アメリシウム241

アメリシウム241、 ²⁴¹午前

煙探知機から241 AmO 2を含む小さなボタン
一般的な
シンボル	241午前
名前	アメリシウム-241、241Am、Am-241
陽子 ( Z )	95
中性子 ( N )	146
核種データ
自然の豊かさ	0 (合成)
半減期 （t 1/2）	432.6 ± 0.6歳[1]
同位体質量	241.056 8273 (12) [1] ダ
スピン	5/2−
余剰エネルギー	52 934 .3 ± 1.1 [1] keV
結合エネルギー	7 543 .2795(46) [1] keV
親同位体	241 Pu  ( β − ) 241 Cm  ( EC ) 245 Bk  ( α )
崩壊生成物	237ナポ
減衰モード
減衰モード	崩壊エネルギー( MeV )
α崩壊（アルファ）	5.486
γ線（ガンマ）	0.0595409
CD (クラスター崩壊)	93.923
アメリシウムの同位体 核種の完全な表

アメリシウム241（²⁴¹ Am、Am-241）はアメリシウムの同位体である。アメリシウムのすべての同位体と同様に放射性であり、半減期は²⁴¹ Am は最も一般的なアメリシウム同位体であり、核廃棄物中に最も多く含まれるアメリシウム同位体でもある。イオン化型煙探知器によく見られ、長寿命の放射性同位体熱電発電機(RTG)の燃料となる可能性がある。一般的な親核種は、²⁴¹ Pu由来のβ ^{− 、 241} Cm由来のEC、および²⁴⁵ Bk由来のαである。241 Am^は核分裂性ではないが、核分裂可能であり、裸球の臨界質量は 57.6～75.6 キログラム (127.0～166.7 ポンド)、球の直径は 19～21 センチメートル (7.5～8.3 インチ) である。^[2]アメリシウム241の比放射能は3.43  Ci / g（126.91  GBq / g）である。^{[3]一般的には}アメリシウム241二酸化物（²⁴¹ AmO ₂ ）の形で存在する。この同位体には、励起エネルギーが2.2 MeV（0.35 pJ）で半減期が1である メタ状態 241m Amも存在する^。1.23 μs 。プルトニウム中の²⁴¹ Amの存在は、プルトニウム 241の元の濃度とサンプルの古さによって決まります。アルファ線の透過性が低いため、アメリシウム 241 は摂取または吸入した場合にのみ健康リスクをもたらします。241 Pu を含むプルトニウムの古いサンプルには、^{241 Am}が蓄積しています。再加工されたプルトニウム (例:プルトニウムピットの再加工中) からアメリシウム 241 を化学的に除去する必要がある場合があります。

アメリシウム241は数十年にわたって原子炉で少量生産されており、現在までに数キログラムの^{241 Amが蓄積されている。 [4] : 1262}それにもかかわらず、1962年に初めて販売されて以来、分離手順が非常に複雑なため、 ²⁴¹ Am 1グラムあたり約1,500米ドルという価格はほぼ変わっていない。^[5]

アメリシウム 241 は、最も一般的な原子炉材料であるウランから直接合成されるのではなく、プルトニウム 239 ( ²³⁹ Pu) から合成されます。プルトニウム 239 は、次の核プロセスに従って最初に生成される必要があります。

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23.5\ min} ]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$

²³⁹ Puによる 2 つの中性子の捕獲(いわゆる (n,γ) 反応) とそれに続く β 崩壊により、²⁴¹ Am が生成されます。

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {2~(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14.35\年}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}午前} }$

使用済み核燃料に含まれるプルトニウムには、約12％の²⁴¹ Puが含まれています。これは²⁴¹ Amに変換されるため、^{241 Puを抽出して、さらに241} Amを生成するために使用することができます。^[5]しかし、このプロセスはかなり遅く、約14年後には元の^{241 Puの量の半分が241} Amに崩壊し、²⁴¹ Amの量は70年後に最大になります。^[6]

得られた²⁴¹ Amは、原子炉内でさらに中性子捕獲を行うことで、より重いアメリシウム同位体を生成するために使用することができます。軽水炉（ LWR）では、 ²⁴¹ Amの中性子捕獲の79％が²⁴² Amに変換され、10％がその核異性体である ^242m Amに変換されます。^[7]

