Química nuclear

La química nuclear és la branca de la química que té que vore en la radiactivitat, en els processos i propietats nuclears.

És la química dels elements radiactius tals com els actínits, ràdio i radón junt en la química associada en l'equip (tals com els reactors nuclears), els quals són dissenyats per a portar a terme processos nuclears. Açò inclou la corrosió de superfícies i el comportament baix condicions tant açò universal és com a anormals d'operació (un eixemple d'este últim és durant un accident nuclear). Un àrea important és el comportament dels objectes i materials despuix de ser disposts en un depòsit de rebujos nuclears o un lloc d'eliminació de rebujos.

Inclou l'estudi dels efectes químics com a resultat de l'absorció de radiació dins dels animals, plantes i atres materials. La química de radiació controla gran part de la biologia de radiació ya que la radiació té efectes en els sers vius a un nivell molecular, per a explicar-ho d'una atra forma, la radiació altera els bioquímics dins de l'organisme, l'alteració de les biomoléculas canvien la química que ocorre dins de l'organisme; és aixina com este canvi en la bioquímica pot generar un resultat biològic. Com a resultat, la química nuclear vares agarrar de manera significativa a la comprensió de tractaments mèdics (tals com càncer, radioteràpia) i ha permés que estos tractaments siguen millorats.

Inclou l'estudi de la producció i us de fonts radiactives per a certa gama de processos. Açò inclou radioteràpia en aplicacions mèdiques, l'us de trazadores radiactius dins de l'indústria, ciència i mig ambient i l'us de la radiació per a modificar materials tals com polímero.

També inclou l'estudi i us de processos nuclears en àrees no radiactives de l'activitat humana. Per eixemple, la espectroscopía de resonància magnètica nuclear (RMN) és comunament utilisada en síntesis de química orgànica, fisicoquímica i per a anàlisis estructural en química macromolecular.

Història recent

Despuix del descobriment dels rajos X, molts científics varen començar a treballar en la radiació ionizante. Un d'ells va ser Henri Becquerel, qui va investigar la relació entre fosforescència i l'ennegrit de plaques fotogràfiques. Quan Becquerel (treballant en França) va descobrir açò, sense una font d'energia externa l'urani va generar rajos que varen poder ennegrir (o empañar) la placa fotogràfica, aixina va ser com es va descobrir la radiactivitat. Marie Curie (treballant en París) i el seu espós Pierre Curie varen aïllar dos nous elements radiactius a partir d'una mena d'urani. Varen utilisar métodos radiométricos per a identificar com era la traça radiactiva despuix de cada separació química; varen separar la mena d'urani en cada u dels seus diferents elements químics que eren coneguts en eixe llavors i varen medir la radiactivitat de cada fracció. Despuix varen realisar un intent per a separar encara més estes fraccions radiactives per a aïllar una fracció més chicoteta en una activitat específica alta (radiactivitat dividida per massa). D'esta forma varen aïllar poloni i ràdio. Es va notificar en 1901 que altes dosis de radiació podien causar danys en humans. Henri Becquerel carregava una mostra de radi en la seua bojaca i com a resultat va sofrir una dosis altament localisada que va resultar l'una cremada per radiació,[6] este dany va generar una investigació en les propietats biològiques de la radiació, les quals varen resultar en el desenroll de tractaments mèdics.

Ernest Rutherford, qui treballava en Canadà i Anglaterra, va mostrar que la decaiguda radiactiva pot ser descrit en una equació simple (una derivada llineal de primer grau ara coneguda com cinètica de primer orde), implicant que donada una substància radiactiva esta té "vida mija" característica (el temps que pren a certa cantitat de radiactivitat present disminuir la seua font a la mitat). També va falcar els térmens alfa, beta i gamma, va convertir nitrogen en oxigen i lo més important és que va supervisar als estudiants que varen realisar l'experiment Geiger-Marsden (experiment de la placa d'or), el qual va mostrar que el 'model del pudín en panses' del àtom estava erròneu. En el model del pudín en panses propost per J. J. Thomson en 1904 l'àtom estava compost per electrons rodejats per un 'núvol' de càrrega positiva per a balancejar la càrrega negativa dels electrons. Per a Rutherford l'experiment de la placa d'or va implicar que la càrrega positiva estava confinada en un núcleu molt menut, donant aixina lloc al model de Rutherford i finalment al model de Bohr de l'àtom, en el qual el núcleu positiu està rodejat pels electrons negatius.

