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アクチノイド系列は、原子番号が89 から 102 の範囲にある化学元素のグループであり、ウランやプルトニウムなどの注目すべき元素が含まれます。[注 1 ]核種（または同位体）であるトリウム 232、ウラン 235、ウラン 238は原始的に存在し、アクチニウム、プロトアクチニウム、ネプツニウム、プルトニウムは微量ながら放射性崩壊の結果として存在し、ネプツニウムとプルトニウムの場合はウランの中性子捕獲によっても存在します。[注 2 ]これらの元素は、自然界に存在するトリウムやウランよりも半減期がはるかに短いため、放射能がはるかに強くなります。原子番号が 94 より大きい元素は地球上には自然には存在せず、原子炉で生成する必要があります。[ 2 ]しかし、カリホルニウム（原子番号98）までの元素の特定の同位体は、放射性特性を利用した実用的な用途が依然として存在する。[ 3 ] [ 4 ]
アクチニドはすべて放射性であるが、アクチニドとその化合物は地殻の大部分を占めている。[ 5 ]トリウムとウランは商業的に採掘できるほど豊富にあり、地殻中のトリウムの濃度はウランの約4倍である。[ 6 ] 2021年の世界のウラン生産量は600万トンを超え、オーストラリアが最大の供給国であった。[ 7 ]トリウムは、チタン、ジルコニウム、スズ、希土類元素の副産物としてモナザイトから抽出されるが、モナザイトからはしばしば廃棄物となる。地殻中のトリウムの豊富さにもかかわらず、トリウムとともに抽出される他の金属と比較してトリウムの需要が低いため、世界的に余剰となっている。[ 8 ]
アクチニドに関連する主な危険は放射能ですが、血流に吸収されると重金属中毒を引き起こす可能性もあります。[ 9 ]一般的に、二酸化ウランや混合酸化物（MOX）燃料などの不溶性アクチニド化合物は、半減期が長く、溶解して血流に吸収されることがないため、消化管をほとんど影響なく通過します。 [ 10 ]しかし、吸入されたアクチニド化合物は肺に留まり、肺組織を照射するため、より有害です。
アクチニウムは、ウラン鉱石中に227Acとして微量ながら天然に存在し、これは半減期が21.773年のアルファ線およびベータ線放出核種である。ウラン鉱石には、ウラン1トンあたり約0.2mgのアクチニウムが含まれている。より一般的には、原子炉内で226Raに中性子を照射することにより、ミリグラム単位で製造される。天然のアクチニウムは、ほぼ完全に227Acという1つの同位体から構成されており、他の崩壊系列では、他の短寿命同位体（225Acおよび228Ac）がごく微量しか存在しない。[ 11 ]
トリウムはほとんどの岩石や土壌に低濃度で存在し、ウランの約3倍、鉛とほぼ同じ濃度で存在します。平均して、土壌には一般的に約6 ppmのトリウムが含まれています。[ 12 ]トリウムはいくつかの鉱物に存在し、最も一般的なのは希土類トリウムリン酸塩鉱物であるモナザイトで、最大12%の酸化トリウムを含み、いくつかの国に相当量の鉱床があります。232 Thは非常にゆっくりと崩壊し、半減期は140億年で、地球の年齢の約3倍です。トリウムの他の同位体は、トリウムとウランの崩壊系列に存在します。これらは232 Thよりも寿命が短いため、放射能がはるかに高いですが、質量ベースでは無視できるほど小さいです。
トリウムは肝臓がんとの関連が指摘されている。過去には、トリウム（二酸化トリウム）が医療用X線撮影の造影剤として使用され、 Thorotrastという名称で販売されていた。この使用はその後中止された。インドでは、特にタミル・ナードゥ州の沿岸地域において、西海岸と東海岸の砂丘の砂鉱床に、モナザイトの形で大量のトリウム鉱石が産出する。この地域の住民は、世界平均の10倍もの自然放射線量に被曝している。[ 13 ]
