Ядерна трансмутація — це перетворення одного хімічного елемента або ізотопу в інший хімічний елемент. Ядерна трансмутація відбувається в будь-якому процесі, коли кількість протонів або нейтронів у ядрі атома змінюється.

Трансмутація може бути досягнута або ядерними реакціями (під час яких зовнішня частинка реагує з ядром), або радіоактивним розпадом, де не потрібна зовнішня причина.

Природна трансмутація шляхом зоряного нуклеосинтезу в минулому створила більшість важчих хімічних елементів у відомому існуючому Всесвіті, і продовжує відбуватися донині, утворюючи переважну більшість найпоширеніших елементів у Всесвіті, включаючи гелій, кисень і вуглець. Більшість зір здійснюють трансмутацію за допомогою реакцій термоядерного синтезу за участю водню та гелію, тоді як набагато більші зорі також здатні об'єднувати важчі елементи до заліза на пізньому етапі їхньої еволюції.

Елементи, важчі за залізо, такі як золото або свинець, створюються шляхом елементарних трансмутацій, які природним чином можуть відбуватися в наднових. Зараз відомо, що одна з цілей алхімії, перетворення основних речовин у золото, неможлива хімічними засобами, але можлива фізичними. Коли зорі починають синтезувати важчі елементи, від кожної реакції синтезу виділяється значно менше енергії. Це триває до тих пір, поки не буде досягнуто залізо, яке утворюється в результаті реакції, що споживає енергію. У таких умовах неможливо створити важчий елемент.

Один із типів природної трансмутації, яка спостерігається в даний час, відбувається, коли певні радіоактивні елементи, присутні в природі, спонтанно розпадаються в результаті процесу, який викликає трансмутацію, наприклад альфа- або бета-розпад. Прикладом є природний розпад калію-40 до аргону-40, який утворює більшу частину аргону в повітрі. Також на Землі відбуваються природні перетворення з різних механізмів природних ядерних реакцій через бомбардування елементів космічними променями (наприклад, для утворення вуглецю-14), а також іноді через природне бомбардування нейтронами (наприклад, див. ).

Штучна трансмутація може відбуватися в механізмах, які мають достатньо енергії, щоб викликати зміни в структурі ядер елементів. До таких машин відносяться прискорювачі частинок і реактори токамак. Звичайні енергетичні реактори поділу також спричиняють штучну трансмутацію, але не за рахунок енергії машини, а шляхом впливу на елементи нейтронів, які утворюються в результаті поділу в результаті штучно створеної ланцюгової ядерної реакції. Наприклад, коли атом урану бомбардують повільними нейтронами, відбувається поділ. Виділяється в середньому 3 нейтрони та велика кількість енергії. Вивільнені нейтрони викликають поділ інших атомів урану, доки весь доступний уран не буде вичерпано. Це називається ланцюговою реакцією.

Штучна ядерна трансмутація розглядається як можливий механізм зменшення обсягу та небезпеки радіоактивних відходів.http://www.oecd-nea.org/trw/ «Transmutation of Radioactive Waste.» Nuclear Energy Agency. Feb 3rd 2012.

Історія

Алхімія Термін трансмутація сходить до алхімії. Алхіміки шукали філософський камінь, здатний до -; перетворення неблагородних металів у золото. У той час як алхіміки часто розуміли хризопею як метафору містичного або релігійного процесу, деякі практики прийняли її буквальне тлумачення і намагалися виготовити золото за допомогою фізичних експериментів. Неможливість трансмутації металів обговорювалася серед алхіміків, філософів і вчених ще з Середньовіччя. Псевдоалхімічна трансмутація була забороненаJohn Hines, II, R. F. Yeager. John Gower, Trilingual Poet: Language, Translation, and Tradition. Boydell & Brewer. 2010. p.170 і публічно висміювалася, починаючи з чотирнадцятого століття. Такі алхіміки, як і , писали трактати, в яких викривали шахрайські заяви про виготовлення золота. До 1720-х років уже не було поважних діячів, які займалися фізичним перетворенням речовин у золото.Lawrence Principe. New Narratives in Eighteenth-Century Chemistry. Springer. 2007. p.8 Антуан Лавуазьє у 18 столітті замінив алхімічну теорію елементів сучасною теорією хімічних елементів, а Джон Дальтон розвинув поняття атомів (з алхімічної теорії корпускул) для пояснення різних хімічних процесів. Розпад атомів — це особливий процес, що потребує значно більших енергій, ніж могли б досягти алхіміки.