En 1934 la filla de Marie Curie (Irène Joliot-Curie) i el seu espós varen ser els primers en crear radiactivitat artificial: varen bombardejar bor en partícules alfa per a generar l'isòtop escàs en neutrons nitrogen-13; este isòtop emetia positrones. Ademés varen bombardejar alumini i magnesi en neutrons per a fer radioisòtops.

Àrees principals

Artícul principal → Radioquímica.

La radioquímica és la química dels materials radiactius, en a on els isòtops radiactius dels elements són utilisats per a estudiar les propietats i reaccions químiques dels isòtops no radiactius (comunament dins de la radioquímica l'absència de radiactivitat genera una substància descrita com a inactiva mentres que els isòtops són estables).

Química de radiació

La química de radiació és l'estudi dels efectes químics de la radiació en la matèria; açò és molt diferent de la radioquímica ya que no és necessari que es present radiactivitat en el material que està sent químicament modificat per la radiació. Un eixemple és la conversió d'aigua en gas hidrogen i peròxit d'hidrogen.

Química per a força nuclear

La radioquímica, química de radiació i ing químic nuclear juguen un paper molt important per a la síntesis de combustibles precursors d'urani i tori, començant per les menas d'estos elements, la fabricació del combustible, la química de refredat, reprocesamiento del combustible, tractament i almagasenage de desperdicis radiactius, monitoreo de la lliberació d'elements radiactius durant el procés d'operació del reactor, almagasenament geològic radiactiu, etc. ^{[enllaç trencat]}

Estudie de les reaccions nuclears

Una combinació entre radioquímica i química de radiació és utilisada per a estudiar les reaccions nuclears tals com fissió i fusió. Evidència recent per a la fissió nuclear va ser la formació d'un radi-isòtop de vida curta a partir del bari, el qual va ser aïllat d'un neutró irradiado d'urani (¹³⁹Ba, en una vida mija de 83 minuts i ¹⁴⁰Ba, en una vida mija de 12.8 dies, són productes de fissió de l'urani). En aquell llavors es va pensar que este era un nou isòtop del radi, posteriorment va ser una pràctica radioquímica estàndar per a utilisar sulfat de bari precipitat en l'aïllament de ràdio.[7]. Recentment, una combinació de métodos radioquímicos i física nuclear han segut utilisats per a intentar generar nous elements 'superfuertes'; es pensa que illes d'estabilitat relativa existixen en a on els núcleus tenen una vida mija d'any, d'esta forma habilitant grans cantitats dels nous elements per a ser aïllats. Per a més detalls del descobriment original de la fissió nuclear vore el treball d'Otto Hahn.

El cicle nuclear del combustible

Esta és la química associada en qualsevol part del cicle nuclear del combustible, incloent reprocesamiento nuclear. El cicle del combustible inclou totes les operacions que tenen que vore en produir combustible, des de la mineria o mena processada i enriquida per a la producció del combustible (Part davantera del cicle). També inclou el comportament 'en pila' (us del combustible en un reactor) abans de la part atrassera del cicle. La part atrassera inclou l'administració del combustible nuclear usat, ya siga tant en una alberca de combustible gastat o almagasén sec ans que siga colocat en un espai de desperdicis baix terra o de reprocesado.

Condicions normals i anormals

La química nuclear associada en el cicle nuclear del combustible pot ser dividida en dos àrees principals, a una d'elles li concernix l'operació darrere de les condicions planejades, mentres que l'atra àrea té que vore en una mala operació de les condicions, en a on una alteració de les circumstàncies normals ha ocorregut o (encara més rar) un accident està ocorrent.

Reprocesamiento

Llegislació

En els Estats Units és normal utilisar combustible una volta en un reactor nuclear abans d'ubicar-ho en un almagasén de rebujos. El pla a llarc determini és colocar el reactor civil de combustible usat en un almagasén profunt. Esta política de no reprocesamiento va començar en març de 1977 per les preocupacions sobre la proliferació d'armes nuclears. El president Jimmy Carter va emetre un decret Presidencial, el qual suspenia de manera indefinida el reprocesamiento comercial i reciclage de plutoni en els Estats Units. Este decret es va assemblar a un intent dels Estats Units per a guiar a atres països en l'eixemple, pero moltes atres nacions varen continuar reprocesando combustibles nuclears gastats. El govern rus a càrrec del president Vladímir Putin va revocar una llei en la qual es prohibia l'importació del combustible nuclear usat, la qual feya possible per als russos oferir el servici de reprocesamiento per a clients externs a Rússia (similar a l'oferit per la BNFL).

