アクチニド(/ ˈ æ k t ɪ n aɪ d /)またはアクチノイド(/ ˈ æ k t ɪ n ɔɪ d / )系列は、少なくとも5f 系列の14 個の金属化学元素を含み、原子番号は89 から 102 までで、アクチニウムからノーベリウムまでです。103 番のローレンシウムも、6d 遷移系列の一部であるにもかかわらず、一般的に含まれています。アクチニド系列の名前は、系列の最初の元素であるアクチニウムに由来しています。非公式の化学記号An は、アクチニド化学の一般的な議論で、任意のアクチニドを指すために使用されます。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
1985年版IUPACレッドブックでは、接尾辞「-ide」は通常陰イオンを示すため、 「actinide」ではなく「actinoid」を使用することを推奨している。しかし、現在広く使用されているため、「actinide」も依然として認められている。
アクチニウムからノーベリウムまではfブロック元素であり、ローレンシウムはdブロック元素[ 4 ] [ 5 ]であり、遷移金属である[ 6 ]。この系列は主に5f電子殻の充填に対応するが、基底状態の孤立原子では、電子間反発により6d殻の充填を含む異常な配置を持つものが多い。ランタノイド(これもほとんどがfブロック元素)と比較すると、アクチノイドははるかに多様な価数を示す。これらはすべて非常に大きな原子半径とイオン半径を持ち、異常に広い範囲の物理的性質を示す。アクチニウムと後期アクチノイド(キュリウム以降)はランタノイドと同様の挙動を示すが、トリウム、プロトアクチニウム、ウランは化学的に遷移金属に非常によく似ており、ネプツニウム、プルトニウム、アメリシウムは中間的な位置を占める。
アクチニド元素はすべて放射性であり、放射性崩壊時にエネルギーを放出します。地球上で最も豊富なアクチニド元素は、天然に存在するウランとトリウム、そして合成されたプルトニウムです。これらは原子炉で使用されており、ウランとプルトニウムは核兵器の重要な構成要素です。ウランとトリウムには、現在または過去に様々な用途があり、アメリシウムは最新の煙感知器のほとんどに使用されている電離箱に用いられています。
半減期が長いため、地球上および天体物理学的に相当量存在する元素はトリウムとウランのみです。ウランの放射性崩壊により、アクチニウムとプロトアクチニウムが一時的に生成され、ウラン鉱石中の核変換反応によりネプツニウムとプルトニウムの原子が時折生成されます。その他のアクチニドは完全に合成元素です。[ 1 ] [ 7 ]核兵器実験により、プルトニウムより重い少なくとも6種類のアクチニドが環境中に放出されました。1952年の最初の水素爆弾実験の残骸の分析により、アメリシウム、キュリウム、バークリウム、カリホルニウムの存在が示され、アインスタイニウムとフェルミウムが発見されました。[ 8 ]
周期表の表示では、fブロック元素は慣例として表の本体の下に2行追加して表示されます。[ 1 ]この慣例は完全に美観とフォーマットの実用性の問題です。まれに使われる幅広の周期表では、4fおよび5f系列が表の6行目と7行目(周期)の一部として適切な場所に挿入されます。
ランタノイドと同様に、アクチノイドも類似した性質を持つ元素のファミリーを形成します。アクチノイドの中には、周期表でウランの後に続く超ウラン元素と、プルトニウムの後に続く超プルトニウム元素という、重複する2つのグループがあります。プロメチウムを除いて自然界にかなりの量で存在するランタノイドと比較すると、ほとんどのアクチノイドは希少です。ほとんどは自然界には存在せず、存在するもののうち、微量を超える量で存在するのはトリウムとウランだけです。最も豊富に存在する、または合成しやすいアクチノイドはウランとトリウムで、次いでプルトニウム、アメリシウム、アクチニウム、プロトアクチニウム、ネプツニウム、キュリウムが続きます。[ 10 ]
超ウラン元素の存在は、1934 年にエンリコ・フェルミが自身の実験に基づいて提唱した。[ 11 ] [ 12 ]しかし、当時すでに 4 つのアクチノイドが知られていたにもかかわらず、それらがランタノイドと同様のファミリーを形成していることはまだ理解されていなかった。超ウラン元素に関する初期の研究を支配していた一般的な見解は、それらは第 7 周期の通常の元素であり、トリウム、プロトアクチニウム、ウランはそれぞれ第 6 周期のハフニウム、タンタル、タングステンに対応するというものであった。超ウラン元素の合成により、この見解は徐々に覆された。1944 年までに、キュリウムが 4 を超える酸化状態を示さないこと (一方、その第 6 周期の同族元素とされる白金は酸化状態 6 に達することができる) が観察され、グレン・シーボーグは「アクチノイド仮説」を提唱した。既知のアクチニドの研究やさらなる超ウラン元素の発見により、この立場を支持するデータがさらに増えたが、「アクチニド仮説」(「仮説」とは決定的に証明されていないものであるという意味合い)という表現は、1950年代後半まで科学者によって活発に使用され続けた。[ 13 ] [ 14 ]
現在、プルトニウム超元素の同位体を製造する主な方法は2つあります。(1) 軽元素への中性子照射、 (2) 加速荷電粒子による照射。実用面では、原子炉を用いた中性子照射のみが相当量の合成アクチニドを製造できるため、最初の方法の方が重要ですが、比較的軽い元素に限定されます。2番目の方法の利点は、中性子照射では生成されないプルトニウムより重い元素や中性子欠損同位体が得られることです。[ 15 ]
1962年から1966年にかけて、米国では6回の地下核爆発を用いて超プルトニウム同位体を生成する試みが行われた。爆発生成物を研究するために、実験直後に爆発地域から少量の岩石サンプルが採取されたが、α崩壊の半減期が比較的長いと予測されていたにもかかわらず、質量数が257を超える同位体は検出されなかった。この非検出は、生成物の速度が大きいことによる自発的核分裂と、中性子放出や核分裂などの他の崩壊経路によるものと考えられた。[ 16 ]

ウランとトリウムは最初に発見されたアクチノイド元素である。ウランは1789年にドイツの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロートによってピッチブレンド鉱石から発見された。彼は8年前に発見された天王星にちなんでウランと名付けた[ 7 ] 。クラプロートは、ピッチブレンドを硝酸に溶解し、その溶液を水酸化ナトリウムで中和することで、黄色の化合物(おそらく二ウラン酸ナトリウム)を沈殿させることができた。彼は次に、得られた黄色の粉末を木炭で還元し、金属と間違えた黒色の物質を抽出した[ 17 ] 。 60年後、フランスの科学者ウジェーヌ・メルキオール・ペリゴは、それを酸化ウランであると特定した。彼はまた、四塩化ウランを金属カリウムで加熱することにより、最初の金属ウランのサンプルを単離した。[ 18 ]ウランの原子量は当時120と計算されていたが、ドミトリ・メンデレーエフは1872年に周期律を用いて240に修正した。この値は1882年にK.ツィンマーマンによって実験的に確認された。[ 19 ] [ 20 ]