プロトアクチニウムは、天然に存在する元素の中で最も希少で高価な元素の一つです。プロトアクチニウムには231 Paと234 Pa の 2 つの同位体が存在し、同位体234 Pa は 2 つの異なるエネルギー状態をとります。天然のプロトアクチニウムのほぼすべては231 Pa です。これはアルファ線放出体であり、ウラン 235の崩壊によって生成されます。一方、ベータ線を放出する234 Pa は、ウラン 238 の崩壊の結果として生成されます。ほぼすべてのウラン 238 (99.8%) は、まず寿命の短い234m Pa 異性体に崩壊します。[ 14 ]
プロトアクチニウムはウラン鉱（ピッチブレンド）中に、鉱石100万分の0.3～3ppmの濃度で存在します。通常の含有量は0.3ppmに近いですが[ 15 ] （例えば、チェコ共和国のヤヒモフ[ 16 ]）、コンゴ民主共和国の鉱石の中には約3ppmのものもあります[ 17 ] 。プロトアクチニウムはほとんどの天然物質や水中に均一に分散していますが、濃度は1兆分の1程度と非常に低く、放射能は0.1ピコキュリー（pCi）/gに相当します。砂質土壌粒子中のプロトアクチニウムの量は、同じ土壌サンプル中の水と比較しても、水中の約500倍です。ローム土壌やベントナイトなどの粘土では、 2,000倍以上の高い比率が測定されています[ 14 ] [ 18 ]。
ウランはほとんどすべての土壌に存在します。アンチモン、ベリリウム、カドミウム、金、水銀、銀、タングステンよりも豊富に存在し、ヒ素やモリブデンとほぼ同程度の量です。ウランは、リン鉱石鉱床、亜炭などの鉱物、ウランを豊富に含む鉱石中のモナザイト砂など、一部の物質に高濃度で含まれており、商業的にもそこから抽出されています。
海水には、ウラン(VI)として重量比で約3.3ppbのウランが含まれており[ 19 ] 、これは可溶性の炭酸塩錯体を形成します。海水からウランを抽出することは、この元素を得る手段として検討されてきました。ウランの比放射能は非常に低いため、生物に対する化学的影響は、放射能の影響を上回ることがよくあります。核燃料サイクルや劣化ウランの弾薬への使用により、一部の地域では環境中にウランが追加されています。
ネプツニウムはウラン鉱石中に低濃度で自然に存在し、そこでウラン238の原子が中性子を捕獲して核変換反応を起こし、ネプツニウム237とネプツニウム239を生成します。ネプツニウムは土壌に対する親和性が高いです。[ 20 ]それにもかかわらず、長期的には比較的移動性が高く、地下水中の237Npの拡散は、使用済み核燃料の永久貯蔵のための深地層処分場の設計における主要な問題です。237Npの半減期は214万4千年であるため、長期的な問題となります。その半減期はウラン238、ウラン235、ウラン236の半減期よりもはるかに短いため、237Npはこれらの核種よりも高い比放射能を持っています。実験室で中性子を照射すると、プルトニウム238を作るためにのみ使用されます。
プルトニウムはウラン鉱石中に低濃度で自然に存在する。プルトニウム238はウラン238の二重ベータ崩壊生成物であり、プルトニウム239はネプツニウム239の崩壊生成物である。ネプツニウム239は、ウラン238が中性子捕獲による核変換反応を起こした際に生成される。プルトニウム240とプルトニウム244も自然界に存在し、後者の半減期が8130万年であることから、原始放射性核種である可能性が示唆されているが、初期の検出報告は確認されていない。プルトニウムには多くの用途があり、これらの用途を通じて微量のプルトニウムが環境中に放出されている。プルトニウムの用途には以下が含まれる。