Сучасна фізика Вперше його свідомо застосував до сучасної фізики Фредерік Содді, коли він разом з Ернестом Резерфордом у 1901 році виявив, що радіоактивний торій сам перетворюється на радій. Пізніше Содді згадував, що у момент усвідомлення цього він вигукнув: «Резерфорд, це трансмутація!» Резерфорд відповів: «Заради Бога, Содді, не називай це трансмутацією. Вони відірвуть нам голови як алхімікам».Muriel Howorth, Pioneer Research on the Atom: The Life Story of Frederick Soddy, New World, London 1958, pp 83-84; Lawrence Badash, Radium, Radioactivity and the Popularity of Scientific Discovery, Proceedings of the American Philosophical Society 122,1978: 145-54; Thaddeus J. Trenn, The Self-Splitting Atom: The History of the Rutherford-Soddy Collaboration, Taylor & Francis, London, 1977, pp 42, 58-60, 111-17.

Резерфорд і Содді спостерігали природну трансмутацію як частину радіоактивного розпаду типу альфа-розпаду. Перша штучна трансмутація була здійснена в 1925 році Патріком Блекеттом, науковим співробітником, який працював під керівництвом Резерфорда, з перетворенням азоту в кисень за допомогою альфа-частинок, спрямованих на азот 14 N + α → 17O + p. У 1919 році Резерфорд показав, що протон (він назвав його атомом водню) випромінювався під час експериментів з альфа-бомбардуванням, але він не мав інформації про залишкове ядро. Експерименти Блекетта в 1921—1924 роках дали перші експериментальні докази штучної ядерної реакції трансмутації. Блекетт правильно визначив основний процес інтеграції та ідентичність залишкового ядра. У 1932 році повністю штучна ядерна реакція та ядерна трансмутація були досягнуті колегами Резерфорда Джоном Кокрофтом та Ернестом Волтоном, які використали штучно прискорені протони проти літію-7, щоб розділити ядро на дві альфа-частинки. Дяі була широко відома як «розщеплення атома», хоча це не була сучасна ядерна реакція поділу, відкрита в 1938 році Отто Ганом, Лізою Мейтнер та їхнім помічником Фріцем Штрассманом у важких елементах.Cockcroft and Walton split lithium with high energy protons April 1932. У 1941 році , Кеннет Бейнбрідж і Герберт Лоуренс Андерсон повідомили про ядерну трансмутацію ртуті в золото.

Пізніше у двадцятому столітті було розроблено трансмутацію елементів у зорях, що пояснює відносну кількість важчих елементів у Всесвіті. За винятком перших п'яти елементів, які виникли під час Великого вибуху та інших процесів космічного випромінювання, зоряний нуклеосинтез пояснював велику кількість усіх елементів, важчих за бор. У своїй статті «Синтез елементів у зорях» 1957 рокуWilliam Alfred Fowler, Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, and Fred Hoyle, 'Synthesis of the Elements in Stars', Reviews of Modern Physics, vol. 29, Issue 4, pp. 547—650 Вільям Альфред Фаулер, Маргарет Бербідж, Джеффрі Бербідж і Фред Хойл пояснили, як надлишок практично всіх хімічних елементів, крім найлегших, можна пояснити процесом нуклеосинтезу в зорях.

За справжньої ядерної трансмутації набагато легше перетворити золото на свинець, ніж виконати зворотну реакцію, яку палко переслідували алхіміки. Було б легше перетворити золото на свинець шляхом захоплення нейтронів і бета-розпаду, залишивши золото в ядерному реакторі на тривалий період часу. 

Глен Сіборг видобув кілька тисяч атомів золота з вісмуту, але з чистими збитками.

Додаткову інформацію про синтез золота див. у розділі Синтез дорогоцінних металів .

