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原子核化学は、放射能、核反応、原子核の変化（核変換や核特性など）を扱う化学の一分野である。
これは、アクチニド、ラジウム、ラドンなどの放射性元素の化学反応と、原子炉などの核反応を行うように設計された機器に関連する化学反応を包括的に扱う分野です。これには、表面の腐食や、通常運転時および異常運転時（事故時など）における挙動が含まれます。特に重要なのは、核廃棄物貯蔵施設または処分場に搬入された後の物体や材料の挙動です。
放射線化学は、動物、植物、その他の生物における放射線の吸収によって生じる化学的影響の研究を含みます。放射線は分子レベルで生物に影響を与えるため、放射線化学は放射線生物学の多くを支配しています。別の言い方をすれば、放射線は生物体内の生化学物質を変化させ、その生体分子の変化が生物体内で起こる化学反応を変化させ、この化学反応の変化が生物学的結果につながるのです。その結果、核化学は（がん放射線療法などの）医療処置の理解に大きく貢献し、これらの処置の改善を可能にしてきました。
これには、さまざまなプロセスにおける放射性物質の製造と使用の研究が含まれます。これには、医療用途における放射線療法、産業、科学、環境における放射性トレーサーの使用、ポリマーなどの材料を改質するための放射線の使用が含まれます。[ 1 ]
また、放射性物質を使用しない人間の活動分野における核プロセスの研究と利用も含まれます。例えば、核磁気共鳴（NMR）分光法は、合成有機化学や物理化学、高分子化学における構造解析などで一般的に用いられています。
1895年にヴィルヘルム・レントゲンがX線を発見した後、多くの科学者が電離放射線の研究に取り組み始めました。その一人であるアンリ・ベクレルは、燐光と写真乾板の黒化の関係を調査しました。ベクレル（フランスで研究）は、外部からのエネルギー源がなくても、ウランが写真乾板を黒くする（または曇らせる）光線を発することを発見し、放射能を発見しました。マリー・スクウォドフスカ＝キュリー（パリで研究）と夫のピエール・キュリーは、ウラン鉱石から2つの新しい放射性元素を分離しました。彼らは、化学分離のたびに放射能がどの流れにあるかを特定するために放射線測定法を用いました。彼らはウラン鉱石を当時知られていたさまざまな化学元素に分離し、各画分の放射能を測定しました。次に、これらの放射性画分をさらに分離し、比放射能（放射能を質量で割った値）が高いより小さな画分を分離しようと試みました。このようにして、彼らはポロニウムとラジウムを分離しました。 1901年頃、高線量の放射線が人体に損傷を与える可能性があることが認識されました。アンリ・ベクレルはラジウムのサンプルをポケットに入れて持ち歩いていたため、局所的に強い放射線を受け、放射線熱傷を負いました。[ 2 ]この損傷をきっかけに放射線の生物学的特性が研究され、やがて医療的治療の開発につながりました。
カナダとイギリスで研究していたアーネスト・ラザフォードは、放射性崩壊は単純な方程式（線形一次微分方程式、現在では一次反応速度論と呼ばれる）で記述できることを示し、特定の放射性物質には特徴的な「半減期」（線源に存在する放射能の量が半分になるまでの時間）があることを示唆した。彼はまた、アルファ線、ベータ線、ガンマ線という用語を作り出し、窒素を酸素に変換し、そして最も重要なことに、原子の「プラムプディングモデル」が間違っていることを示したガイガー・マースデン実験（金箔実験）を行った学生たちを指導した。1904年にJJトムソンによって提唱されたプラムプディングモデルでは、原子は電子の負の電荷を相殺するために正の電荷の「雲」に囲まれた電子で構成されている。ラザフォードにとって、金箔実験は正電荷が非常に小さな原子核に閉じ込められていることを示唆しており、これがまずラザフォードモデル、そして最終的には正の原子核が負の電子に囲まれているというボーアの原子モデルへとつながった。
1934年、マリー・キュリーの娘（イレーヌ・ジョリオ＝キュリー）と義理の息子（フレデリック・ジョリオ＝キュリー）は、人工放射能を初めて作り出した。彼らはホウ素にアルファ粒子を照射して中性子の少ない同位体である窒素13を生成し 、この同位体は陽電子を放出した。 [ 3 ]さらに、彼らはアルミニウムとマグネシウムに中性子を照射して新しい放射性同位体を生成した。