プルトニウムは、他のアクチニドと同様に、容易に二酸化二水素を形成します。環境中では、このプルトニルは炭酸塩やその他の酸素官能基（OH⁻ 、 NO₂⁻ 、 NO₃⁻ 、 SO₄²⁻ ）と容易に錯体を形成し、土壌への親和性が低い荷電錯体を形成します。これらには以下が含まれます。
強酸性硝酸溶液を中和して生成されるPuO₂は、錯体形成に抵抗性のあるポリマー状のPuO₂を形成する傾向がある。また、プルトニウムは+3、+4、+5、+6の状態間で容易に原子価を変化させる。溶液中のプルトニウムの一部が、これらのすべての状態において平衡状態で存在することはよくある。
ネプツニウムと同様に、プルトニウムは土壌粒子に非常に強く結合することが知られています。セシウムはアクチニドとは化学的性質が大きく異なりますが、セシウムと多くのアクチニドの両方が土壌中の鉱物に強く結合することはよく知られています。134Cs標識土壌を使用して、土壌中のPuとCsの移動を研究することが可能になりました。廃棄物隔離パイロットプラントの土壌では、コロイド輸送プロセスがCsの移動を制御し（したがってPuの移動も制御する）ことが示されています。[ 21 ]
アメリシウムは、廃棄された煙感知器から埋立地に流入することが多い。ほとんどの自治体では、煙感知器の廃棄に関する規則は非常に緩い。例えば、英国では、アメリシウムを含む煙感知器を通常の家庭ごみと一緒にごみ箱に捨てることは許可されているが、各ごみ箱には煙感知器を1つしか入れることができない。アメリシウムを含む製品の製造、原子力発電所、爆発なども、アメリシウムを環境中に放出する可能性がある。[ 22 ]
1999年、フランスで900個の煙探知器を輸送していたトラックが火災を起こしたと報じられ、これによりアメリシウムが環境中に放出されたと主張されている。[ 23 ]米国では、「放射能ボーイスカウト」のデビッド・ハーンが、数千個の煙探知器を在庫処分価格で購入し、そこからアメリシウムを濃縮することができた。
人間がアメリシウムに被曝した事例がある。最悪のケースは、グローブボックスの事故で極めて高濃度のアメリシウム241に被曝したハロルド・マクラスキーのケースである。彼はその後、キレート療法で治療を受けた。プルトニウムと似た生体内分布と毒性を持つにもかかわらず、この2つの放射性元素は溶液状態での化学的性質が異なるため、彼に施された医療処置が彼の命を救った可能性が高い。[ 24 ]アメリシウムは+3の酸化状態で安定しているが、プルトニウムの+4の酸化状態は人体内で形成される可能性がある。[ 25 ]
最も一般的な同位体であるアメリシウム241は、半減期432年でネプツニウム237に崩壊する。長期的には、ネプツニウムについて上述した問題が当てはまる。[ 26 ]
環境中に放出されたアメリシウムは、比較的浅い深さの土壌や水中に留まる傾向があり、成長中に動物や植物に取り込まれる可能性があります。エビなどの貝類は殻にアメリシウム241を取り込み、穀物植物の一部は暴露によって汚染される可能性があります。[ 27 ] 2021年の論文で、JD Chaplinらは、薄膜拡散勾配法の進歩を報告し、土壌、淡水、海水中の不安定な生物利用可能なアメリシウムを測定する方法を提供しました。[ 28 ]
大気中のキュリウム化合物は一般的な溶媒には溶けにくく、主に土壌粒子に付着します。土壌分析の結果、砂質土壌粒子中のキュリウム濃度は土壌孔隙中の水濃度の約4,000倍であることが明らかになりました。ローム土壌ではさらに高い約18,000倍の濃度が測定されました。[ 29 ]
カリホルニウムは水にはほとんど溶けませんが、通常の土壌によく付着し、土壌中の濃度は土壌粒子の周囲の水中の濃度よりも500倍高くなることがあります。[ 30 ]