酸化トリウムは、ノルウェーで発見された鉱物トリアナイトからフリードリヒ・ヴェーラーによって発見されました(1827年)。 [ 21 ] 1828年にイェンス・ヤコブ・ベルセリウスはこの物質をより詳細に特徴づけました。彼は四塩化トリウムをカリウムで還元することにより金属を分離し、北欧神話の雷と稲妻の神トールにちなんでトリウムと名付けました。[ 22 ] [ 23 ]同じ分離方法は後にペリゴによってウランにも使用されました。[ 7 ]
アクチニウムは、1899 年にマリー・キュリーの助手であったアンドレ=ルイ・ドゥビエルヌによって、ラジウムとポロニウムを取り除いた後に残ったピッチブレンドの廃棄物から発見されました。彼は (1899 年に) この物質をチタンに似ていると述べ、 ( 1900年に)トリウムに似ていると述べました。[ 25 ]しかし、ドゥビエルヌによるアクチニウムの発見は、1971 年[ 26 ]と 2000 年[ 27 ]に疑問視され、1904 年のドゥビエルヌの出版物が 1899 年~ 1900 年の以前の研究と矛盾していると主張しました。この見解では、代わりに、ランタンに似た挙動を示すエマニウムという放射性元素を発見したフリードリヒ・オスカー・ギーゼルの 1902 年の業績を評価対象としています。アクチニウムという名前は、古代ギリシャ語のακτίς、ακτίνος (aktis、aktinos)に由来し、ビームまたは光線を意味します。この金属は、自身の放射線ではなく、娘核種の放射線によって発見されました。[ 28 ] [ 29 ]アクチニウムとランタンは非常に似ており、存在量が少ないため、純粋なアクチニウムは 1950 年にのみ製造可能になりました。アクチニドという用語は、おそらく1937 年にヴィクトル・ゴールドシュミットによって導入されました。[ 30 ] [ 31 ]
プロトアクチニウムは、おそらく1900年にウィリアム・クルックスによって単離された。[ 32 ]最初に同定されたのは1913年で、カシミール・ファヤンスとオズワルド・ヘルムート・ゲーリングが238U崩壊系列の研究中に短寿命同位体234mPa(半減期1.17分)に遭遇した。彼らはこの新元素をブレビウム(ラテン語のbrevis、短いという意味)と名付けた。 [ 33 ] [ 34 ] 1918年、オーストリアのリーゼ・マイトナーとドイツのオットー・ハーン、イギリスのフレデリック・ソディとジョン・アーノルド・クランストンが率いる2つの科学者グループが、それぞれ独立して寿命がはるかに長い231 Paを発見したため、その名前はプロトアクチニウム(ギリシャ語のπρῶτος + ἀκτίς、「最初のビーム元素」を意味する)に変更された。1949年にプロトアクチニウムに短縮された。この元素は1960年までほとんど特徴づけられていなかったが、イギリスのアルフレッド・マドックとその同僚が、ウラン鉱石からウランを抽出した後に残った60トンの廃棄物から130グラムのプロトアクチニウムを分離した。[ 35 ]
ネプツニウム(ウランの名の由来となった天王星のすぐ外側の惑星、海王星にちなんで命名)は、 1940年にカリフォルニア州バークレーでエドウィン・マクミランとフィリップ・H・アベルソンによって発見された。[ 36 ]彼らはウランに低速中性子を照射することで、 239Np同位体(半減期2.4日)を生成した。[ 35 ]これは、人工的に生成された最初の超ウラン元素であった。[ 37 ]

超ウラン元素は自然界に大量には存在せず、一般的には原子炉を用いた核反応によって合成される。例えば、原子炉の中性子照射下では、ウラン238は部分的にプルトニウム239に変化する。
この合成反応は、フェルミとその共同研究者たちがハンフォード・サイトに設置された原子炉の設計に利用し、マンハッタン計画の核兵器や戦後のアメリカの核兵器庫のために大量のプルトニウム239を生産した。[ 38 ]
質量数が最も大きいアクチニドは、粒子加速器内でウラン、プルトニウム、キュリウム、カリホルニウムに窒素、酸素、炭素、ネオン、またはホウ素のイオンを照射することによって合成される。例えば、ノーベリウムはウラン238にネオン22を照射することによって生成された。
プルトニウム超元素の最初の同位体であるアメリシウム241とキュリウム242は、1944年にグレン・T・シーボーグ、ラルフ・A・ジェームズ、アルバート・ギオルソによって合成された。[ 39 ]キュリウム242は、プルトニウム239に32MeVのα粒子を照射することによって得られた。
アメリシウム241とキュリウム242の同位体も、原子炉でプルトニウムを照射することによって生成された。後者の元素は、ラジウムの発見と放射能の研究で知られるマリー・キュリーとその夫ピエールにちなんで名付けられた。[ 40 ]
キュリウム242にα粒子を照射すると、1950年にカリホルニウム245Cfの同位体が生成し、同様の手順で1949年にはアメリシウム241からバークリウム243が生成された。 [ 41 ]これらの新元素は、スウェーデンのイッテルビー村にちなんで名付けられたランタノイド同族元素テルビウムに倣い、カリフォルニア州バークレーにちなんで名付けられた。 [ 42 ]
1945年、BB Cunninghamはプルトニウムを超える元素の最初のバルク化学化合物、すなわち水酸化アメリシウムを得た。[ 43 ]数年の間に、ミリグラム量のアメリシウムとマイクログラム量のキュリウムが蓄積され、バークリウム[ 44 ] [ 45 ]とカリホルニウム[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]の同位体の製造が可能になった。これらの元素のかなりの量が1958年に製造され[ 49 ]、最初のカリホルニウム化合物(0.3μg のCfOCl)は1960年にBB CunninghamとJC Wallmannによって得られた。[ 50 ]
アインスタイニウムとフェルミウムは、1952年から1953年にかけて行われた「アイビー・マイク」核実験(1952年11月1日)の放射性降下物から発見された。この実験は、水素爆弾の最初の成功例である。爆発によって発生した大量の中性子束にウラン238が瞬時に曝されたことで、ウランの重同位体が生成され、それがベータ崩壊を繰り返してアインスタイニウム253やフェルミウム255などの核種に変化した。これらの新元素の発見と中性子捕獲に関する新たなデータは、冷戦の 緊張のため、当初は米軍の命令により1955年まで秘密にされていた。[ 8 ] [ 51 ]それにもかかわらず、バークレーのチームは、プルトニウム239への中性子照射によって、民間の手段でアインスタイニウムとフェルミウムを生成することに成功し、1954年にこの研究を発表したが、これらの元素について行われた最初の研究ではないという但し書きを付けていた。[ 52 ] [ 53 ]「アイビー・マイク」の研究は機密解除され、1955年に発表された。 [ 51 ]最初の重要な量(サブマイクログラム)のアインスタイニウムは、1961年にカニンガムとその同僚によって生成されたが、フェルミウムについてはまだ行われていない。[ 54 ]