1920年代初頭、オットー・ハーンは新たな研究分野を開拓した。彼が最近開発した「放射法」と「放射能」を用いて、一般的な化学および物理化学の問題を研究するための「応用放射化学」として知られる分野を創設した。1936年、コーネル大学出版局は、ハーンが1933年にニューヨーク州イサカのコーネル大学で客員教授を務めた際に行った講義を収録した『応用放射化学』というタイトルの英語（後にロシア語）の本を出版した。この重要な出版物は、1930年代と1940年代に米国、英国、フランス、ソビエト連邦のほぼすべての核化学者と物理学者に大きな影響を与え、現代の核化学の基礎を築いた。[ 4 ] ハーンとリーゼ・マイトナーは、ラジウム、トリウム、プロトアクチニウム、ウランの放射性同位体を発見した。彼はまた、放射性反跳現象と核異性体現象を発見し、ルビジウム-ストロンチウム年代測定法の先駆者となった。1938年、ハーン、リーゼ・マイトナー、フリッツ・シュトラスマンは核分裂を発見し、ハーンは1944年にノーベル化学賞を受賞した。核分裂は原子炉と核兵器の基礎となった。ハーンは核化学の父[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]および核分裂のゴッドファーザー[ 8 ]と呼ばれている。
放射化学とは放射性物質の化学であり、元素の放射性同位体を用いて非放射性同位体の性質や化学反応を研究する分野である（放射化学においては、放射能がないということは、同位体が安定しているため、その物質が不活性であると表現されることが多い）。
詳細については、放射化学のページをご覧ください。
放射線化学は、放射線が物質に及ぼす化学的影響を研究する学問です。これは放射化学とは大きく異なり、放射線によって化学的に変化する物質に放射能が存在する必要はありません。例としては、水が水素ガスと過酸化水素に変換されることが挙げられます。放射線化学が確立される以前は、純水は破壊されないと一般的に信じられていました。[ 9 ]
初期の実験は、放射線が物質に及ぼす影響を理解することに焦点を当てていました。ヒューゴ・フリッケは、放射線が一般的な治療法および診断方法となるにつれて、X線発生装置を使用して放射線の生物学的影響を研究しました。[ 9 ]フリッケは、X線からのエネルギーが水を活性化水に変換し、溶解した物質と反応させることができると提唱し、その後それを証明しました。[ 10 ]
放射化学、放射線化学、核化学工学は、これらの元素の鉱石からのウランおよびトリウム燃料前駆体の合成、燃料製造、冷却剤化学、燃料再処理、放射性廃棄物の処理と貯蔵、原子炉運転中の放射性元素放出の監視、放射性地質貯蔵などにおいて非常に重要な役割を果たしています。 [ 11 ]
放射化学と放射線化学の組み合わせは、核分裂や核融合などの核反応の研究に使用されます。核分裂の初期の証拠の一つは、中性子照射されたウランから分離された短寿命の放射性バリウム同位体の生成でした（半減期が83分の139Baと半減期が12.8日の140Baは、ウランの主要な核分裂生成物です）。当時、これは新しいラジウム同位体であると考えられていました。なぜなら、当時はラジウムの分離を助けるために硫酸バリウム担体沈殿物を使用することが標準的な放射化学的手法だったからです。[ 12 ]より最近では、放射化学的方法と原子核物理学の組み合わせが、新しい「超重」元素を作るために使用されています。核種の半減期が数年である比較的安定した島が存在すると考えられており、それによって新しい元素を計量可能な量で分離することができます。核分裂の最初の発見の詳細については、オットー・ハーンの著作を参照してください。[ 13 ]
これは、核燃料サイクルのあらゆる部分（核燃料再処理を含む）に関連する化学反応です。燃料サイクルには、採掘、鉱石処理、濃縮から燃料生産（サイクルのフロントエンド）に至るまで、燃料生産に関わるすべての工程が含まれます。また、サイクルのバックエンドに入る前の「インパイル」挙動（原子炉での燃料の使用）も含まれます。バックエンドには、使用済み核燃料を地下廃棄物貯蔵施設に処分するか再処理する前に、使用済み燃料プールまたは乾式貯蔵施設で管理することが含まれます。
核燃料サイクルに関連する核化学は、大きく2つの領域に分けられます。1つは想定された条件下での運転に関する領域であり、もう1つは通常の運転条件から何らかの変更が生じた場合、あるいは（まれに）事故が発生した場合の、運転異常に関する領域です。このプロセスがなければ、これらのことはどれも当てはまりません。
