フェルミウム

フェルミウムは、原子炉内でより軽いアクチニドに中性子を照射することによって生成されます。フェルミウム257は中性子捕獲によって得られる最も重い同位体であり、ピコグラム量しか生成できません。^{[ c ] [ 19 ]}主な供給源は、米国テネシー州のオークリッジ国立研究所 にある85MW高フラックス同位体原子炉（HFIR）で、超キュリウム（ Z > 96）元素の生成に特化しています。 ^{[ 20 ]}より質量の小さいフェルミウム同位体はより多く入手可能ですが、これらの同位体（^254Fmと^255Fm）は比較的寿命が短いです。オークリッジでの「典型的な処理キャンペーン」では、数十グラムのキュリウムを照射して、デシグラム量のカリホルニウム、ミリグラム量のバークリウムとアインスタイニウム、ピコグラム量のフェルミウムを生成します。^{[ 21 ]}しかし、ナノグラム^{[ 22 ]}量のフェルミウムは、特定の実験用に準備することができます。20～200キロトンの熱核爆発で生成されるフェルミウムの量はミリグラムのオーダーであると考えられていますが、それは大量の残骸と混ざっています。 「ハッチ」実験（1969年7月16日）の10キログラムの残骸から4.0ピコグラムの^257Fmが回収されました。^{[ 23 ]}ハッチ実験では、推定で合計250マイクログラムの257Fmが生成されまし^た。      

製造後、フェルミウムは他のアクチニドやランタニド核分裂生成物から分離する必要がある。これは通常、イオン交換クロマトグラフィーによって行われ、標準的なプロセスでは、Dowex  50やTEVAなどの陽イオン交換体を使用し、α-ヒドロキシイソ酪酸アンモニウム溶液で溶出する。^{[ 5 ] [ 24 ]}より小さな陽イオンはα-ヒドロキシイソ酪酸陰イオンとより安定な錯体を形成するため、カラムから優先的に溶出される。^{[ 5 ]}迅速な分別結晶化法も報告されている。^{[ 5 ] [ 25 ]}

フェルミウムの最も安定な同位体は半減期が^100. 5日の257Fmですが、ほとんどの研究は^255Fm（半減_期= 20.07(7)時間）で行われています。これは、この同位体が^255Es（半減_期= 39.8(12)日）の崩壊生成物として必要に応じて容易に分離できるためです。^{[ 5 ]}     

10メガトン級のアイビーマイク核実験における残骸の分析は、長期プロジェクトの一環であり、その目標の一つは、高出力核爆発における超ウラン元素の生成効率を研究することであった。これらの実験の動機は以下のとおりである。ウランからこのような元素を合成するには、複数の中性子捕獲が必要となる。このような事象の発生確率は中性子束とともに増加し、核爆発は最も強力な中性子源であり、1マイクロ秒以内に^10²³個/cm² ^、すなわち約^10²⁹個/(cm²^・s)の密度を提供する。比較のために、HFIR原子炉の中性子束は5 × 10¹⁰である。¹⁵中性子/(cm ^{2 ·s)。破片サンプルが米国に到着するまでに一部の同位体が崩壊している可能性があったため、}エニウェトク環礁に破片の予備分析を行うための専用研究所が設置された。研究所は、実験後に環礁上空を飛行する紙フィルターを備えた飛行機から、分析用のサンプルをできるだけ早く受け取っていた。フェルミウムより重い新しい化学元素の発見が期待されていたが、1954年から1956年にかけて環礁で行われた一連のメガトン級爆発の後、それらは発見されなかった。 ^{[ 26 ]}