メンデレビウムの最初の同位体である256 Md (半減期 87 分) は、アルバート・ギオルソ、グレン・T・シーボーグ、グレゴリー・ロバート・チョッピン、バーナード・G・ハーベイ、スタンレー・ジェラルド・トンプソンがバークレー放射線研究所の60 インチサイクロトロンで253 Es ターゲットにアルファ粒子を照射した際に合成されました。これは、原子を 1 つずつ合成された最初の元素の同位体でした。[ 55 ]
スウェーデン(1957年)とアメリカ(1958年)のグループによってノーベリウムの同位体を得ようとする試みが何度か行われたが、最初の信頼できる結果は、 1965年にゲオルギー・フリョロフのロシアのグループによって合成された256Noであり、これは1992年にIUPACによって認められた。フリョロフらは実験で、ウラン238にネオン22を照射した。[ 9 ]
1961年、ギオルソらは、ホウ素10イオンとホウ素11イオンでカリホルニウム(主にカリホルニウム252)を照射することにより、ローレンシウムの最初の同位体を得た。 [ 9 ]当時、この同位体の質量数は明確には確定されていなかった(おそらく258または259)。1965年、フリョロフらは243Amと18Oから256Lrを合成した。こうしてIUPACは、ドゥブナとバークレーの原子核物理学チームをローレンシウムの共同発見者として認めた。

アクチニウムには 34 種類の同位体と、その核種のいくつかの励起異性体状態が知られており、質量数は 203 から 236 の範囲です。[56] 225Ac、227Ac、228Acの3つの同位体は自然界で発見され、その他は実験室で生成されました。応用には 3 つの天然同位体のみが使用されています。アクチニウム 225 は放射性ネプツニウム系列のメンバーです。[ 59 ] 1947 年にウラン 233の崩壊生成物として初めて発見され、半減期 10 日の α 放出体です。アクチニウム 225 はアクチニウム 228 よりも入手しにくいですが、放射性トレーサー用途ではより有望です。[ 29 ]アクチニウム 227 (半減期 21.77 年) はすべてのウラン鉱石に存在しますが、少量です。ウラン1グラム(放射平衡状態)にはわずか2 × 10の−10グラムの227Ac。 [ 29 ] [ 56 ]アクチニウム228は、 228Raの崩壊によって生成される放射性トリウム系列のメンバーです。 [ 59 ]半減期6.15時間のβ−放出体です。1トンのトリウムには5 × 10−8グラムの228Ac。1906年にオットー・ハーンによって発見された。 [ 29 ]
トリウムには質量数207から238までの既知の同位体が32種類あります。[ 56 ]これらのうち、最も寿命が長いのは232Thで、その半減期は1.4 × 10 10 年ということは、それがまだ原始核種として自然界に存在していることを意味します。次に寿命が長いのは230 Th で、これは238 Uの中間崩壊生成物であり、半減期は 75,400 年です。他のいくつかのトリウム同位体は半減期が 1 日を超えており、これらはすべて232 Th、235 U、および238 Uの崩壊系列の中間体でもあります。
質量数 211~239のプロトアクチニウム同位体は29 種類知られており[ 56 ]、励起異性体状態は3 つあります。自然界で発見されているのは231 Paと234 Paのみです。プロトアクチニウム 231 (半減期 32,760 年) を除いて、すべての同位体の寿命は短いです。最も重要な同位体は231 Pa と233 Paで、 233 Paはウラン 233 を得るための中間生成物であり、プロトアクチニウムの人工同位体の中で最も入手しやすいものです。233 Pa は都合の良い半減期とγ 線エネルギーを持ち、プロトアクチニウム化学のほとんどの研究で使用されています。プロトアクチニウム 233 はβ 線放出核種で、半減期は 26.97 日です。[ 56 ] [ 60 ]
ウランには質量数215~242(220を除く)の既知の同位体が27種類存在する。[57] そのうち234U、235U、238Uの3種類は自然界にかなりの量で存在する。中でも最も重要なのは233Uで、これは低速中性子照射を受けた232Thの最終生成物である。233Uは、例えば235Uと比較して、低エネルギー(熱)中性子による核分裂効率がはるかに高い。ウラン化学の研究のほとんどは、半減期が4.4 × 10⁶と長い238Uを対象に行われた。9年。 [ 61 ]
ネプツニウムには質量数219~244の同位体が25種類存在する(221を除く)。 [ 57 ]これらはすべて強い放射能を持つ。科学者の間で最もよく知られているのは、半減期が長い237Np(半減期 = 2.20 × 10⁻¹⁰)である。半減期が約6年の239Np、半減期が約2日の238Npなどがある。 [ 37 ]
プルトニウムには質量数227~247の同位体が21種類知られている。[ 57 ]プルトニウムの最も安定な同位体は244Puで、半減期は8.13 × 10⁻⁶である。7年。 [ 56 ]
アメリシウムの同位体は質量数229から247までの18種類が知られています(231を除く)。[ 57 ]最も重要なのは241Amと243Amで、これらはアルファ線放出体であり、軟らかいが強いγ線も放出します。どちらも同位体的に純粋な形で得ることができます。アメリシウムの化学的性質は最初に241Amで研究されましたが、後に放射能が約20分の1の243Amに移行しました。243Amの欠点は、短寿命の娘同位体239Npが生成されることであり、これはデータ解析で考慮する必要があります。[ 62 ]
質量数233から251までの19種類のキュリウム同位体[ 57 ]のうち、最も入手しやすいのは242Cmと244Cmです。これらはα線放出核種ですが、アメリシウム同位体よりも半減期がはるかに短いです。これらの同位体はγ線をほとんど放出しませんが、自発核分裂を起こし、中性子を放出します。より長寿命のキュリウム同位体(245~248Cm、すべてα線放出核種)は、プルトニウムまたはアメリシウムの中性子照射中に混合物として生成されます。短時間の照射では、この混合物は246Cmが主体となり、その後248Cmが蓄積し始めます。これらの同位体、特に248Cmは、より長い半減期(3.48 × 10⁻⁶)を持っています。247 Cmは、 242 Cmや244 Cmよりも化学研究を行う上でずっと便利ですが、自発核分裂率もかなり高いです。247 Cmは、キュリウムの同位体の中で最も長い寿命(1.56 × 10⁻⁵年)を持っています。7年)であるが、熱中性子によって誘発される強い核分裂のため、大量には生成されない。
バークリウムの同位体は質量数233、234、236、238、240~252の17種類が確認されている。 [ 57 ] 249Bkのみが大量に入手可能である。249Bkは半減期が330日と比較的短く、主にソフトβ粒子を放出するため、検出が困難である。アルファ線はかなり弱い(1.45 × 10⁻⁶) 。β線に対して-3 %)ですが、この同位体を検出するために使用されることがあります。247 Bkは半減期が1,380年の長いアルファ線放出体ですが、かなりの量を得ることは困難です。質量数が248未満のキュリウム同位体のβ崩壊は知られていないため、プルトニウムの中性子照射では生成されません。 [ 62 ]( 247 Cmは実際にはβ崩壊して247 Bkになりエネルギーを放出しますが、これはこれまで観測されていません。)