米国では、使用済み燃料を原子炉で一度使用してから廃棄物貯蔵庫に保管するのが一般的です。長期計画では、使用済み民生用原子炉燃料を深層貯蔵庫に保管することになっています。この再処理禁止政策は、核兵器拡散への懸念から1977年3月に開始されました。ジミー・カーター大統領は、米国におけるプルトニウムの商業的再処理とリサイクルを無期限に停止する大統領令を発令しました。この大統領令は、米国が他国を率先して模範を示そうとした試みだったと思われますが、他の多くの国は使用済み核燃料の再処理を続けています。ウラジーミル・プーチン大統領率いるロシア政府は、使用済み核燃料の輸入を禁止していた法律を廃止し、ロシア人がロシア国外の顧客に再処理サービスを提供できるようになりました（ BNFLが提供するサービスと同様）。
現在主流となっている方法は、硝酸からウランとプルトニウムの両方を抽出するためにトリブチルリン酸／炭化水素混合物を使用するPUREX液液抽出法である。この抽出は硝酸塩から行われ、溶媒和機構に分類される。例えば、硝酸塩媒体中で抽出剤（S）によってプルトニウムを抽出する反応は、以下の通りである。
金属カチオン、硝酸塩、トリブチルリン酸の間に複雑な結合が形成され、2つの硝酸アニオンと2つのトリエチルリン酸配位子を持つジオキソウラニウム(VI)錯体のモデル化合物がX線結晶構造解析によって特徴付けられている。[ 14 ]
硝酸濃度が高い場合は有機相への抽出が促進され、硝酸濃度が低い場合は抽出が逆転します（有機相から金属が除去されます）。使用済み燃料を硝酸に溶解し、不溶性物質を除去した後、高活性液からウランとプルトニウムを抽出するのが一般的です。次に、ウランとプルトニウムを主成分とし、核分裂生成物が微量しか含まれていない中活性液を生成するために、負荷された有機相を逆抽出するのが一般的です。この中活性水溶液をトリブチルリン酸／炭化水素で再度抽出して新しい有機相を形成し、金属を含む有機相から金属を除去してウランとプルトニウムのみの水溶液を生成します。この2段階の抽出は、アクチニド生成物の純度を向上させるために行われ、最初の抽出に使用される有機相ははるかに大きな放射線量を受けます。放射線はトリブチルリン酸をジブチル水素リン酸に分解する可能性があります。リン酸水素ジブチルは、アクチニド類とルテニウムなどの他の金属の両方の抽出剤として作用します。リン酸水素ジブチルは、イオン交換機構（酸濃度が低いほど抽出が促進される）によって金属を抽出する傾向があるため、システムの挙動をより複雑にする可能性があります。リン酸水素ジブチルの影響を軽減するために、使用済みの有機相を炭酸ナトリウム溶液で洗浄し、リン酸水素ジブチルの酸性分解生成物を除去するのが一般的です。
PUREXプロセスは、UREX（ウラン抽出）プロセスに改良することができ、使用済み燃料の質量と体積の大部分を占めるウランを除去し、再処理ウランとしてリサイクルすることで、ユッカマウンテン核廃棄物貯蔵施設のような高レベル放射性廃棄物処分場内のスペースを節約するために使用できる。
UREXプロセスは、プルトニウムの抽出を防止するように改良されたPUREXプロセスです。これは、最初の金属抽出ステップの前にプルトニウム還元剤を添加することで実現できます。UREXプロセスでは、ウランの約99.9%とテクネチウムの95%以上が互いに、また他の核分裂生成物やアクチニドから分離されます。重要なのは、抽出および洗浄工程にアセトヒドロキサム酸（AHA）を添加することです。AHAの添加により、プルトニウムとネプツニウムの抽出性が大幅に低下し、PUREXプロセスのプルトニウム抽出段階よりも高い核拡散抵抗性が得られます。
トリブチルリン酸（TBP）に加えて、第2の抽出剤であるオクチル（フェニル）-N,N-ジブチルカルバモイルメチルホスフィンオキシド（CMPO）を加えることで、 PUREXプロセスはTRUEX（TR ans Uranic EX traction）プロセスに変換できます。これは、米国アルゴンヌ国立研究所で発明されたプロセスで、廃棄物から超ウラン金属（Am/Cm）を除去するように設計されています。廃棄物のアルファ放射能を低下させることで、廃棄物の大部分をより容易に処分できるという考えに基づいています。PUREXと同様に、このプロセスも溶媒和メカニズムによって機能します。
