Вікіпедія

Америцій-241

ізотоп америцію
Америцій-241
Загальні відомості
Назва, символ Америцій-241,241Am
Нейтронів 146
Протонів 95
Властивості ізотопу
Природна концентрація 0 (синтетичний)
Період напіврозпаду 432.6±0.6 років[1]
Продукти розпаду 237Np
Атомна маса 241.0568273(12)[1] а.о.м
Спін 5/2− [1]
Дефект маси 52934.3±1.1[1] кеВ
Енергія зв'язку 7543.2795(46)[1] кеВ
Канал розпаду Енергія розпаду
α-розпад 5.486 МеВ
ІП 0.0595409 МеВ
КР 93.923 МеВ
СП

Америцій-241 (241Am, Am-241) — ізотоп америцію(інші мови) з масовим числом 241. Як і всі ізотопи америцію, він радіоактивний, з періодом напіврозпаду 432,2 років. 241Am є найпоширенішим ізотопом америцію, а також найпоширенішим ізотопом америцію в ядерних відходах. Він зазвичай зустрічається в іонізаційних датчиках диму і є потенційним паливом для довгострокових радіоізотопних термоелектричних генераторів (РТГ). Його звичайними батьківськими нуклідами є 241Pu(інші мови) через β−, 241Cm(інші мови) через захоплення електрона, і 245Bk через α-розпад. Америцій-241 має питому активність[en] 3,43 кюрі/г.[2] Зазвичай зустрічається у формі діоксиду америцію-241[en] (241AmO
2). Цей ізотоп також має один ізомерний стан, 241mAm, з енергією збудження 2,2 МеВ і періодом напіврозпаду 1,23 мкс. Наявність америцію-241 у плутонії визначається вихідною концентрацією плутонію-241 і віком зразка. Старіші зразки плутонію, що містять 241Pu містять накопичений 241Am. У деяких випадках може знадобитися хімічне видалення америцію-241 з переробленого плутонію (наприклад, під час переробки плутонієвих ядер).

Ядерний синтез

ред.

Америцій-241 десятиліттями вироблявся в ядерних реакторах у невеликих кількостях, і накопичено багато кілограмів 241Am на даний момент.[3] : 1262  Тим не менш, з того часу коли він вперше був виставлений на продаж у 1962 році, його ціна становила близько US$1,500 за грам, і залишається майже незміною через дуже складну процедуру розділення.[4]

Америцій-241 синтезується не безпосередньо з урану – найпоширенішого матеріалу для реакторів – а з ізотопу плутонію-239. Останній потрібно спочатку виробити відповідно до наступного ядерного процесу:

 

Захоплення двох нейтронів 239Pu (так звана (n,γ) реакція), з наступним β-розпадом призводить до 241Am:

 

Плутоній, присутній у відпрацьованому ядерному паливі, містить близько 12% 241Pu. Через те, що він перетворюється на 241Am, 241Pu можна виділити та використати для подальшого створення 241Am. Однак цей процес досить повільний: половина від початкової кількості 241Pu розпадається до 241Am приблизно через 14 років, а кількість 241Am досягає максимуму після 70 років.[5]

Отриманий 241Am може бути використаний для отримання більш важких ізотопів америцію шляхом подальшого захоплення нейтронів всередині ядерного реактора. У реакторі на легкій воді (LWR) 79% нейтронів захоплених 241Am, перетворюють його на 242Am і 10% до його ядерного ізомеру 242mAm:[6]

79%:   

Розпад

ред.

Америцій-241 розпадається переважно через альфа-розпад із слабким побічним виділенням гамма-променів. α-розпад показано наступним чином:

 

Енергії α-розпаду становлять 5,486 МеВ для 85% випадків, 5,443 МеВ у 13% випадків і 5,388 МеВ для решти 2%.[7] Енергія γ-променів становить 59,5409 кеВ здебільшого з невеликою кількістю інших енергій, таких як 13,9 кеВ, 17,8 кеВ і 26,4 кеВ.[8]

Другим найпоширенішим типом розпаду, який зазнає америцій-241, є спонтанний поділ із коефіцієнтом розгалуження 3,6×10−12 [9], який відбувається 1,2 рази на секунду на грам америцію-241. Записується так (зірочка позначає збуджене ядро):

 

Америцій-241 - матеріал, що здатний до розщеплення. Критична маса голої кулі становить 57,6-75,6 кг, а діаметр 19-21 см.[10] Америцій-241 поглинає теплові нейтрони, однак при цьому поділ не відбувається. Поділ ядра може бути ініційований нейтронами з енергією не менше 0,8 МеВ.[11]

Найменш поширеним (найрідкіснішим) типом розпаду америцію-241 є кластерний розпад з викидом 34Si із коефіцієнтом розгалуження менше 7,4×10−16.[9] Це записується як:

 

Застосування

ред.

Іонізаційний детектор диму

ред.
Докладніше: Детектор диму
 
Робочий елемент іонізаційного детектора диму з америцієм-241.