質量数237~256の20種類のカリホルニウム同位体は原子炉で生成されます。[ 57 ]カリホルニウム253はβ線放出体であり、残りはα線放出体です。偶数質量数の同位体(250 Cf、252 Cf、254 Cf)は自発核分裂率が高く、特に254 Cfは99.7%が自発核分裂によって崩壊します。カリホルニウム249は半減期が比較的長く(352年)、自発核分裂が弱く、γ線放出が強いため識別が容易です。249 Cf は、親同位体249 Bkの β 崩壊が遅く、中性子との相互作用断面積が大きいため、原子炉内で大量には生成されませんが、(事前に選択された) 249 Bk の β 崩壊生成物として同位体的に純粋な形で蓄積される可能性があります。プルトニウムの原子炉照射によって生成されるカリホルニウムは、主に250 Cf と252 Cf から構成され、後者は大きな中性子フルエンスで優勢であり、その研究は強い中性子放射線によって妨げられています。[ 63 ]
質量数が 240 から 257 までの既知の 18 個のアインスタイニウム同位体のうち、 [ 57 ]最も入手しやすいのは253 Es です。これは、半減期 20.47 日の α 放出体であり、カリホルニウムの同位体と比較して γ 放出は比較的弱く、自発核分裂率も小さいです。長時間のニュートロン照射により、長寿命同位体254 Es (t 1/2 = 275.5 日) も生成されます。[ 63 ]
フェルミウムには質量数241~260の同位体が20種類知られています。254Fm 、 255Fm 、256Fmは半減期が短い(数時間)α線放出核種で、かなりの量を分離することができます。257Fm (半減期100日)は、長時間の強い照射によって蓄積される可能性があります。これらの同位体はすべて、自発核分裂率が高いという特徴があります。[ 63 ] [ 65 ]
メンデレビウムの既知の同位体 17 種(質量数 244 ~ 260) のうち、[ 57 ]最も研究されているのは256 Md で、これは主に電子捕獲 (α 線は約 10%) によって崩壊し、半減期は 77 分です。別のアルファ線放出核種である258 Md の半減期は 53 日です。これらの同位体はどちらも希少なアインスタイニウム (それぞれ253 Es と255 Es) から生成されるため、その入手可能性が制限されます。[ 56 ]
ノーベリウムの長寿命同位体とローレンシウム(およびより重い元素)の同位体は、半減期が比較的短い。ノーベリウムについては、質量数249~260および262の13の同位体が知られている。ノーベリウムとローレンシウムの化学的性質は、255 No(半減期 3 分)と256 Lr(半減 期35 秒)を用いて研究された。最も長寿命のノーベリウム同位体である259 Noの半減期は約1時間である。[ 56 ]ローレンシウムには、質量数251~262、264、および266の14の同位体が知られている。その中で最も安定なのは、半減期が11時間の266 Lrである。
これらの同位体の中で、微量以上の量で自然界に存在し、アクチニドの原子量に測定可能な寄与を持つのは、原始的な232 Th、235 U、および238 U、ならびに天然ウランの 3 つの長寿命崩壊生成物である230 Th、231 Pa、および234 U だけです。天然トリウムは 0.02(2)% の230 Th と 99.98(2)% の232 Th から構成され、天然プロトアクチニウムは 100% 231 Pa から構成され、天然ウランは 0.0054(5)% の234 U、0.7204(6) % の 235 U、および 99.2742(10)% の 238 U から構成されます。[ 66 ]

アクチニドの図は、横軸に中性子の数(同位体)、縦軸に陽子の数(元素)をとった核種の表です。赤い点は核種を 2 つのグループに分け、図をよりコンパクトにしています。各核種は、元素の質量数と半減期が記された正方形で表されます。[ 67 ]天然に存在するアクチニド同位体(Th、U)は太い枠で囲まれ、アルファ線放出核種は黄色、ベータ線放出核種は青色で示されています。ピンクは電子捕獲(236 Np)を示し、白は長期間続く準安定状態(242 Am)を表します。
アクチニド核種の形成は主に以下の特徴を持つ:[ 68 ]
これらの中性子またはガンマ線誘起核反応に加えて、アクチニド核種の放射性転換も原子炉内の核種インベントリに影響を与えます。これらの崩壊タイプは、図中で斜めの矢印で示されています。左上向きの矢印で示されているベータマイナス崩壊は、核種の粒子密度のバランスにおいて重要な役割を果たします。陽電子放出(ベータプラス崩壊)または電子捕獲(ε)によって崩壊する核種は、ノックアウト反応の生成物としてを除いて原子炉内では発生しません。これらの崩壊は右下向きの矢印で示されています。これらの核種の半減期が長いため、原子炉炉心における核燃料の滞留時間はかなり短い(数年)ため、アルファ崩壊は発電用原子炉におけるアクチニドの生成と崩壊にほとんど影響を与えません。例外は、比較的寿命の短い2つの核種、242 Cm (半減期 = 163 日) と236 Pu (半減期 = 2.9 年) です。この 2 つの場合のみ、核種マップ上で α 崩壊は左下を指す長い矢印で示されます。244 Pu や250 Cm などの寿命の長いアクチニド同位体は、中性子捕獲が短寿命のベータ崩壊核種243 Pu や249 Cmを迂回するほど速く起こらないため、原子炉では生成できません。しかし、中性子束がはるかに高い核爆発では生成できます。

トリウムとウランは、それぞれ質量濃度が16 ppmと4 ppmで、自然界で最も豊富なアクチニド元素です。 [ 69 ]ウランは主に地殻中に、ウラン鉱と呼ばれる鉱物中の酸化物の混合物として存在します。ウラン鉱は黒色であることからピッチブレンドとも呼ばれます。カルノー石(KUO 2 VO 4 ·3H 2 O)やオートナイト(Ca(UO 2 ) 2 (PO 4 ) 2 ·nH 2 O)など、他にも数十種類のウラン鉱物があります。天然ウランの同位体組成は、 238 U(相対存在比99.2742%)、235 U(0.7204%)、234 U(0.0054%)です。これらのうち、238 Uの半減期は4.51 × 10⁻⁶と最も長くなっています。9年。 [ 70 ] [ 71 ] 2009年の世界のウラン生産量は50,572トンで、そのうち27.3%がカザフスタンで採掘された。その他の重要なウラン採掘国は、カナダ(20.1%)、オーストラリア(15.7%)、ナミビア(9.1%)、ロシア(7.0%)、ニジェール(6.4%)である。 [ 72 ]
最も豊富なトリウム鉱物は、トリアナイト(ThO 2)、トライト(ThSiO 4)、モナザイト((Th,Ca,Ce)PO 4 )です。ほとんどのトリウム鉱物はウランを含み、またウラン鉱物はトリウム鉱物を含んでいます。そして、それらはすべてランタニドをかなりの割合で含んでいます。トリウム鉱物の豊富な鉱床は、米国(440,000トン)、オーストラリアとインド(それぞれ約300,000トン)、カナダ(約100,000トン)にあります。[ 74 ]