TRUEX の代替として、マロンジアミドを使用した抽出プロセスが考案されました。DIAMEX ( DIAM ide EX抽出) プロセスは、炭素、水素、窒素、酸素以外の元素を含む有機廃棄物の生成を回避できるという利点があります。このような有機廃棄物は、酸性雨の原因となる酸性ガスを生成することなく燃焼できます。DIAMEX プロセスは、フランスのCEAによってヨーロッパで研究されています。このプロセスは十分に成熟しており、既存のプロセスの知識で工業プラントを建設することができます。PUREX と同様に、このプロセスは溶媒和メカニズムによって動作します。[ 15 ] [ 16 ]
選択的アクチニド抽出（SANEX）。マイナーアクチニドの管理の一環として、 DIAMEXやTRUEXなどのプロセスによってPUREXラフィネートからランタニドと三価マイナーアクチニドを除去することが提案されている。アメリシウムなどのアクチニドを工業用資源として再利用したり、燃料として使用したりするためには、ランタニドを除去する必要がある。ランタニドは中性子断面積が大きいため、中性子駆動核反応を阻害する。現在までにSANEXプロセスの抽出システムは定義されていないが、複数の研究グループがプロセス開発に取り組んでいる。例えば、フランス原子力庁（CEA）はビス-トリアジニルピリジン（BTP）をベースとしたプロセスに取り組んでいる。
ジチオホスフィン酸などの他のシステムについては、他の研究者によって研究が進められている。
これはロシアとチェコ共和国で開発されたUNIVERSAL EX抽出プロセスであり、使用済み核燃料からウランとプルトニウムを抽出した後に残るラフィネートから最も厄介な放射性同位体（Sr、Cs、マイナーアクチニド）をすべて除去するように設計されたプロセスです。[ 17 ] [ 18 ]この化学反応は、セシウムとストロンチウムがポリエチレンオキシド（ポリエチレングリコール）とコバルトカルボランアニオン（塩素化コバルトジカルボリドとして知られる）と相互作用することに基づいています。[ 19 ]アクチニドはCMPOによって抽出され、希釈剤はニトロベンゼンなどの極性芳香族です。メタニトロベンゾトリフルオリドやフェニルトリフルオロメチルスルホンなどの他の希釈剤も提案されています。[ 20 ]
核化学のもう一つの重要な分野は、核分裂生成物が表面とどのように相互作用するかを研究することです。これは、通常の条件下での廃棄物容器からの核分裂生成物の放出と移動、および事故条件下での原子炉からの核分裂生成物の放出と移動の速度を制御すると考えられています。クロム酸塩やモリブデン酸塩と同様に、99 TcO 4アニオンは鋼の表面と反応して耐腐食性層を形成することができます。このようにして、これらの金属酸化物アニオンは陽極腐食抑制剤として作用します。鋼の表面に99 TcO 2が形成されることは、除染前に失われた核廃棄物ドラムや核機器 (例えば、海で失われた潜水艦原子炉) からの99 Tc の放出を遅らせる効果の 1 つです。この99 TcO 2層は鋼の表面を不活性化し、陽極腐食反応を抑制します。テクネチウムの放射性のため、この腐食防止はほとんどすべての状況で実用的ではありません。また、 99 TcO 4アニオンが活性炭（木炭）またはアルミニウムの表面に反応して層を形成することも示されています。[ 21 ] [ 22 ]一連の重要な長寿命放射性同位体の生化学的特性に関する簡単なレビューはオンラインで読むことができます。[ 23 ]
核廃棄物中の99 Tc は99 TcO 4アニオン以外の化学形態で存在する可能性があり、これらの他の形態は異なる化学的性質を持つ。[ 24 ] 同様に、深刻な原子炉事故におけるヨウ素 131 の放出は、原子力発電所内の金属表面への吸着によって遅延される可能性がある。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]
核医学の利用が拡大し、原子力発電所の拡張の可能性や、核の脅威に対する防護、過去数十年に発生した核廃棄物の管理に関する懸念があるにもかかわらず、核化学や放射化学を専門とする学生の数は過去数十年で大幅に減少しています。現在、これらの分野の専門家の多くが定年退職年齢に近づいているため、これらの重要な分野で人材不足を回避するための対策が必要です。例えば、これらのキャリアに対する学生の関心を高めたり、大学や専門学校の教育能力を拡大したり、より具体的な職場訓練を提供したりすることが挙げられます。[ 30 ]