79%:   ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}午前\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}午前} }$

アメリシウム 241 は主にアルファ崩壊によって崩壊し、弱いガンマ線を副産物として生じます。アルファ崩壊は次のように示されます。

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}午前\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np~+~_{2 }^{4}\アルファ ^{2+}+\ガンマ ~59.5409~keV} }$

α崩壊エネルギーは、85%の時間で5.486 MeV (0.8790 pJ) (標準的なα崩壊エネルギーとして広く受け入れられている値)、13%の時間で5.443 MeV (0.8721 pJ)、残りの2%の時間で5.388 MeV (0.8633 pJ) です。^[8] γ線エネルギーは大部分で59.5409 keV (9.53950 fJ) で、13.9 keV (2.23 fJ)、17.8 keV (2.85 fJ)、26.4 keV (4.23 fJ) などの他のエネルギーもわずかに含まれています。^[9]

アメリシウム241が起こす2番目に一般的な崩壊は自発核分裂であり、分岐比は3.6×10 ^{−12 [10]で、1グラムのアメリシウム241}あたり1.2回/秒で起こります。これは次のように表記されます（アスタリスクは励起された原子核を示します）。

${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\longrightarrow ~_{\ 95}^{241}Am^{*}\longrightarrow 3_{0}^{1}n~+~核分裂生成物~+エネルギー~(\gamma )} }$

アメリシウム241の最も一般的でない（稀な）崩壊タイプは³⁴
シ
クラスター崩壊は、分岐比が7.4×10 ⁻¹⁶未満である。^[10]次のように記述される。

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\longrightarrow _{\ 81}^{207}Tl+_{14}^{34}Si} }$

アメリシウム241は、家庭に導入された唯一の合成同位体であり、最も一般的なタイプの煙探知器（イオン化型）は、²⁴¹
午前
お
₂（二酸化アメリシウム241）を電離放射線源として用いる。^[11]この同位体は²²⁶
ラ
なぜなら、アルファ粒子の放出量は5 倍で、有害なガンマ線は比較的少ないからです。半減期は432.2年経つと煙探知器内のアメリシウムは減少し、ネプツニウムが約3%含まれるようになる。19年後には約5％32 年。一般的な新しい煙探知器に含まれるアメリシウムの量は 0.29マイクログラム(4.5 × 10 ⁻⁶ グレイン) (砂粒の約 1/3000 の重さ) で、放射能は 1マイクロキュリー(37  kBq ) です。古い産業用煙探知器 (特に Pyrotronics Corporation 製) の中には、最大 80 マイクロキュリー (3,000 kBq) を含むものもあります。241 ^{Amの量は、}ネプツニウム 237 ( ²³⁷ Np)に崩壊するにつれて徐々に減少します。ネプツニウム 237は、半減期がはるかに長い (約1/3000)超ウラン元素です。イオン化煙検知器は、 214万年かけて開発された。放射されたアルファ粒子は、2つの電極の間にある空気で満たされた空間であるイオン化室を通過し、その間の空気空間が放射線によってイオン化されるため、コンデンサープレート間に小さな一定の電流が流れる。煙がチャンバー内に入ると、アルファ粒子の一部が自由に通過できなくなり、イオン化が減少するため、電流が低下する。警報器の回路がこの電流の低下を検知し、圧電ブザーが鳴る。代替の光学式煙検知器と比較して、イオン化煙検知器は安価で、大きな光散乱を生じないほど小さい粒子も検知できる。しかし、誤報が発生しやすい。^{[12] [13] [14] [15]}

イオン化型煙感知器のボタンに使用されるアメリシウムの製造工程は、二酸化アメリシウムから始まります。241 ^AmO ₂は金と十分に混合され、ブリケットの形に成形され、圧力と 1,470 °F (800 °C) を超える熱で溶融されます。銀の裏打ちと金 (または金とパラジウムの合金) の前面カバーがブリケットに適用され、熱間鍛造によって密封されます。次に、ブリケットは冷間圧延のいくつかの段階を経て処理され、必要な厚さと放射線放出レベルを実現します。最終的な厚さは約 0.008 インチ (0.20 mm) で、金のカバーは厚さの約 1 パーセントを占めます。結果として得られる約 0.8 インチ (20 mm) 幅の箔ストリップは、39 インチ (1 m) の長さのセクションに切断されます。線源は箔ストリップから打ち抜かれます。直径約0.2インチ（5.1 mm）の各ディスクは、通常はアルミニウム製の金属製ホルダーに取り付けられています。ホルダーはハウジングであり、ボタンに見える部分の大部分を占めています。ホルダーの薄い縁は、ディスクの周囲のカットエッジを完全に密閉するために丸められています。^[16]