Química PUREX

El present método de selecció és per a utilisar el procés d'extracció líquit-líquit PUREX que usa una mescla de tributil fosfat/hidrocarbur per a extraure tant urani com a plutoni a partir del àcit nítric. Esta extracció és a partir de les sals de nitrat i és classificat com un mecanisme de solvatación. Per eixemple, l'extracció de plutoni per un agent extractor (S) en un mig de nitrat ocorre per la següent reacció.

${{Pu}^{4+}}_{(aq)}+4{{N{O}_3}^{-}}_{(aq)}+2S_{org\acute{a}nico}⟶{[Pu{(N{O}_3)}_4{S}_2]}_{org\acute{a}nico}$

Un enllaç complex és format entre el metal catión, els nitrat i el tributil fosfat i un compost modele de dioxouranio(VI) complex en dos nitrat i dos trietil fosfat ha segut caracterisat per una cristalografia X-ray.

Quan la concentració d'àcit nítric és considerablement alta, l'extracció cap a la fase orgànica es veu favorida i per un atre costat quan la concentració d'àcit nítric és baixa, l'extracció és al revés (la fase orgànica és llevada del metal). És normal dissoldre el combustible usat en àcit nítric, despuix de remoure la matèria insoluble l'urani i el plutoni són extrets del licor altament actiu. És normal posteriorment realisar l'operació inversa de la fase orgànica generada per a crear un mig actiu que continga més que res urani i plutoni en únicament traces chicotetes de productes de fissió. Esta mescla de mig actiu acuoso és de nou extreta pel tributil fosfat/hidrocarbur per a formar una nova fase orgànica, el comportament de dita fase del metal és llevada dels metals per a formar una mescla acuosa d'únicament urani i plutoni. Les dos fases de l'extracció són utilisades per a millorar la purea del producte actínit; la fase orgànica utilisada per a la primera extracció sofrirà una dosis de radiació molt major. La radiació pot degradar el tributil fosfat en dibutil hidrogen fosfat. El dibutil hidrogen fosfat pot actuar com un agent d'extracció tant per als actínits com per a atres metals tals com el ruteni. El dibutil hidrogen fosfat pot fer que el sistema es comporte d'una manera més complexa mentres tendix a extraure els metals per mig d'un mecanisme d'intercanvi iònic (extracció favorida per una concentració baixa d'àcit); per a reduir l'efecte del dibutil hidrogen fosfat és comú per a la fase orgànica usada que esta siga llavada en una solució de carbonat de sodi per a remoure la degradació àcida de productes del tributil fosfat.

Nous métodos considerats per a ser utilisats a futur

El procés PUREX pot ser modificat per a fer un procés UREX (EXtracció de URanio ), el qual pot ser utilisat per a salvar espai dins del nivell major referent a llocs de desperdicis que involucren rebujos nuclears tals com l'almagasén de rebujos nuclears Yucca Mountain, açò en remoure l'urani que genera la gran majoria de la massa i el volum de combustible usat i reciclant-ho com urani reprocesado.

El procés UREX és un procés PUREX que ha segut modificat per a previndre que el plutoni siga extret. Açò pot realisar-se en afegir un reductor de plutoni abans de la primera etapa d'extracció del metal. En el procés UREX, al voltant del 99.9% de l'urani i més del 95% del tecnecio són separats un de l'atre i atres productes de fissió i actínits. La clau és l'adició d'àcit acetohidroxámico (AHA) a l'extracció i seccions de reserva del procés. L'adició de AHA disminuïx de manera significativa l'extracció de plutoni i neptuni, proveint una resistència de proliferació major que en l'etapa d'extracció de plutoni del procés PUREX.

Afegir un segon agent d'extracció octil(fenil)-N, òxit de N-dibutil carbamometil fosfina (CMPO) en combinació en tributilfosfato, (TBP) el procés PUREX pot convertir-se en TRUEX (EXtracció TRansOránica); est és un procés que va ser inventat en EUA per Argonne National Laboratory i està dissenyat per a remoure els metals transuránicos (Am/Cm) dels rebujos. L'idea és que en disminuir l'activitat alfa dels rebujos, la majoria dels mateixos poden ser posteriorment utilisats en major comoditat. En comú en PUREX, este procés opera en el mecanisme de solvatación.