原子力および放射化学 (NRC) は主に大学レベルで教えられており、通常はまず修士号および博士号レベルで教えられます。ヨーロッパでは、産業界と社会の将来のニーズに合わせて NRC 教育を調和させ準備するための相当な努力が行われています。この努力は、欧州原子力共同体の第 7 フレームワーク プログラムによって支援される協調行動によって資金提供されるプロジェクトで調整されています。[ 31 ] [ 32 ] NucWik は主に教師を対象としていますが、原子力および放射化学に興味のある人は誰でも歓迎され、NRC に関連するトピックを説明する多くの情報と資料を見つけることができます。
原子核化学や原子核物理学の分野で最初に開発された手法の中には、化学やその他の物理科学の分野で広く用いられるようになったものがあり、それらは通常の原子核化学とは切り離して考えるのが適切かもしれない。例えば、同位体効果は化学反応機構の研究に広く用いられており、宇宙線生成同位体や長寿命不安定同位体は地質学において利用されているため、同位体化学の多くは原子核化学とは切り離して考えるのが良いだろう。
化学反応のメカニズムは、基質の同位体修飾によって反応速度がどのように変化するかを観察することによって調べることができます。これは速度論的同位体効果として知られています。これは現在、有機化学の標準的な方法です。簡単に言うと、分子内の通常の水素（プロトン）を重水素に置き換えると、XH（例えばCH、NH、OH）結合の分子振動周波数が低下し、振動零点エネルギーが低下します。律速段階が水素と他の原子間の結合の切断を伴う場合、これは反応速度の低下につながる可能性があります。[ 33 ]したがって、プロトンが重水素に置き換えられたときに反応速度が変化する場合、水素との結合の切断が速度を決定する段階の一部であると考えるのは妥当です。
宇宙線生成同位体は、宇宙線が原子核と相互作用することによって生成されます。これらは年代測定や天然トレーサーとして利用できます。さらに、安定同位体の比率を注意深く測定することで、弾丸の起源、氷試料の年代、岩石の年代に関する新たな知見を得ることができ、毛髪やその他の組織試料から個人の食生活を特定することも可能です。（詳細は「同位体地球化学」および「同位体シグネチャー」を参照してください。）
生物体内では、放射性および非放射性の同位体標識を用いて、生物の代謝を構成する複雑な反応のネットワークがどのように物質を別の物質に変換するのかを調べることができる。例えば、緑色植物は光エネルギーを利用して、光合成によって水と二酸化炭素をグルコースに変換する。水中の酸素に標識を付けると、その標識は植物細胞内の葉緑体で生成されるグルコースではなく、植物によって生成される酸素ガスに現れる。
生化学的・生理学的実験や医療的手法において、特定の同位体は重要な用途を持つ。
有機合成によって、分子の小さな領域に限定できる放射性標識を持つ複雑な分子を作成することが可能です。11Cのような短寿命同位体の場合、放射性同位体を分子に迅速に付加できるように、非常に迅速な合成法が開発されています。例えば、マイクロ流体デバイス内でのパラジウム触媒によるカルボニル化反応がアミドを迅速に形成するために使用されており[ 34 ] 、この方法を使用してPETイメージング用の放射性イメージング剤を形成できる可能性があります[ 35 ] 。
核分光法は、原子核を利用して物質の局所構造に関する情報を得る手法です。重要な手法としては、NMR（下記参照）、メスバウアー分光法、摂動角相関分光法などがあります。これらの手法は、超微細場と原子核のスピンとの相互作用を利用します。この場は磁場または電場、あるいはその両方であり、原子とその周囲の電子によって生成されます。したがって、これらの手法は物質の局所構造、特に凝縮系物理学や固体化学における凝縮系物質の局所構造を研究するものです。
NMR分光法は、物質がエネルギーを吸収した際の原子核の正味スピンを利用して分子を同定する手法です。これは現在、合成化学における標準的な分光分析ツールとなっています。NMRの主な用途の一つは、有機分子内の結合様式を決定することです。
NMRイメージングは、原子核（一般的には陽子）の正味スピンを利用して画像化を行う技術です。これは医学における診断目的で広く用いられており、放射線を被曝させることなく、人体の内部を詳細に画像化することができます。医療現場では、「核」という言葉に否定的なイメージを持つ人が多いため、NMRはしばしば単に「磁気共鳴」イメージングと呼ばれます。
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