²⁴¹ Am の半減期は^{238 Pu と}ほぼ同じ（432.2 年対 87 年）であるため、宇宙船で使用するための放射性同位体熱電発電機の活性同位体として提案されています。 ^{[17]アメリシウム241 は}プルトニウム 238よりも熱と電気の生成が少なく（ ²⁴¹ Amの電力収率は 114.7 ミリワット/​​グラム [3.25 ワット/オンス] であるのに対し、 ²³⁸ Puは 570 mW/グラム [16 W/オンス] ） 、その放射線はガンマ線と中性子の放出により人間に大きな脅威をもたらしますが、半減期が大幅に長いため、長期ミッションには有利です。欧州宇宙機関は、プルトニウム238の世界的不足と^、ヨーロッパでの核廃棄物再処理によるアメリシウム241の容易な入手の結果として、宇宙探査機用にアメリシウム241をベースにしたRTGの開発に取り組んでいる[18]。^{[19] [20]}

RTG におけるその遮蔽要件は、すべての可能な同位体の中で 2 番目に低く、²³⁸ Pu のみがこれより低い。238 Pu に対する利点は、核廃棄物として生成され、ほぼ同位体純粋であることだ。241 Am RTG のプロトタイプ設計では^{、 5～50 W} _e RTG 設計で2～2.2 W e /kg が期待されており^、_その出力範囲では^{241 Am RTG は238} Pu RTGと同等になる。これは、RTG の質量の大部分が同位体ではなく、熱電素子、ラジエ​​ーター、および同位体封じ込め質量であるためである。^[21]

ベリリウムと圧縮された²⁴¹ Amの酸化物は、放射性崩壊中にアルファ粒子を放出するため、非常に効率的な中性子源となり得ます。

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}午前\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np\ +\ _{2 }^{4}\alpha ^{2+}+\ \gamma ~59.5~keV} }$

ここでアメリシウムはアルファ線源として働き、ベリリウムは（α、n）核反応の断面積が大きいため中性子を生成します。

${\textstyle \mathrm {^{9}_{4}Be\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}\longrightarrow \ _{\ 6}^{12}C\ +\ _ {0}^{1}n\ +\ \ガンマ } }$

最も広く使用されているのは²⁴¹
午前
Be中性子源は中性子プローブであり、高速道路建設の品質管理のために土壌中の水分量や水分/密度を測定するために使用される装置です。241 Am^{中性子源は、井戸の検層アプリケーション、}中性子ラジオグラフィー、トモグラフィー、およびその他の放射化学調査にも使用されます。 ^[22]

アメリシウム 241 は、他の超ウラン元素や超アクチノイド元素の製造の出発物質として使用されることがあります。たとえば、²⁴¹ Amに中性子を照射すると²⁴² Am が生成されます。

${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}午前\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}午前} }$

そこから、²⁴² Amの 82.7% が²⁴² Cm に崩壊し、17.3% が²⁴² Pu に崩壊します。

82.7% → ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}午前\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}午前\ {\xrightarrow[{16.02\ h} ]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm} }$

17.3% → ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{+}}}\ _{\ 94}^{242}Pu} }$

原子炉では、²⁴² Am も中性子捕獲によって²⁴³ Am と²⁴⁴ Am にアップコンバージョンされ、β 崩壊によって²⁴⁴ Cm に変換されます。

${\displaystyle \mathrm {^{242}_{\ 95}Am{\xrightarrow {(n,\gamma )}}~_{\ 95}^{243}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{244}Am\ {\xrightarrow[{10.1\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{244}Cm} }$