地殻中のアクチニウムの存在量はわずか約 5 × 10です−15 %。 [ 60 ]アクチニウムは主にウラン含有鉱物中に存在しますが、他の鉱物中にも存在しますが、その量ははるかに少ないです。ほとんどの天然物中のアクチニウム含有量は、親同位体235 U の同位体平衡に対応しており、弱い Ac 移動の影響を受けません。 [ 29 ]プロトアクチニウムは、アクチニウムよりも地殻中に豊富に存在します (10 −12 %)。これは 1913 年に Fajans と Göhring によってウラン鉱石中で発見されました。 [ 33 ]アクチニウムと同様に、プロトアクチニウムの分布は235 Uの分布に従います。 [ 60 ]
ネプツニウムの最も寿命の長い同位体である237Npの半減期は、地球の年齢に比べて無視できるほど短い。したがって、ネプツニウムは他の同位体の崩壊中間生成物として生成されるごくわずかな量しか自然界に存在しない。[ 37 ]ウラン鉱物中のプルトニウムの痕跡は1942年に初めて発見され、 239Puに関するより体系的な結果は表にまとめられている(これらのサンプルでは他のプルトニウム同位体は検出されなかった)。プルトニウムの最も寿命の長い同位体である244Puの存在量の上限は3 × 10である。−20 %。月の土壌サンプルからはプルトニウムは検出されなかった。自然界でのプルトニウムの希少性のため、ほとんどのプルトニウムは合成的に生産されている。 [ 73 ]

アクチニドの存在量が少ないため、その抽出は複雑な多段階プロセスです。アクチニドのフッ化物は水に不溶性で酸化還元反応で容易に分離できるため、通常はこれらが使用されます。フッ化物はカルシウム、マグネシウム、またはバリウムで還元されます。[ 75 ]
アクチノイド元素の中で、トリウムとウランは最も容易に分離できる。トリウムは主にモナザイトから抽出される。ピロリン酸トリウム(ThP 2 O 7 )を硝酸と反応させ、生成した硝酸トリウムをリン酸トリブチルで処理する。希土類不純物は硫酸塩溶液のpHを上げることで分離される。 [ 75 ]
別の抽出方法では、モナザイトを140 °C で45%水酸化ナトリウム水溶液で分解します 。混合金属水酸化物を最初に抽出し、80 °C でろ過し、水で洗浄し、濃塩酸で溶解します。次に、酸性溶液を水酸化物で中和して pH = 5.8 にすると、約 3% の希土類水酸化物が混入した水酸化トリウム(Th(OH) 4 ) が沈殿します。残りの希土類水酸化物は溶液中に残ります。水酸化トリウムを無機酸に溶解し、希土類元素から精製します。効率的な方法は、硝酸に水酸化トリウムを溶解することです。なぜなら、得られた溶液を有機溶媒で抽出して精製できるからです。 [ 75 ]

金属トリウムは、不活性雰囲気中でカルシウムと反応させることにより、無水酸化物、塩化物、またはフッ化物から分離されます。 [ 77 ]
トリウムは、黒鉛るつぼ中で700~800℃の塩化ナトリウムと塩化カリウムの混合物中のフッ化物を電気分解することによって抽出されることがある。高純度のトリウムは、結晶棒法によってヨウ化物から抽出することができる。[ 78 ]
ウランはさまざまな方法で鉱石から抽出されます。ある方法では、鉱石を燃焼させてから硝酸と反応させてウランを溶解状態にします。この溶液を灯油中のトリブチルリン酸(TBP)溶液で処理すると、ウランは有機形態のUO₂(NO₃)₂(TBP)₂に変化します。不溶性の不純物をろ過し、ウランは水酸化物との反応によって(NH₄)₂U₂O₇として、または過酸化水素との反応によってUO₄・2H₂Oとして抽出されます。[ 75 ]
ウラン鉱石にドロマイトやマグネサイトなどの鉱物が豊富に含まれている場合、これらの鉱物は多量の酸を消費します。この場合、ウラン抽出には炭酸塩法が用いられます。この方法の主成分は炭酸ナトリウム水溶液であり、ウランを錯体[UO₂(CO₃)₃]⁴⁻に変換します。この錯体は、水酸化物イオン濃度が低い水溶液中で安定です。炭酸ナトリウム法の利点は、使用する化学物質の腐食性が低いこと(硝酸塩と比較して)、およびほとんどの非ウラン金属が溶液から沈殿することです。欠点は、四価ウラン化合物も沈殿することです。したがって、ウラン鉱石は高温かつ酸素圧下で炭酸ナトリウム処理されます。
この式は、炭酸ウラニル処理に最適な溶媒は炭酸塩と重炭酸塩の混合物であることを示唆している。高pHでは、これにより二ウラン酸塩が沈殿し、ニッケルの存在下で水素処理すると不溶性の四炭酸ウランが得られる。[ 75 ]
別の分離方法として、高分子樹脂を高分子電解質として用いる方法がある。樹脂中のイオン交換プロセスによってウランが分離される。樹脂からウランを硝酸アンモニウムまたは硝酸の溶液で洗浄し、硝酸ウラニル(UO₂ ( NO₃ ) ₂・6H₂O )を得る。これを加熱するとUO₃に変化し、水素と反応させることでUO₂に変換される。
二酸化ウランをフッ化水素酸と反応させると四フッ化ウランに変化し、それがマグネシウム金属と反応するとウラン金属が生成する。[ 77 ]
プルトニウムを抽出するには、中性子照射されたウランを硝酸に溶解し、得られた溶液に還元剤(FeSO₄またはH₂O₂ )を加える。この添加により、プルトニウムの酸化状態は+6から+4に変化するが、ウランは硝酸ウラニル( UO₂ (NO₃ ) ₂ )の形で残る。溶液を還元剤で処理し、炭酸アンモニウムでpH=8に中和すると、 Pu⁴⁺化合物が沈殿する。[ 75 ]
別の方法として、まずリン酸トリブチルでPu 4+とUO 2+ 2を抽出し、次にヒドラジンと反応させて回収したプルトニウムを洗い流す方法がある。[ 75 ]
アクチニウムの分離における主な困難は、その性質がランタンの性質と類似していることである。そのため、アクチニウムはラジウムの同位体からの核反応で合成されるか、イオン交換法を用いて分離される。[ 29 ]
アクチニドはランタニドと同様の性質を持つ。ランタニドでは4f電子殻が満たされているのと同様に、アクチニドでは5f電子殻が満たされている。5f、6d、7s、7p殻はエネルギーが近いため、多くの不規則な配置が生じる。したがって、気相原子では、最初の4f電子がセリウムにのみ現れるのと同様に、最初の5f電子はさらに遅れてプロトアクチニウムに現れる。しかし、ランタンが化合物で4f殻を使用する最初の元素であるのと同様に[ 79 ]、アクチニウムは化合物で5f殻を使用する最初の元素である[ 80 ] 。f殻はイッテルビウムとノーベリウムで同時に満たされる。[ 81 ]アクチニドの 5f 殻が満たされるという最初の実験的証拠は、1940 年に McMillan と Abelson によって得られました。[ 82 ]ランタニドと同様に (ランタニド収縮を参照)、アクチニドのイオン半径は原子番号とともに単調に減少します (アクチノイド収縮も参照)。[ 83 ]
気相における電子配置の変化は、必ずしも化学的挙動と一致するとは限らない。例えば、すべての価電子の除去に対応する最高酸化状態の初期遷移金属のような顕著さは、5f殻がそれ以前に満たされ始めるにもかかわらず、ウランまで続く。一方、ランタノイド同族元素に似た電子配置はプルトニウムですでに始まっているが、ランタノイドのような挙動が支配的になるのは、系列の後半がキュリウムから始まるまでではない。ウランとキュリウムの間の元素は、これら2種類の挙動の中間の遷移を形成し、より高い酸化状態は存在し続けるが、+3状態に対する安定性を失う。[ 81 ] +2状態は系列の終わりに近づくにつれてより重要になり、最後の5f元素であるノーベリウムにとって最も安定な酸化状態である。[ 81 ]酸化状態はノーベリウムの後で再び上昇し、新しい 6d 遷移金属の系列が始まったことを示しています。ローレンシウムは+3 の酸化状態のみを示し、ラザフォードウムは+4 の状態のみを示し、それぞれ 5d 周期のルテチウムとハフニウムの同族元素となります。[ 81 ]


