Введение
Нуклиды с атомным номером 40, но с разными массовыми числами
Природный цирконий (40Zr) состоит из четырех стабильных изотопов (один из которых в будущем может оказаться радиоактивным) и одного долгоживущего радиоизотопа (96Zr) – первородного нуклида, распадающегося посредством двойного бета-распада с наблюдаемым периодом полураспада 2,0 × 1019 лет. Он также может подвергаться однобета-распад, который пока не наблюдался, но теоретически предсказанный период полураспада составляет 2,4 × 1020 лет. Вторым по стабильности радиоизотопом является 93Zr с периодом полураспада 1,53 миллиона лет. Наблюдалось тридцать других радиоизотопов. У всех период полураспада менее суток, за исключением 95Zr (64,02 дня), 88Zr (83,4 дня) и 89Zr (78,41 часа). Основным видом распада для изотопов с массовым числом меньше 92Zr является электронный захват, а для более тяжелых изотопов – бета-распад.
Цирконий-88
88Zr — радиоизотоп циркония с периодом полураспада 83,4 дня. В январе 2019 года было обнаружено, что у этого изотопа сечение захвата нейтронов составляет приблизительно 861 000 барн; это значение на несколько порядков превышает прогнозируемое и является самым высоким среди всех нуклидов, за исключением ксенона-135.
Цирконий-89
89Zr — радиоизотоп циркония с периодом полураспада 78,41 часа. Он производится путем протонного облучения природного иттрия-89. Наиболее выраженный гамма-квант имеет энергию 909 кэВ. Цирконий-89 применяется в специализированных диагностических целях с использованием позитронно-эмиссионной томографии, например, с антителами, меченными цирконием-89 (иммуно-ПЭТ). Таблицу распада см.
Цирконий-93
93Zr — радиоизотоп циркония с периодом полураспада 1,53 миллиона лет, распадающийся посредством испускания бета-частицы с низкой энергией. 73% распадов приводят к заселению возбужденного состояния ниобия-93, которое распадается с периодом полураспада 14 лет, испуская гамма-излучение низкой энергии в стабильное основное состояние 93Nb, в то время как оставшиеся 27% распадов непосредственно заселяют основное состояние. Это один из всего семи долгоживущих продуктов деления. Низкая удельная активность и низкая энергия излучения ограничивают радиоактивную опасность этого изотопа. В процессе ядерного деления он образуется с выходом 6,3% (при термическом делении 235U), что сопоставимо с выходом других наиболее распространенных продуктов деления. Ядерные реакторы обычно содержат большое количество циркония в качестве оболочки топливных стержней (см. циркалой), и облучение 92Zr нейтронами также приводит к образованию некоторого количества 93Zr, хотя это ограничено низким сечением захвата нейтронов 92Zr, равным 0,22 барна. Действительно, одна из основных причин использования циркония в качестве материала для оболочек топливных стержней — его низкое сечение. 93Zr также имеет низкое сечение захвата нейтронов — 0,7 барна. Большая часть циркония, образующегося при делении, состоит из других изотопов; другим изотопом со значительным сечением поглощения нейтронов является 91Zr с сечением 1,24 барна. 93Zr является менее перспективным кандидатом для утилизации посредством ядерной трансмутации, чем 99Tc и 129I. Его подвижность в почве относительно низкая, поэтому геологическое захоронение может быть адекватным решением. В качестве альтернативы, если влияние более высокого сечения на нейтронный баланс будет признано приемлемым, облученная оболочка и цирконий, образующийся при делении (которые смешиваются вместе в большинстве современных методов ядерной переработки), могут быть использованы для изготовления новой оболочки из циркалоя. После того, как оболочка окажется внутри реактора, относительно низкий уровень радиоактивности может быть допустим, но транспортировка и производство могут потребовать специальных мер предосторожности.