Com una alternativa a el TRUEX, un procés d'extracció utilisant malondiamina ha segut concebut. El procés DIAMEX (EXtraccióDIAManada) té la ventaja d'evadir la formació de rebujos orgànics que contenen elements distints a Carbono, Hidrogen, Nitrogen i Oxigen. Un rebuig orgànic d'este tipo pot ser cremat sense la formació de gasos àcits que pogueren contribuir a la pluja àcida. El procés DIAMEX ha segut treballat en Europa per la CEA francesa. El procés és suficientment madur, tant que una planta industrial podria ser construïda en el coneiximent existent del procés. En comú en el procés PUREX, est opera en un mecanisme de solvatación. [8][9]

Extracció Selectiva d'Actínits (SANEX). Com a part de l'administració d'actínits menors s'ha propost que els lantànits i actínits trivalentes menors deuen ser remoguts del refinat PUREX per un procés tal com DIAMEX o TRUEX. Per a permetre als actínits tals com el americio ser tant reutilisats en fonts industrials o utilisats com a combustible llavors els lantànits deuen ser remoguts. Els lantànits tenen llargues seccions creuades de neutrons i per açò enverinen un neutró conduït per una reacció nuclear. Datar el sistema d'extracció per al procés SANEX no ha segut definit, pero actualment distints grups d'investigació estan treballant cap a un procés. Per eixemple, la CEA francesa està treballant en un procés basat en bis-triaiznil piridina (BTP).

Atres sistemes tals com el de àcit ditiofosfínicos estan sent treballats per uns atres tants treballadors.

Est és el procés de EXtracció UNiversal, el qual va ser desenrollat en Rússia i la República Checa; és un procés dissenyat per a remoure els radioisòtops més problemàtics (Sr, Cs i actínits menors) dels refinats que permaneixen despuix de l'extracció d'urani i plutoni a partir de combustible nuclear. [10][11] [12] archivat en Wayback Machine. La química es basa en l'interacció del cesi i estronci en poli òxit de etileno (poli etilenglicol) [13] [14] archivat en Wayback Machine. i un anión carborano cobalt. Els actínits són extrets per CMPO i el diluent és un aromàtic polar tal com el nitrobenceno. Atres diluents tals com el meta-nitrobenzotrifluorur i el fenil trifluorometil sulfona [15] han segut sugerits d'igual forma.

Absorció de productes de fissió en superfícies

Una atra important àrea de la química nuclear és l'estudi de cóm els productes de fissió interactuen en les superfícies; açò és pensant per a controlar la lliberació i migració dels productes de fissió tant dels contenidors de desperdicis baix condicions normals com a reactors de força baixe condicions d'accident. És interessant notar que com el cromato i el molibdato, el anión ⁹⁹TcO₄ pot reaccionar en superfícies d'acer per a formar una capa resistent a la corrosió. D'esta forma estos aniones metaloxo actuen com inhibidors de corrosió anódicos. La formació de ⁹⁹TcO₂ en superfícies d'acer és un efecte que retarda l'aparició de ⁹⁹Tc de les bobines de desperdici i equip nuclear que s'ha perdut abans de la descontaminación (per eixemple, reactors submarins perduts en la mar). Esta capa ⁹⁹TcO₂ deixa la superfície de l'acer passiva, inhibint la reacció de corrosió anódica. La naturalea radiactiva del tecnecio fa d'esta protecció contra la corrosió alguna cosa impráctico en la majoria de les situacions. També s'ha demostrat que els aniones ⁹⁹TcO₄ reaccionen per a formar una capa en la superfície del carbó activat (carbó vegetal) o alumini.[16]. Un chicotet anàlisis de les propietats bioquímiques de vàries séries de radioisòtops de llarga vida pot ser llegida en llínea.[17]

⁹⁹Tc en desperdici nuclear pot existir en formes químiques distintes al anión ⁹⁹TcO₄, estes atres formes tenen diferents propietats químiques.[18] [19] archivat en Wayback Machine.

De manera similar, el llançament de iodina-131 en un sério accident en un reactor va poder ser retardado per l'absorció en superfícies metàliques dins de la planta nuclear.