核分裂生成物

商用核分裂炉は、通常は自己消火する即発臨界未満状態で運転されます。特定の核分裂生成物は数秒から数分かけて崩壊し、臨界を維持するために不可欠な追加の遅発中性子を生成します。^{[ 7 ] [ 8 ]}例としては、半減期が約1分の臭素87があります。 ^{[ 9 ]} この遅発臨界状態で運転すると、出力は人間と自動制御が可能なほどゆっくりと変化します。新しい燃料に向かって燃えさしが移動するのを防火ダンパーが調整するのと同様に、核燃料が時間とともに燃焼するにつれて制御棒が動かされます。 ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

原子力発電所では、放射能の主な発生源は核分裂生成物とアクチニド、および放射化生成物である。最初の数百年間は核分裂生成物が放射能の大部分を占めるが、燃料使用後約10³ ^～  10⁵^年 後にはアクチニドが支配​​的となる。

核分裂生成物のほとんどは、生成点付近に留まります。これらは、原子炉制御に役立つ遅発中性子を生成するものだけでなく、核反応を阻害する中性子毒物となるものもあるため、原子炉の運転にとって重要です。中性子毒物の蓄積は、特定の燃料要素を原子炉内にどれくらいの期間保持できるかを決定する重要な要素です。核分裂生成物の崩壊は、原子炉が停止し核分裂が停止した後も熱を発生させ続けます。この崩壊熱は、停止後に除去する必要があります。この冷却機能が失われたことが、スリーマイル島と福島第一原子力発電所の原子炉に損傷を与えました。

燃料を包む被覆管に穴が開くと、核分裂生成物が一次冷却材に漏れ出す可能性があります。核分裂生成物は、その化学組成によっては、原子炉炉心内に沈殿したり、冷却系全体に拡散したりすることがあり、それらを除去するために化学制御システムが設けられています。適切に設計された原子炉が通常の運転条件下で稼働している場合、冷却材の放射能レベルは非常に低くなります。

燃料再処理工場（および2005年のチェルノブイリ原発事故）におけるガンマ線被ばくの大部分の原因となっている同位体はセシウム137です。ヨウ素129は、再処理工場から放出される主要な放射性同位体です。原子炉では、セシウム137とストロンチウム90は、希ガス（半減期3.8分のキセノン137と半減期32秒のクリプトン90 ）のベータ崩壊によって生成されるため、燃料から離れた場所、例えば制御棒などに沈着します。

核兵器は、部分的なエネルギー源として、あるいは主要なエネルギー源として核分裂を利用する。兵器の設計や爆発場所によって、放射性降下物全体の放射能における核分裂生成物の放射能と放射化生成物の放射能の相対的な重要性は変化する。

核兵器の核分裂によって生成される核分裂生成物は、核分裂を起こす特定の核種によって若干異なるものの、基本的に他の核分裂源から生成される核分裂生成物と同じである。しかし、反応時間が非常に短いため、原子爆弾から生成される同位体の組成には違いが生じる。

例えば、^134Cs / ^137Cs比は、爆弾による放射性降下物と原子力発電所の核分裂生成物を簡単に区別する方法を提供する。核分裂ではセシウム134はほとんど生成されない（キセノン¹³⁴が安定であるため）。134Csは、同重体（A = 133）の同位体の崩壊によって生成される安定な^133Csが中性子によって活性化されて生成される。したがって、瞬間的な臨界では、中性子束がゼロになるまでに^133Csが存在するには時間が短すぎる。一方、原子力発電所では、同重体の同位体が崩壊して133Csを生成するのに十分な時間があるが^、このように生成された^{133Csが134Cs}に活性化されるのは、臨界の開始から終了までの時間が長い場合に限られる。  

^{イジー・ハラの教科書[ 14 ]}によると、原子爆弾の核分裂生成物混合物中の放射能は、主にヨウ素131やバリウム140などの短寿命同位体によって引き起こされます。約4か月後には、セリウム141、ジルコニウム95 /ニオブ95、ストロンチウム89が放射性物質の大部分を占めます。2～3年後には、セリウム144 /プラセオジム144、ルテニウム106 /ロジウム106、プロメチウム147が放射能の大部分を占めます。数年後には、放射線はストロンチウム90とセシウム137によって支配されますが、1万年から100万年の期間ではテクネチウム99が支配的になります。

^{核分裂生成物の一部（ 137Cs}など）は^、医療および産業用放射性物質源として使用されています。99TcO4− ^（過テクネチウム酸_{）イオンは鋼表面と反応して}耐腐食性層を形成することができます。このようにして、これらの金属酸化物アニオンは陽極腐食抑制剤として働き、鋼表面を不活性化します。鋼表面に^99TcO2_が形成されることは、除染前に失われた核廃棄物ドラムや核機器（例えば、海上で失われた原子力潜水艦の原子炉）からの^99Tcの放出を遅らせる効果の1つです。