アクチニドは典型的な金属です。それらはすべて柔らかく、銀色をしています(ただし空気中で変色します)[ 89 ] 、比較的高い密度と可塑性があります。ナイフで切断できるものもあります。電気抵抗率は15 ~ 150 μΩ·cm の範囲で変化します。[ 84 ]トリウムの硬度は軟鋼に似ているため、加熱した純粋なトリウムはシート状に圧延してワイヤーにすることができます。トリウムはウランとプルトニウムのほぼ半分の密度ですが、どちらよりも硬いです。すべてのアクチニドは放射性で常磁性であり、アクチニウムを除いて、いくつかの結晶相があります。プルトニウムには 7 つ、ウラン、ネプツニウム、カリホルニウムには 3 つの結晶相があります。プロトアクチニウム、ウラン、ネプツニウム、プルトニウムの結晶構造は、ランタニドには明確な類似物がなく、3 d遷移金属の結晶構造に似ています。[ 71 ]
すべてのアクチニドは自然発火性があり、特に微粉末状になると、室温で空気と反応して自然発火します。[ 89 ] [ 90 ]アクチニドの融点は、f電子の数に明確な依存性はありません。ネプツニウムとプルトニウムの異常に低い融点(約640 ℃)は、これらの金属における5f軌道と6d軌道の混成と方向性結合の形成によって説明されます。[ 71 ]
ランタニドと同様に、すべてのアクチニドはハロゲンやカルコゲンと非常に反応性が高いが、アクチニドの方が反応しやすい。アクチニド、特に5f電子の数が少ないものは混成を起こしやすい。これは、 5f、7s 、 6d殻の電子エネルギーが似ていることで説明される。ほとんどのアクチニドはより多様な価数状態を示し、最も安定な価数はウランでは+6、プロトアクチニウムとネプツニウムでは+5、トリウムとプルトニウムでは+4、アクチニウムと他のアクチニドでは+3である。[ 92 ]
アクチニウムは化学的にランタンと類似しており、これはイオン半径と電子構造が似ていることから説明できます。ランタンと同様に、アクチニウムは化合物中でほぼ常に+3の酸化状態をとりますが、反応性が低く、より顕著な塩基性を示します。他の三価アクチニドの中で、Ac 3+は最も酸性が弱く、つまり水溶液中で加水分解する傾向が最も弱いです。[ 29 ] [ 71 ]
トリウムは化学的にかなり活性が高い。6 d軌道と 5 f軌道に電子がないため、4 価のトリウム化合物は無色である。pH < 3 では、トリウム塩溶液はカチオン [Th(H 2 O) 8 ] 4+が主成分である。Th 4+イオンは比較的大きく、配位数に応じて半径が 0.95 ~ 1.14 Å になる。その結果、トリウム塩は加水分解する傾向が弱い。トリウム塩の際立った特徴は、水と極性有機溶媒の両方に高い溶解度があることである。[ 71 ]
プロトアクチニウムは2つの価数状態を示します。+5は安定で、+4の状態は容易に酸化されてプロトアクチニウム(V)になります。したがって、溶液中の4価プロトアクチニウムは、水素雰囲気中で強力な還元剤を作用させることによって得られます。4価プロトアクチニウムは化学的にウラン(IV)およびトリウム(IV)に類似しています。プロトアクチニウム(IV)のフッ化物、リン酸塩、次亜リン酸塩、ヨウ素酸塩、およびフェニルアルソン酸塩は、水および希酸に不溶です。プロトアクチニウムは可溶性の炭酸塩を形成します。5価プロトアクチニウムの加水分解特性は、タンタル(V)およびニオブ(V)の加水分解特性に近いです。プロトアクチニウムの複雑な化学的挙動は、この元素の5f殻の充填の開始の結果です。[ 60 ]
ウランの価数は3から6までで、最後の6が最も安定です。六価の状態では、ウランは第6族元素と非常によく似ています。ウラン(IV)とウラン(VI)の多くの化合物は非化学量論的、つまり組成が可変です。たとえば、二酸化ウランの実際の化学式はUO 2+xで、xは-0.4から0.32の間で変化します。ウラン(VI)化合物は弱い酸化剤です。それらのほとんどは直線状の「ウラニル」基UO 2+ 2を含んでいます。4~6個のリガンドがウラニル基に垂直な赤道面に収容できます。ウラニル基は硬い酸として働き、窒素ドナーリガンドよりも酸素ドナーリガンドとより強い錯体を形成します。NpO 2+ 2とPuO 2+ 2は、 +6酸化状態のNpとPuの一般的な形態でもあります。ウラン(IV)化合物は還元性を示し、例えば大気中の酸素によって容易に酸化される。ウラン(III)は非常に強い還元剤である。d殻の存在により、ウラン(および他の多くのアクチノイド)は、U III (C 5 H 5 ) 3やU IV (C 5 H 5 ) 4などの有機金属化合物を形成する。[ 71 ] [ 93 ]
ネプツニウムは3から7までの価数状態を持ち、これらは溶液中で同時に観察される。溶液中で最も安定な状態は+5であるが、固体ネプツニウム化合物では+4の価数が好まれる。ネプツニウム金属は非常に反応性が高い。ネプツニウムのイオンは加水分解や配位化合物の形成を起こしやすい。[ 37 ]
プルトニウムは3から7までの価数状態を示し、化学的にはネプツニウムやウランと類似している。反応性が非常に高く、空気中ではすぐに酸化膜を形成する。プルトニウムは25~50 ℃という低温でも水素と反応し、ハロゲン化物や金属間化合物も容易に形成する。異なる酸化状態のプルトニウムイオンの加水分解反応は非常に多様である。プルトニウム(V)は重合反応を起こすことができる。[ 94 ] [ 95 ]
アクチニドの中で最も化学的に多様なのはアメリシウムで、その価数は2から6までである。2価のアメリシウムは乾燥化合物と非水溶液(アセトニトリル)でのみ得られる。+3、+5、+6の酸化状態は水溶液で典型的であるが、固体状態でも同様である。4価のアメリシウムは安定な固体化合物(二酸化ケイ素、フッ化物、水酸化物)を形成するほか、水溶液中で錯体を形成する。アルカリ溶液中ではアメリシウムが7価に酸化される可能性があると報告されていたが、このデータは誤りであることが判明した。アメリシウムの最も安定な価数は、水溶液中では3、固体化合物中では3または4である。[ 96 ]
価数 3 は、ローレンシウムまでのすべての後続元素で支配的です (ノーベリウムを除く)。キュリウムは固体 (フッ化物、二酸化物) で四価になることがあります。バークリウムは、+3 の価数に加えて、キュリウムよりも安定な +4 の価数も示します。価数 4 は固体のフッ化物と二酸化物で観察されます。水溶液中のBk 4+の安定性はCe 4+の安定性に近いです。[ 97 ]カリホルニウム、アインスタイニウム、フェルミウムでは、価数 3 のみが観察されました。メンデレビウムとノーベリウムでは二価状態が証明されており、ノーベリウムでは三価状態よりも安定しています。ローレンシウムは、溶液と固体の両方で価数 3 を示します。[ 96 ]