²⁴¹ Amを¹² Cまたは²² Ne イオンで照射すると、それぞれアインシュタイニウム-253 ( ²⁵³ Es) またはドブニウム-263 ( ²⁶³ Db) が生成されます。^[23]さらに、元素バークリウム( ^{243 Bk 同位体) は、1949 年に同じバークレーのグループによって、以前の多くの実験で使用されていたのと同じ 60 インチ (1,500 mm) サイクロトロンを使用して、 241} Am にアルファ粒子を照射することで、初めて意図的に生成され、特定されました。^{[4] : 1262}

アメリシウム 241 は、ガンマ線とアルファ粒子の両方のポータブルな発生源として、医療や産業のさまざまな用途に使用されています。このような発生源の^{241 Am から放出される 59.5409 keV (9.53950 fJ) のガンマ線は、}放射線写真や蛍光 X 線分光法における材料の間接分析、および固定式原子核密度計や原子核密度計の品質管理に使用できます。たとえば、この同位体はガラスの厚さを測定して平らなガラスを作成するために使用されています。^{[4] : 1262}アメリシウム 241 は、そのスペクトルがほぼ単一のピークと無視できるコンプトン連続体 (少なくとも 3 桁低い強度) で構成されているため、低エネルギー範囲でのガンマ線分光計の較正にも適しています。^[24]

^{アメリシウム241からのガンマ線は、}甲状腺機能の受動診断に使用されてきた。この医療用途は現在では時代遅れである。アメリシウム 241 のガンマ線は、10 分間の露出時間で、妥当な品質のレントゲン写真を提供できる。241 Am のレントゲン写真は、露出時間が長く生体組織への実効線量を増加させるため、実験的にのみ撮影されている。露出時間を短縮すると、細胞や DNA に損傷を与えるイオン化イベントの可能性が減り、放射線防護で使用される「時間、距離、遮蔽」の原則の重要な要素となる。^[25]

アメリシウム 241 は他のアメリシウム同位体と同じ一般的な危険性があります。非常に有毒で放射性です。α粒子は紙一枚で止めることができますが、α 放射体を摂取すると深刻な健康被害が懸念されます。アメリシウムとその同位体は、重金属毒性の形で化学的にも非常に有毒です。241 Am の最大許容体内負荷量はわずか 0.03 マイクロキュリー (1.1 kBq) です。^[ 26 ^]

アメリシウム241は弱いγ線を副産物として放出するα線放射体です。アメリシウム241を安全に取り扱うには、適切な安全対策を知り、それに従う必要があります。そうしないと非常に危険です。その特定のガンマ線量定数は3.14 × 10 ⁻¹  mR/hr/mCiまたは1メートル（3フィート3インチ）で8.48 × 10 ⁻⁵  mSv/hr/MBq 。 ^[27]

アメリシウム 241 は摂取すると数日以内に排泄され、血液中に吸収されるのは 0.05% のみです。そこから約 45% が肝臓に、 45% が骨に行き、残りの 10% が排泄されます。肝臓への吸収は個人によって異なり、年齢とともに増加します。骨では、アメリシウムは最初に皮質および海綿状骨の表面に沈着し、時間の経過とともにゆっくりと骨全体に再分布します。241 ^Amの生物学的半減期は骨に刻まれた50年と肝臓では20年、生殖腺（精巣と卵巣）では永久に残ります。これらすべての臓器において、アメリシウムはその放射能の結果として癌細胞の形成を促進します。^[28]

アメリシウム241は、廃棄された煙探知器から埋立地に流入することが多い。煙探知器の廃棄に関する規則は、ほとんどの管轄区域で緩和されている。米国では、「放射能ボーイスカウト」のデビッド・ハーンが、煙探知器を100台余りの価格で購入し、さらに数台を盗んだ後、煙探知器からアメリシウム241を濃縮することに成功した。^{[29] [30] [31] [32]}アメリシウム241への曝露の事例はいくつかあるが、最悪だったのはハロルド・マクラスキーで、彼は64歳のときに研究室の爆発により、アメリシウム241の職業基準の500倍に曝露した。マクラスキーは75歳で亡くなったが、曝露の結果ではなく、事故前から患っていた心臓病が原因であった。^{[33] [34]}アメリシウム241は、さまざまな国が実施した核実験の結果、海洋でも検出されている。^[35]

• アメリシウムの同位体