同様に、深刻な原子炉事故における放射性ヨウ素の放出は、原子力発電所内の金属表面への吸着によって遅延させることができる。 ^{[ 15 ]} 重大事故時に発生するヨウ素化学に関するその他の研究の多くは既に行われている。^{[ 16 ]}

ヨウ素には少なくとも3つの同位体が重要である。129I 、^131I（放射性ヨウ素）、および132I^である^。大気圏核実験とチェルノブイリ原発事故はいずれもヨウ素131を放出した。

ヨウ素の短寿命同位体は、甲状腺が放射性同位体と安定同位体の両方を含むヨウ化物を収集・濃縮するため、特に有害です。放射性ヨウ素の吸収は、急性、慢性、および遅発性の影響を引き起こす可能性があります。高線量による急性影響には甲状腺炎があり、慢性および遅発性影響には甲状腺機能低下症、甲状腺結節、および甲状腺癌があります。チェルノブイリとマヤク^{[ 19 ]}から放出された活性ヨウ素が、旧ソ連における甲状腺癌の発生率の増加をもたらしたことが示されています。

放射性ヨウ素によるリスクから身を守る対策の一つは、放射性ヨウ素に被曝する前にヨウ化カリウム（KI）を服用することです。非放射性のヨウ化物は甲状腺を「飽和」させ、体内に蓄積される放射性ヨウ素の量を減らします。ヨウ化カリウムを投与すると放射性ヨウ素の影響が99%軽減され、核シェルターへの賢明で安価な補助剤となります。市販のヨウ素錠剤の低コスト代替品としては、ヨウ化カリウムの飽和溶液があります。KIの長期保存は通常、試薬級結晶の形で行われます。^{[ 18 ]}

既知の甲状腺腫誘発物質の投与は、ヨウ素の生体内吸収を減少させる予防としても使用できます（栄養素としての非放射性ヨウ素127でも放射性ヨウ素、放射性ヨウ素（最も一般的にはヨウ素131 ）でも、体は異なるヨウ素同位体を区別できないため）。 航空宇宙産業のために米国で一般的な水質汚染物質である過塩素酸イオンは、ヨウ素の吸収を減少させることが示されており、甲状腺腫誘発物質に分類されています。過塩素酸イオンは、ヨウ化物が甲状腺濾胞細胞に能動的に沈着する過程の競合阻害剤です。健康な成人ボランティアを対象とした研究では、1日あたり体重1キログラムあたり0.007ミリグラム（mg/(kg·d)）を超える濃度で過塩素酸塩が甲状腺の血流からのヨウ素吸収能力を一時的に阻害し始めることが判明した（「ヨウ化物取り込み阻害」）。そのため、過塩素酸塩は甲状腺腫誘発物質として知られている。^{[ 20 ]} 過塩素酸塩によるヨウ化物プールの減少は、一方では過剰なホルモン合成と甲状腺機能亢進症の減少、他方では甲状腺抑制物質合成と甲状腺機能低下症の減少という二重の効果をもたらす。過塩素酸塩は、甲状腺におけるヨウ化物のさらなる代謝のさまざまな障害の結果として甲状腺に蓄積された放射性ヨウ化物の放出を測定する検査において、単回投与として依然として非常に有用である。^{[ 21 ]}

甲状腺中毒症（グレーブス病を含む）の治療には、数ヶ月以上にわたって過 塩素酸カリウム600～2,000mg（過塩素酸塩430～1,400mg）を毎日投与することがかつて一般的であり、特にヨーロッパではそうであった^{[ 20 ] [ 22 ]} 。また、甲状腺疾患の治療に低用量の過塩素酸塩を使用することは今日でも続いている^{[ 23 ]} 。当初は過塩素酸カリウム400mgを1日4回または5回に分けて投与し、効果があると判明したが、 400mg/日ではすべての患者で甲状腺中毒症をコントロールできないことが判明したため、より高用量が導入された^{[ 20 ] [ 21 ] 。}   

甲状腺中毒症（グレーブス病を含む）の治療における現在の治療法では、患者が追加のヨウ素源に曝露されている場合、一般的に過 塩素酸カリウム500mgを1日2回、18～40日間投与する。^{[ 20 ] [ 24 ]}

17 ppmの過塩素酸塩含有水による予防は、 体重 70  kg で 1 日あたり 2 リットルの水を摂取する場合、1 日あたり 0.5 mg/kg の個人摂取量に相当し、放射性ヨウ素の基礎摂取量を 67% 減少させることがわかった^{[ 20 ]}これは、 1 日あたり合計 35 mg の過塩素酸イオンを摂取することに相当します。別の関連研究では、被験者が 10 ppm の過塩素酸塩含有水を 1 日あたり 1 リットルだけ飲んだ場合、つまり 1 日あたり 10  mg の過塩素酸イオンを摂取した場合、ヨウ素摂取量が平均 38% 減少することが観察されました。^{[ 25 ]}