酸化還元電位ウランでは −0.32 V から始まり、0.34 V (Np)、1.04 V (Pu) を経てアメリシウムでは 1.34 V に増加し、アメリシウムからウランにかけてAn 4+イオンの還元能力が増加することを示している。すべてのアクチニドは、塩のような性質を持つ黒色のAnH 3水素化物を形成する。アクチニドはまた、一般式 AnC または AnC 2 (ウランの場合はU 2 C 3 ) の炭化物、および硫化物 An 2 S 3と AnS 2を生成する。[ 92 ]
アクチニドの中には、An 2 O 3、AnO 2、An 2 O 5、AnO 3などの酸化物形態で存在するものがある。すべてのアクチニドにおいて、酸化物 AnO 3は両性であり、 An 2 O 3、AnO 2、An 2 O 5は塩基性であり、水と容易に反応して塩基を形成する。[ 92 ]
これらの塩基は水に溶けにくく、その活性は希土類金属の水酸化物に近い。 [ 92 ] Np(OH) 3はまだ合成されておらず、Pu(OH) 3は青色、Am(OH) 3はピンク色、Cm(OH) 3は無色である。[ 104 ] Bk(OH) 3とCf(OH) 3も知られており、Np、Pu、Amの4価水酸化物とNpとAmの5価水酸化物も知られている。[ 104 ]
最も強い塩基はアクチニウムです。アクチニウムの化合物はすべて無色ですが、黒色の硫化アクチニウム(Ac 2 S 3)は例外です。[ 92 ] 4価アクチニドの二酸化物は、フッ化カルシウムと同様に立方晶系で結晶化します。
トリウムは酸素と反応して、二酸化トリウムのみを生成する。
二酸化トリウムは、既知の酸化物の中で最も高い融点(3390 °C)を持つ耐火性物質です。[ 102 ]タングステンに0.8~1% の ThO 2を添加すると、その構造が安定化し、ドープされたフィラメントは振動に対する機械的安定性が向上します。ThO 2 を酸に溶解するには、500~600 °Cに加熱します。600 °C 以上に加熱すると、酸やその他の試薬に対して非常に耐性のあるThO 2の形態が生成されます。少量のフッ化物イオンを添加すると、二酸化トリウムの酸への溶解が触媒されます。
2種類のプロトアクチニウム酸化物、PaO 2(黒色)とPa 2 O 5 (白色)が得られました。前者はThO 2と同形であり、後者はより容易に得られます。どちらの酸化物も塩基性であり、Pa(OH) 5は弱く溶解度の低い塩基です。[ 92 ]
例えば、UO 2 (NO 3 )·6H 2 O のような特定のウラン塩を 400 °Cの空気中で分解すると、オレンジ色または黄色の UO 3が生成する。[ 102 ]この酸化物は両性であり、いくつかの水酸化物を形成するが、最も安定なのは水酸化ウラニルUO 2 (OH) 2である。ウラン(VI) 酸化物と水素の反応により、ThO 2と性質が似ている二酸化ウランが生成する。この酸化物も塩基性であり、水酸化ウラン U(OH) 4に相当する。[ 92 ]
プルトニウム、ネプツニウム、アメリシウムは、An 2 O 3と AnO 2という 2 つの基本的な酸化物を形成します。三酸化ネプツニウムは不安定であるため、これまでに Np 3 O 8しか得られていません。しかし、化学式 AnO 2と An 2 O 3で表されるプルトニウムとネプツニウムの酸化物はよく特徴付けられています。[ 92 ]

アクチニドはハロゲンと容易に反応し、式 MX 3および MX 4 (X =ハロゲン) の塩を形成します。そのため、最初のバークリウム化合物であるBkCl 3は 1962 年に 3 ナノグラムの量で合成されました。希土類元素のハロゲンと同様に、アクチニドの塩化物、臭化物、およびヨウ化物は水溶性であり、フッ化物は不溶性です。ウランは容易に無色の六フッ化物を生成し、これは56.5 °C の温度で昇華します。揮発性のため、ガス遠心分離またはガス拡散 によるウラン同位体の分離に使用されます。アクチニド六フッ化物は無水物に近い性質を持っています。これらは水分に非常に敏感で、加水分解して AnO 2 F 2を生成します。[ 108 ]ウランの五塩化物と黒色六塩化物は合成されましたが、どちらも不安定です。[ 92 ]
アクチニドに酸を作用させると塩が生成され、その酸が非酸化性であれば、塩中のアクチニドは低原子価状態となる。
しかし、これらの反応では、再生された水素が金属と反応して、対応する水素化物を形成する可能性があります。ウランはトリウムよりも酸や水とずっと容易に反応します。[ 92 ]
アクチニド塩は、対応する水酸化物を酸に溶解することによっても得られます。アクチニドの硝酸塩、塩化物、硫酸塩、過塩素酸塩は水溶性です。水溶液から結晶化すると、これらの塩はTh(NO 3 ) 4 ·6H 2 O、Th(SO 4 ) 2 ·9H 2 O、Pu 2 (SO 4 ) 3 ·7H 2 Oなどの水和物を形成します。高原子価アクチニドの塩は容易に加水分解します。そのため、無色のトリウムの硫酸塩、塩化物、過塩素酸塩、硝酸塩は、Th(OH) 2 SO 4およびTh(OH) 3 NO 3の式で表される塩基性塩に変化します。三価および四価アクチニドの溶解度と不溶性は、ランタニド塩と同様です。そのため、アクチニドのリン酸塩、フッ化物、シュウ酸塩、ヨウ素酸塩、炭酸塩は水に弱く溶け、ThF 4 ·3H 2 OやTh(CrO 4 ) 2 ·3H 2 Oなどの水和物として沈殿します。[ 92 ]
酸化状態が +6 のアクチニドは、AnO 2 2+型の陽イオンを除いて、[AnO 4 ] 2−、[An 2 O 7 ] 2−およびその他の複雑な陰イオンを形成します。たとえば、ウラン、ネプツニウム、プルトニウムは、Na 2 UO 4 (ウラン酸塩) および (NH 4 ) 2 U 2 O 7 (二ウラン酸塩) 型の塩を形成します。ランタニドと比較すると、アクチニドは配位化合物をより容易に形成し、この能力はアクチニドの価数とともに増加します。三価のアクチニドはフッ化物配位化合物を形成しませんが、四価のトリウムは K 2 ThF 6、KThF 5、さらには K 5 ThF 9錯体を形成します。トリウムはまた、対応する硫酸塩(たとえば Na 2 SO 4 ·Th(SO 4 ) 2 ·5H 2 O)、硝酸塩、チオシアン酸塩を形成します。一般式 An 2 Th(NO 3 ) 6 · n H 2 O で表される塩は配位性であり、トリウムの配位数は12 である。さらに簡単に五価および六価のアクチニドの錯塩を生成できる。アクチニドの最も安定な配位化合物である四価のトリウムとウランは、ジケトン、例えばアセチルアセトンとの反応で得られる。[ 92 ]

アクチニドには、煙探知機(アメリシウム)[ 109 ] [ 110 ]やガスマントル(トリウム)[ 77 ]など、日常生活で確立された用途がいくつかありますが、主に核兵器や原子炉の燃料として使用されています。[ 77 ]後者の2つの分野では、アクチニドが核反応で膨大なエネルギーを放出する性質を利用しており、特定の条件下では自己持続的な連鎖反応になる可能性があります。

原子力発電用途で最も重要な同位体はウラン235です。これは熱中性子炉で使用され、天然ウラン中の濃度は0.72%を超えません。この同位体は熱中性子を強く吸収し、 多くのエネルギーを放出します。1グラムの235Uの1回の核分裂で、約1MW・日のエネルギーに変換されます。重要なのは、23592Uは吸収する中性子よりも多くの中性子を放出することです。[ 111 ]臨界量に達すると、23592Uは自己持続的な連鎖反応に入ります。[ 71 ]通常、ウラン原子核は2~3個の中性子を放出して2つの断片に分裂します。例:
