核裂变产物

核裂变产物即指核裂变过程中生成的产物。核裂变是指由较重的（原子序数较大的）原子，主要是指铀或钚，分裂成较轻的（原子序数较小的）原子的一种核反应形式。原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变。早期原子弹应用（以铀-238制备的）钚-239为原料制成，而铀-235裂变在核电厂最常见，由钍-232制备的铀-233也在实验堆中使用。

裂变产物的质量数产额图：铀-235、钚-239、铀-233的热中子裂变产物

特点与种类

重核原子经中子撞击后，分裂成为两个较轻的原子，这就是最初的裂变产物。由于重原子核的中子含量很高，大约60%（如钚-239含有145个中子），而轻的稳定原子核中子含量较低（50%~55%），因此裂变产物中都含有过多的中子。这些富含中子的裂变产物都通过系列β衰变（把中子变成质子的反应）最终变成稳定核，这一过程中将产生一系列放射性裂变产物，每个β系列都维持质量数不变，都以一个稳定核为终点。例如 氪-92 → 铷-92 → 锶-92 → 钇-92 → 锆-92。

核裂变生成众多不同产物，可以按照质量数分成不同的β系列，而这些不同系列（即不同质量数）的种类分布也是有规律的。如右图所示，每个重核都大致分裂成大小两个轻核，一个质量数在86~107之间（氪、铷、锶、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉），一个质量数在131-148之间（锡、锑、碲、碘、氙、铯、钡、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕）。此外，微量的（0.2~0.4%）三裂式裂变，除了大小两个轻核外，还产生一个微小的氦-4或氚核。

放射性危害

锕系元素和裂变产物的半衰期 查 论 编 锕系 半衰期 范围(年) 裂变产物 ^244Cm ^241Pu ^f ^250Cf ^243Cm^f 10～30 y ^137Cs ^90Sr ^85Kr ^232U ^f ^238Pu f代表 “裂变” 69～90 y ^151Sm nc➔ 4n ^249Cf  ^f ^242Am^f 141～351 y 没有半衰期为 10^2年至2×10^5年 的裂变产物 ^241Am ^251Cf  ^f 431–898 y ^240Pu ^229Th ^246Cm ^243Am 5～7 Ky 4n ^245Cm^f ^250Cm ^239Pu ^f 8～24 Ky ^233U  ^f ^230Th ^231Pa 32～160 Ky 4n+1 ^234U 4n+3 211～290 Ky ^99Tc ^126Sn ^79Se ^248Cm ^242Pu 340～373 Ky 长寿命裂变产物 ^237Np 4n+2 1～2 My ^93Zr ^135Cs nc➔ ^236U 4n+1 ^247Cm^f 6～23 My ^107Pd ^129I ^244Pu 8 My >7% >5% >1% >.1% ^232Th ^238U ^235U  ^f 0.7～12 By 裂变产物产额

中等寿命裂变产物 项： 单位： t^½ a 产额 % Q* KeV βγ * ^155Eu 4.76 .0803 252 βγ ^85Kr 10.76 .2180 687 βγ ^113mCd 14.1 .0008 316 β ^90Sr 28.9 4.505 2826 β ^137Cs 30.23 6.337 1176 βγ ^121mSn 43.9 .00005 390 βγ ^151Sm 90 .5314 77 β

由于核反应堆存在核泄露的隐患，因此放射性裂变产物受到广泛关注。事实上，也是很幸运的，没有半衰期为百年至二十万年之间的裂变产物，因此放射性裂变产物可以分成两类，一类放射性强，但是可以在数百年内衰变殆尽；另一类放射性很弱，它们的放射性低于相应裂变原料，即放射性矿物，采用废料回填矿坑的办法就能达成“核工业降低地壳的放射性总量”。

第一类强放射性的裂变产物中，绝大多数半衰期很短，在泄露数月内就很快耗尽，但有几个核素半衰期在数年到数十年之间，列于上表“中寿命核分裂产物”，它们造成的影响将持续数十至数百年。其中最值得关注的是铯-137和锶-90，它们的半衰期都约为30年（寿命很长），而且裂变产额都较高（产量很大），这两种原子核是裂变产物放置数年至数百年间放射性的主要来源（因为其它强放射性核或者数年内耗尽，或者含量太低）。如上表所示，铯-137和锶-90的产额和衰变能都显著地比其它核素高。不幸的是，这两种中长期辐射主力核素，恰巧都容易进入生物体内：铯和锶两种元素的化学性质分别与钾和钙相似，容易被人体吸收，特别是锶容易代替钙沉积在骨骼中，因此对铯-137和锶-90的回收利用或无害化处理十分重要。此外一些极短寿命的放射性产物也颇受关注，特别是碘-131，虽然数个月就能衰变殆尽，但它极易被人体吸收富集；另外，铯-134和锶-89是另两个短寿强放射性核素，对人体伤害方式与铯-137和锶-90相同，只是危害时间更集中。^{[註 1]}以上五个核素正是裂变产物泄漏造成数次人体伤害事故的主要元凶，相关数据列于下表：

核素	裂变产额	半衰期	衰变产物	衰变能	生物体 相似物	富集于器官	传播	对策
碘-131	~3%	8.02天	β氙	971 keV	碘-127	甲状腺	大气水体	服用碘化钾片
铯-137	6.3%	30.2年	β钡	1174 keV	钾	肝、肾、肌肉	大气水体	深耕、钾肥 普鲁士蓝
铯-134	<6.8%^[注1]	2.06年	β钡	1548 keV
锶-90	4.5%	27.7年	ββ锆	2826 keV	钙	骨骼，无法排出	尘埃	土壤中撒石灰
锶-89	~3%	50.5天	β钇	982 keV

第二类裂变产物放射性很低，却「太长寿」，最值得关注的是碘-129、锝-99和铯-135。虽然它们放射性比相应数量的铀矿原料低，但比铀矿更容易游离于自然水体之中，它们分别以I^-、TcO₄^-和Cs⁺形式溶解在水中，而且难以沉积，造成大自然水体的近乎永久性的放射性污染。因此它们的隔绝存放尤为重要。它们被自然水体稀释后，辐射量远低于自然界的辐射背底，不对人体健康造成影响，而且即使多量摄入也很容易排出。^{[註 2]}

此外，核泄漏或核爆炸造成的放射污染还包括钚铀等锕系元素的污染，它们不属于核裂变产物。

註释

1. 铯-134不是直接的裂变产物，它是裂变产物衰变后再次俘获中子生成的，因此不存在于核爆炸产物中、只存在于反应堆产物中。6.8%的产额指其与俘获中子的前体铯-133（无放射性）的总产额。（质量数134的β系列产物的衰变终点是稳定的氙-134，无法到达铯-134）
2. 铀矿中释放的易游离于水体中的钫和砹、易游离于大气中的氡都极其短寿。铀本身的放射性也很低，但是它能稳定地产生一定比例的较高放射性的中间产物，比如镭、钋、锕等。

参考文献