197Au + n -> 198Au (період напіврозпаду 2.7 днів) -> 198Hg + n -> 199Hg + n → 200Hg + n → 201Hg + n -> 202Hg + n -> 203Hg (період напіврозпаду 47 днів) -> 203Tl + n → 204Tl (період напіврозпаду 3.8 років) → 204Pb

Трансмутація у Всесвіті

Вважається, що Великий вибух є джерелом появи водню (включаючи весь дейтерій) і гелію у Всесвіті. На водень і гелій разом припадає 98 % маси звичайної матерії у Всесвіті, тоді як інші 2 % складають все інше. Під час Великого вибуху також утворилися невеликі кількості літію, берилію і, можливо, бору. Більше літію, берилію та бору було отримано пізніше в результаті природної ядерної реакції, сколювання космічними променями.

Зоряний нуклеосинтез відповідає за всі інші елементи, які природно зустрічаються у Всесвіті у вигляді і первинних нуклідів, від вуглецю до урану. Це сталося після Великого вибуху, під час формування зір. Деякі легші елементи від вуглецю до заліза були утворені в зорях і випущені в космос асимптотичними гігантськими зорями (AGB). Це різновид червоного гіганта, який «роздуває» свою зовнішню атмосферу, що містить деякі елементи від вуглецю до нікелю та заліза. Усі елементи з атомною вагою більше 64 атомних одиниць маси утворюються в наднових зорях шляхом захоплення нейтронів, який підрозділяється на два процеси: r-процес і s-процес.

Вважається, що Сонячна система ущільнилася приблизно за 4,6 мільярда років до теперішнього часу з хмари водню та гелію, що містить важчі елементи в пилових зернах, утворених раніше великою кількістю таких зір. Ці зерна містили більш важкі елементи, утворені трансмутацією раніше в історії Всесвіту.

Усі ці природні процеси трансмутації в зорях тривають сьогодні, як у нашій галактиці, так і в інших. Зорі зливають водень і гелій у все важчі елементи, щоб виробляти енергію. Наприклад, спостережувані криві блиску наднових зір, таких як SN 1987A, показують, що вони викидають у космос велику кількість (порівняну з масою Землі) радіоактивного нікелю та кобальту. Однак невелика частина цього матеріалу досягає Землі. Більшість природних трансмутацій на Землі сьогодні відбувається за допомогою космічних променів (таких як утворення вуглецю-14) і радіоактивного розпаду радіоактивних первісних нуклідів, що залишилися від початкового формування Сонячної системи (таких як калій-40, уран і торій), плюс радіоактивний розпад продуктів цих нуклідів (радій, радон, полоній та ін.). Дивіться ланцюг розпаду.

Штучна трансмутація ядерних відходів

Огляд Трансмутація трансуранових елементів (тобто актиноідів мінус актиній в уран), таких як ізотопи плутонію (приблизно 1 мас.% у ядерному паливі, що використовується в легководних реакторах, або мінорні актиноїди (МА, тобто нептуній, америцій і кюрій), приблизно 0,1 мас. % кожного у використаному ядерному паливі легководних реакторів) може допомогти вирішити деякі проблеми, пов'язані з поводженням з радіоактивними відходами, зменшивши частку довгоіснуючих ізотопів, які вони містять. (Це не виключає необхідності глибокого геологічного сховища для ). При опроміненні швидкими нейтронами в ядерному реакторі ці ізотопи можуть зазнавати ядерного поділу, при цьому руйнується вихідний ізотоп актиноїду та створюючи спектр радіоактивних і нерадіоактивних продуктів поділу.

Керамічні мішені, що містять актиноїди, можна бомбардувати нейтронами, щоб викликати реакції трансмутації для видалення найважчих довгоживучих видів. Вони можуть складатися з твердих розчинів, що містять актиноїди, наприклад , , , , або просто актиноїдні фази, такі як , , , змішаний з деякими інертними фазами, такими як ,, , і . Роль нерадіоактивних інертних фаз полягає головним чином у забезпеченні стабільної механічної поведінки мішені під нейтронним опроміненням.

Однак із цією стратегією P&T (поділ і трансмутація) є проблеми:

по-перше, це обмежено дорогою та громіздкою необхідністю відокремлювати довгоживучі ізотопи продуктів поділу, перш ніж вони зможуть піддатися трансмутації. також деякі довгоживучі продукти поділу, через малий поперечний переріз захоплення нейтронів не можуть захопити достатню кількість нейтронів для ефективної трансмутації.