原子力発電において有望なアクチニド同位体としては、トリウム232と、トリウム燃料サイクルから得られる生成物であるウラン233が挙げられる。
ウランの核分裂時に放出される中性子は、核連鎖反応を維持するだけでなく、より重いアクチニドの合成にも重要である。ウラン239はβ崩壊によってプルトニウム239に変換され、プルトニウム239はウラン235と同様に自発核分裂を起こすことができる。世界初の原子炉は、エネルギー生産のためではなく、核兵器用のプルトニウム239を生産するために建設された。
生産されたトリウムの約半分は、ガスマントルの発光材料として使用されています。[ 77 ]トリウムはマグネシウムと亜鉛の多成分合金にも添加されます。Mg-Th合金は軽量で強度が高く、融点と延性も高いため、航空産業やミサイルの製造に広く使用されています。トリウムは電子放出特性も優れており、寿命が長く、放出のポテンシャル障壁が低いです。[ 111 ]トリウムとウランの同位体の相対含有量は、星を含むさまざまな天体の年齢を推定するために広く使用されています(放射年代測定を参照)。[ 114 ]
プルトニウムの主な用途は核兵器であり、同位体プルトニウム239は核分裂しやすく入手しやすいことから重要な構成要素となっている。プルトニウムをベースとした設計では、臨界質量をウラン235の約3分の1にまで減らすことができる。[ 115 ]マンハッタン計画で製造された「ファットマン」型プルトニウム爆弾は、プルトニウムを爆発的に圧縮して通常よりはるかに高い密度を得るとともに、中央の中性子源を用いて反応を開始させ、効率を高めた。そのため、わずか6.2kgのプルトニウムでTNT換算20キロトンの爆発力を得ることができた。[ 116 ] (核兵器設計も参照。)理論的には、非常に高度な組み立て設計を用いれば、わずか4kgのプルトニウム、あるいはそれ以下の量で原子爆弾1個を製造できる可能性がある。[ 117 ]
プルトニウム238は、ウラン235よりも臨界質量が小さいため、原子炉にとって潜在的に効率的な同位体ですが、制御棒によって核分裂連鎖反応が停止された後も、崩壊によって大量の熱エネルギー(0.56 W/g)[ 110 ] [ 118 ]を放出し続けます。その用途は、高価格(約1000米ドル/g)によって制限されています。この同位体は、一部の宇宙衛星や宇宙ステーションの熱電対や水蒸留システムに使用されています。ガリレオやアポロ宇宙船(例えばアポロ14号[ 119 ] )には、キログラム単位のプルトニウム238酸化物で駆動するヒーターが搭載されており、この熱は熱電対によって電気にも変換されます。プルトニウム238の崩壊は、比較的無害なアルファ粒子を生成し、ガンマ線は伴いません。そのため、この同位体(約160mg )は心臓ペースメーカーのエネルギー源として使用され、従来の電池よりも約5倍長持ちします。[ 110 ]
アクチニウム227は中性子源として使用されます。その高い比エネルギー(14.5 W/g)と、熱的に安定な化合物を大量に得られる可能性は、遠隔地で使用する長寿命の熱電発電機での使用に魅力的です。228Acは、容易に検出できる高エネルギー電子(2.18 MeV)を放出するため、化学研究における放射能の指標として使用されます。228Ac - 228Ra混合物は、産業および医療において強力なガンマ線源として広く使用されています。[ 29 ]
耐久性のある結晶マトリックスを持つ自己発光性アクチニド添加材料の開発は、一部のガラスや結晶にアルファ線放出放射性核種を添加することで発光が付与される可能性があるため、アクチニド利用の新しい分野である。[ 120 ]


放射性物質は、(i)局所的な皮膚汚染、(ii)放射性同位体の摂取による内部被ばく、(iii) β線およびγ線による外部過剰被ばくによって、人間の健康に害を及ぼす可能性があります。ラジウムや超ウラン元素とともに、アクチニウムは比α線放射能が高い最も危険な放射性毒物の一つです。アクチニウムの最も重要な特徴は、骨格の表面層に蓄積して留まる能力です。中毒の初期段階では、アクチニウムは肝臓に蓄積します。アクチニウムのもう一つの危険性は、排泄されるよりも速く放射性崩壊を起こすことです。消化管からの吸収は、ラジウムよりもアクチニウムの方がはるかに小さい(約0.05%)です。[ 29 ]
体内のプロトアクチニウムは腎臓と骨に蓄積する傾向があります。人体におけるプロトアクチニウムの最大安全量は0.03 μCiで、これは0.5マイクログラムの231Paに相当します。この同位体はエアロゾルとして空気中に存在する可能性があり、その量は2.5 × 10です。シアン化水素酸の8倍の毒性を持つ。 [ 60 ]
プルトニウムは、空気、食物、血液(例えば傷口)を介して体内に入ると、主に肺、肝臓、骨に蓄積し、他の臓器には約10%しか移行せず、数十年間そこに留まります。プルトニウムの体内滞留時間が長いのは、水への溶解度が低いことが一因です。プルトニウムの同位体の中には、周囲の細胞を損傷する電離α線を放出するものがあります。プルトニウムを静脈注射した後の犬における30日間の半数致死量(LD50 )は、体重1kgあたり0.32mgであり、したがって、 体重70kgの人に対する致死量は約22mgです 。呼吸器被ばくによる量は、その約4倍になると考えられます。別の推定では、プルトニウムはラジウムよりも毒性が50分の1であると仮定し、体内のプルトニウムの許容含有量は5μg または0.3μCiであるべきだとしています。このような量は顕微鏡ではほとんど見えません。動物実験の後、この最大許容投与量は 0.65 μg または 0.04 μCi に引き下げられました。動物実験では、プルトニウムへの最も危険な曝露経路は吸入であり、吸入された物質の 5 ~ 25% が体内に残留することも明らかになりました。プルトニウム化合物の粒子サイズと溶解度に応じて、プルトニウムは肺またはリンパ系に局在するか、血液に吸収されて肝臓と骨に運ばれます。食品を介した汚染は最も可能性の低い経路です。この場合、プルトニウムの可溶性化合物の約 0.05% と不溶性化合物の約 0.01% だけが血液に吸収され、残りは排泄されます。損傷した皮膚がプルトニウムに曝露されると、ほぼ 100% が残留します。[ 94 ]
核燃料、密封放射性線源、または自己発光結晶などの先進材料にアクチニドを使用することには多くの潜在的な利点があります。しかし、アクチニドの極めて高い放射性毒性と環境中での移動が深刻な懸念事項です。[ 121 ] MOXや密封放射性線源に化学的に不安定な形態のアクチニドを使用することは、現代の安全基準では適切ではありません。安全な保管、使用、最終処分を可能にする、安定で耐久性のあるアクチニド含有材料を開発することが課題となっています。重要なニーズは、耐久性のある結晶ホスト相へのアクチニド固溶体の応用です。[ 120 ]
{{cite book}}ISBN /日付の不一致(ヘルプ);|journal=無視されます(ヘルプ)多くのアクチニド金属、水素化物、炭化物、合金、その他の化合物は、微細な状態で室温で発火する可能性があります。