大気中の結果は、1960年代にネバダ核実験場で蓄積された地下実験データによって補完された。これは、密閉空間で強力な爆発を行うことで、収率が向上し、より重い同位体が得られることが期待されたためである。従来のウラン装薬の他に、ウランとアメリシウムおよびトリウムの組み合わせ、ならびにプルトニウムとネプツニウムの混合装薬が試みられた。これらは（物質の）収率の点ではあまり成功しなかったが、これは重元素装薬における核分裂率の増加による重同位体の損失が大きかったためと考えられた。爆発によって、溶融および蒸発した岩石を通して破片が300～600メートルの深度の下に拡散し、生成物を抽出するためにそのような深さまで掘削することは、収集量の観点から見て遅く非効率的であったため、生成物の分離はかなり問題であることが判明した。^{[ 26 ] [ 27 ]}

1962年から1969年の間に実施された9つの地下核実験（コードネームはアナコスティア（5.2キロトン、1962年）、ケネベック（5キロトン未満、1963年）、パー（38キロトン、1964年）、バーベル（20キロトン未満、1964年）、ツイード（20キロトン未満、1965年）、シクラメン（13キロトン、1966年）、カンカキー（20～200キロトン、1966年）、バルカン（25キロトン、1966年）、ハッチ（20～200キロトン、1969年））^{[ 28 ]}のうち、最後の実験が最も強力で、超ウラン元素の収量も最も高かった。原子質量数に対する収量の依存性は、奇数同位体の核分裂率が高いため、値が低くなる鋸歯状の挙動を示した。^{[ 27 ]}しかし、この提案全体の主な実際的な問題は、強力な爆発によって飛散した放射性残骸を回収することであった。航空機のフィルターは、約4 × 10⁻⁶の放射性残骸しか吸着できなかった。総量の 14 分の^{−14とエニウェトク環礁での トンのサンゴの収集により、この割合はわずか 2 桁増加しただけであった。ハッチ爆発から 60 日後に約 500 キログラムの地下岩石を抽出したところ、総電荷の約 10 −7}しか回収されなかった。この 500 kg バッチの超ウラン元素の量は、 実験から 7 日後に採取された 0.4 kg の岩石の量の 30 倍にすぎなかった。この観察により、超ウラン元素の収量が回収された放射性岩石の量に非常に非線形な依存性があることが示された。 ^{[ 29 ]}爆発後のサンプル収集を加速するために、爆発後ではなく実験前に現場にシャフトが掘削され、爆発によって放射性物質が震源からシャフトを通って地表近くの収集量に放出されるようにした。この方法はアナコスティアとケネベックの実験で試され、すぐに数百キログラムの物質が得られたが、アクチニド濃度は掘削後に得られたサンプルの 3 分の 1 であった。このような方法は短寿命同位体の科学的研究には有効であったかもしれないが、生成されたアクチニドの全体的な収集効率を向上させることはできなかった。 ^{[ 30 ]}

核実験残骸からは（アインスタイニウムとフェルミウムを除いて）新たな元素は検出されず、超ウラン元素の総収量も期待外れに低かったものの、これらの実験では、これまで研究所で入手可能だったよりもはるかに多くの希少重同位体が得られた。例えば、6 × 10^{ハッチ爆発後、 9個の257Fm}原子が回収された。これらはその後、 ^{257Fmの熱中性子誘起核分裂の研究や、新しいフェルミウム同位体258Fm}の発見に。また、希少同位体^250Cmが大量に合成されたが、これはその前駆核種249Cmから原子炉で生成するのは非常に困難である^。249Cmの半減期（64分）は、数ヶ月にわたる原子炉照射には短すぎるが、爆発の時間スケールでは非常に「長い」。 ^{[ 31 ]}

フェルミウムの既知の同位体はすべて半減期が短いため、地球形成時に存在していた原始フェルミウムは、現在までにすべて崩壊しています。地殻に自然に存在するウランやトリウムからフェルミウムを合成するには、複数のニュートロン捕獲が必要となりますが、これは極めて起こりにくい現象です。したがって、地球上のフェルミウムのほとんどは、実験室、高出力原子炉、または核実験で生成され、その後数ヶ月間しか存在しません。

オクロの天然核分裂炉にはフェルミウムまでの超ウラン元素が存在していたはずだが、当時生成された量はすでに崩壊してなくなっているだろう。^{[ 32 ]}