidi, sillä voidaan esimerkiksi selvittää syöpäsolujen pääsyä vartijaimusolmukkeisiin.

I-129 (jodi), jolla on 53 protonia ja 76 neutronia. Sen puoliintumisaika on 15 700 000 vuotta. Jodin ainoa vakaa isotooppi on I-127, vaikka isotooppeja on kaikkiaan nelisenkymmentä. Jodilla on paljon lääketieteellistä käyttöä. Myös I-129 isotooppia muodostuu kosmisen säteilyn seurauksena. Ydinvoimalaonnettomuuksien yhteydessä kilpirauhasia uhkaa jodin lyhytikäinen (noin 8 vrk) isotooppi I-131.

Cs-135 (cesium), jolla on 55 protonia ja siten jo 80 neutronia. Sen puoliintumisaika on 2 300 000 vuotta. Cesiumin ainoa vakaa isotooppi on Cs-133, mutta radioaktiivisia isotooppeja on 40. Ydinkokeissa ja ydinvoimalaonnettomuuksissa vapautuu isotooppia Cs-137, jonka puoliintumisaika on noin 30 vuotta, sillä on merkitystä matala- ja keskiaktiivisen jätteen loppusijoituksessa.

Teknetiumin kemia on monimutkaista, mutta se esiintyy vesiliuoksessa usein negatiivisena ionina, kompleksina. Myös jodi on vedessä usein ionina jodaattina tai jodidina, myös neutraali yhdiste on mahdollinen. Cesium on natriumin tai kaliumin tapainen aine, joka vesiliuoksessa positiivisena ionina.

Edeltä käy hyvin ilmi se kuinka neutroneja tarvitaan koko ajan lisää suhteessa protoneihin, jotta vahva vuorovaikutus kumoaa karkottavan sähköisen voiman protonien välillä.

Ydinvoiman tuotanto sekä perustuu joukkoon raskaita alkuaineita, aktinideja, että niitä myös muodostuu ydinvoimalan käytön aikana lisää. Aktinidit lukuun ottamatta U-235 ja U-238 syntyvät reaktorissa.

Ra-226 (radium), jolla 88 protonia ja 138 neutronia. Sen puoliintumisaika on 1 602 vuotta. Radiumin kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia, mutta niitä ja erityisesti Ra-226 muodostuu U-238 hajoamistuotteista kallioperässä.

Th-229 ja Th-230 (torium), jolla on 90 protonia ja vastaavasti 139 tai 140 neutronia. Niiden puoliintumisajat ovat 7 340 ja 77 000 vuotta. Th-232 on radioaktiivinen mutta erittäin pitkäikäinen (puoliintumisaika 14,5 miljardia vuotta eli yli maailmankaikkeuden eliniän) toriumin isotooppi.

U-233, U-235 ja U-238, joilla on 92 protonia ja vastaavasti 141, 143 tai 146 neutronia. U-233 on reaktorissa syntyvä uraanin isotooppi, jonka puoliintumisaika on 159 200 vuotta. U-238 on melkein stabiili luonnossa esiintyvä (puoliintumisaika maapallon iän luokkaa, 4,5 miljardia vuotta), osuus luonnon uraanista noin 99,3 %. U-235 on pitkäikäinen (0,7 miljardia vuotta) luonnossa esiintyvä isotooppi (osuus noin 0,7 %), erittäin merkittävä nuklidi ydintekniikassa, koska se on ainoa merkittävä fissiili nuklidi eli spontaanisti neutroneja tuottaen hajoava ydin. Uraanin isotoopeilla voidaan määrittää maapallon ikää.

Np-237 (neptunium), jolla on 93 protonia 144 neutronia. Sen puoliintumisaika on 2 140 00 vuotta. Neptuniumin kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia.

Pu-242 (plutonium), jolla on 94 protonia ja 146 neutronia. Sen puoliintumisaika on 380 000 vuotta. Plutoniumin isotooppia Pu-239 käytetään ydinaseissa, joka lienee syy plutoniumin pitämiseen poikkeuksellisen haitallisena nuklidina.

Am-241 ja Am-243 (amerikium), jolla on 94 protonia ja vastaavasti 147 tai 149 neutronia. Niiden puoliintumisajat ovat 432 ja 7 370 vuotta. Am-241 on ollut suosittu palovarottimissa.

Radium on kalsiumia muistuttava aine, joka kertyy elimistössä luustoon, jossa alfa-aktiivisena elimistön sisällä varsin haitallinen. Pidättyy mineraalipinnoille, koska on yleensä vesiliuoksessa kahdesti positiviinen ioni. Ra-226:n hajoamistuote kaasumainen Rn-222 (huoneilmassa oleva radon).

Torium on neljänarvoinen ioni, joka muodostaa runsaasti yhdisteitä vesiliuoksessa, johon liukenee heikosti.

Uraanin vesikemia on varsin mutkikasta, ja se vaihtelee happamuuden ja muiden olosuhteiden mukaan.

Neptunium on viidenarvoinen ioni, joka liukenee uraania selvästi huonommin, sorboituu hyvin.

Plutonium neljäarvoinen ioni, jonka yhdisteet liukenevat erittäin huonosti.

Amerikium on kolmenarvoinen europiumin tavoin käyttäytyvä ioni vedessä.

Huomionarvoista on se, että huolimatta vielä suuremmasta määrästä neutroneja, nekään enää kykene pitämään aktinideja koossa, vaikka joidenkin puoliintumisaika on hyvin pitkä.