しかし、最も高い曝露を受けた過塩素酸塩工場労働者の平均過塩素酸塩吸収量が、 上記の段落にあるように約0.5 mg/kg-日と推定されている場合、ヨウ素の取り込みが67%減少すると予想されます。しかし、慢性的に曝露された労働者の研究では、これまでのところ、ヨウ素の取り込みを含む甲状腺機能の異常は検出されていません。^{[ 26 ]}これは、労働者の間で十分な量の健康なヨウ素127を毎日摂取していることと、過塩素酸塩の体内での生物学的半減期が8時間と短いことに起因する可能性があります。 ^{[ 20 ]}

0.5 mg/kg-日の投与量、または17 ppmの水中濃度を目指して、意図的に過塩素酸イオンを住民の水道水に添加することでヨウ素131の取り込みを完全に阻止することは 、放射性ヨウ素の取り込みを真に減らすには著しく不十分である。放射性ヨウ素環境に曝露されたときに生物蓄積を防ぐ上で住民に真に有益となるためには、地域の水道水の過塩素酸イオン濃度ははるかに高く、少なくとも 1日あたり体重1kgあたり7.15 mg、または250 ppmの水中濃度（人々が1日に2リットルの水を飲むと仮定した場合）が必要となる[ ^{20 ] [ 24 ] 。}これは、ヨウ素酸塩またはヨウ化物薬の入手可能性とは無関係である。

放射性ヨウ素の最初の放出が検出された直後から、過塩素酸塩錠剤の継続的な配布または水道水への過塩素酸塩の添加を少なくとも80～90日間継続する必要がある。80～90日経過すると、放出された放射性ヨウ素131は初期量の0.1%未満に崩壊し、その時点でヨウ素131の生体内取り込みによる危険は実質的になくなる。^{[ 27 ]}

放射性ヨウ素が放出された場合、入手可能であれば予防薬であるヨウ化カリウム、あるいはヨウ素酸塩を摂取することが、過塩素酸塩の投与よりも優先されるべきであり、放射性ヨウ素放出から住民を守るための第一の防衛線となる。しかし、放射性ヨウ素の放出があまりにも大規模かつ広範囲に及び、限られたヨウ化物およびヨウ素酸塩の予防薬の備蓄では制御できない場合は、水道水に過塩素酸イオンを添加するか、過塩素酸塩錠剤を配布することが、発がん性のある放射性ヨウ素の生体内蓄積に対する安価で効果的な第二の防衛線となる。

甲状腺腫誘発薬の摂取は、ヨウ化カリウムと同様に、甲状腺機能低下症などの危険性を伴います。しかし、これらの場合すべてにおいて、リスクはあるものの、放射性ヨウ素が環境を十分に汚染している地域では、ヨウ化物、ヨウ素酸塩、または過塩素酸塩による介入による予防効果は、放射性ヨウ素の生体内蓄積による深刻な癌リスクを上回ります。

チェルノブイリ原発事故では大量のセシウム同位体が放出され、広範囲に拡散しました。137Cs^は土壌の表層に残留するため、長期的な懸念事項となっています。根が浅い植物は、この同位体を長年にわたって吸収する傾向があります。そのため、草やキノコには相当量の137Csが含まれており^、食物連鎖を通じて人体に移行する可能性があります。

酪農におけるセシウム¹³⁷に対する最善の対策の一つは、土壌を深く耕して混ぜ合わせることです。これにより、セシウム¹³⁷が草の浅い根に届かないようになり、草の放射能レベルが低下します。また、表層数センチメートルの土壌を取り除き、浅い溝に埋めることで、セシウム¹³⁷からのガンマ線が土壌を通過する際に減衰するため、人間や動物への被ばく量を減らすことができます。溝が深く、人里離れた場所にあるほど、防護効果は高まります。 カリウムを含む肥料は、セシウムを希釈し、植物による吸収を制限するために使用できます。

畜産において、 ^137Csに対する別の対策として、プルシアンブルーを動物に与える方法がある。この化合物はイオン交換体として作用する。シアン化物は鉄と非常に強く結合しているため、人間が1日に数グラムのプルシアンブルーを摂取しても安全である。プルシアンブルーはセシウムの生物学的半減期（核半減期とは異なる）を短縮する^。137Csの物理的または核半減期は約30年である。人間の体内のセシウムの生物学的半減期は通常1～4ヶ月である。プルシアンブルーのもう一つの利点は、動物の糞便から排出されるセシウムが植物が利用できない形態であることである。そのため、セシウムのリサイクルを防ぐことができる。人間を含む動物の治療に必要なプルシアンブルーは特殊なグレードである。塗料に使用される顔料グレードを使用しようとする試みは成功していない。^{[ 28 ]}

カルシウムが不足している土壌に石灰を加えると、植物によるストロンチウムの吸収を減らすことができます。同様に、カリウムが不足している土壌では、カリウム肥料を加えると、植物によるセシウムの吸収を抑制できます。しかし、石灰やカリ肥料によるこのような処理は、土壌の化学組成を大きく変化させ、その結果、土地の植物生態系に変化をもたらす可能性があるため、軽々しく行うべきではありません。 ^{[ 29 ]}