Америцій-241 є єдиним синтетичним ізотопом, який знайшов свій шлях до домашнього господарства, де найпоширеніший тип детектора диму (іонізаційного типу) використовує 241AmO
2(діоксид америцію-241) як джерело іонізуючого випромінювання.[12] Цей ізотоп є кращим ніж 226Ra тому що він випромінює 5 разів більше альфа-частинок і відносно мало шкідливого гамма-випромінювання. З періодом напіврозпаду 432,2 роки, кількість америцію в детекторі диму зменшується і включає близько 3% нептунію після 19 і близько 5% після 32 років. Кількість америцію в типовому новому детекторі диму становить 0,29 мікрограмів з активністю 1 мікрокюрі. Деякі старі промислові детектори диму можуть містити до 80 мікрокюрі. Кількість 241Am повільно знижується, коли розпадається на нептуній-237(інші мови) (237Np), інший трансурановий елемент із набагато довшим періодом напіврозпаду (приблизно 2.14 мільйона років). Випромінювані альфа-частинки проходять через іонізаційну камеру, заповненений повітрям простір між двома електродами, що дозволяє невеликому постійному електричному струму протікати завдяки випромінюванню, що іонізує повітряний простір. Будь-який дим, який потрапляє в камеру, блокує вільне проходження деяких альфа-частинок і зменшує іонізацію, що призводить до падіння струму. Схема сигналізації виявляє падіння струму і, як наслідок, запускає п’єзоелектричний зумер. Порівняно з альтернативним оптичним детектором диму, іонізаційний детектор диму дешевший і може виявляти частинки, які є надто малими для значного розсіювання світла. Однак він більш схильний до помилкових тривог[en].[13][14][15][16]

Процес виготовлення

ред.

Процес виготовлення америцію, який використовується в робочих елементах іонізаційних датчиків диму, починається з діоксиду америцію. 241AmO
2 ретельно змішують із золотом, формують у брикет і сплавляють під тиском при температурі понад 1 470 °F (800 °C) . Підкладка зі срібла та переднє покриття із золота (або сплаву золота чи паладію) наносяться на брикет і запечатуються методом гарячого кування. Потім брикет проходить кілька етапів холодної прокатки для досягнення бажаної товщини та рівня радіаційного випромінювання. Кінцева товщина становить приблизно 0,2 мм, із золотим покриттям, що становить приблизно один відсоток товщини. Отримана смужка фольги, яка становить приблизно 20 мм завширшки, розрізається на частини довжиною 1 м. Джерела вирубаються зі стрічки фольги. Кожен диск приблизно 5,1 мм діаметром, монтується в металевий тримач, зазвичай виготовлений з алюмінію. Тримач - це корпус, який є більшою частиною того, що видно на робочому елементі. Тонкий обідок на тримачі закочується, щоб повністю закрити зрізаний край навколо диска.[17]

Радіоізотопний термоелектричний генератор

ред.

Оскільки 241Am має порівняний період напіврозпаду, що і 238Pu (432,2 років проти 87 років), він був запропонований як активний ізотоп радіоізотопних термоелектричних генераторів для використання в космічних кораблях.[18] Навіть незважаючи на те, що америцій-241 виробляє менше тепла та електроенергії, ніж плутоній-238 (вихід енергії становить 114,7 міліват на грам у 241Am проти 570 міліват на грам у 238Pu)[18] і його випромінювання становить більшу загрозу для людини через гамма- та нейтронне випромінювання, він має переваги для довготривалих місій завдяки значно довшому періоду напіврозпаду. Європейське космічне агентство працює над РТГ на основі америцію-241 для своїх космічних зондів[19] через глобальний дефіцит плутонію-238 і легкий доступ до америцію-241 в Європі від переробки ядерних відходів.[20][21]

Вимоги до екранування в РТГ є другим найнижчими серед усіх можливих ізотопів: лише 238Pu вони менші. Перевага перед 238Pu полягає в тому, що 241Am утворюється як ядерні відходи і є майже ізотопно чистим. Від дослідних зразків РТГ на 241Am очікують 2–2,2 Втe /кг для конструкцій потужністю5–50 Вт. РТГ на 238Pu в межах цього діапазону потужностей порівняні, оскільки переважну більшість маси РІТЕГ складають не ізотопи, а термоелектрики, радіатори та маса утримання ізотопу.[22]

Джерело нейтронів

ред.

Оксиди 241Am зпресовані з берилієм, можуть бути дуже ефективними джерелами нейтронів, оскільки вони випромінюють альфа-частинки під час радіоактивного розпаду:

 

Тут америцій діє як джерело альфа-випромінювання, а берилій виробляє нейтрони завдяки своєму великому поперечному перерізу для ядерної реакції (α,n):

 

Найбільш поширене використання 241AmBe джерела нейтронів 241AmBe – це нейтронний зонд[en] – пристрій, який використовується для вимірювання кількості води, присутньої в ґрунті, а також вологості/щільності для контролю якості під час будівництва автомагістралей. Джерела нейтронів з 241Am також використовуються для каротажу свердловин, а також у нейтронній радіографії, томографії та інших радіохімічних дослідженнях.[23]

Виготовлення інших елементів

ред.
 
Діаграма, що відображає актиноїди та їхні розпади та перетворення.

Америцій-241 іноді використовується як вихідний матеріал для виробництва інших трансуранових елементів і трансактинідів - наприклад, нейтронне бомбардування 241Am дає 242Am:

 

Звідти 82,7% з 242Am розпадається до 242Cm(інші мови) і 17,3% до 242Pu:

82,7% →  

17,3% →  

В ядерному реакторі 242Am також перетворюється шляхом захоплення нейтронів до 243Am(інші мови) і 244Am, який за допомогою β-розпаду перетворюється на 244Cm(інші мови):

 

Опромінення 241Am іонами 12C або 22Ne дає ізотопи 253Es (ейнштейній) або 263Db(інші мови) (дубній), відповідно.[24] Крім того, елемент берклій (ізотоп 243Bk(інші мови)) вперше був навмисно виготовлений та ідентифікований шляхом бомбардування 241Am альфа-частинками, у 1949 році, тією ж групою Берклі, використовуючи той самий циклотрон, який використовувався для багатьох попередніх експериментів.[3] : 1262 

Спектрометр

ред.

Америцій-241 використовувався як портативне джерело як гамма-променів, так і альфа-частинок для ряду медичних і промислових цілей. 59,5409 кеВ (9,53950 фДж) Гамма-випромінювання з енергією 59,5409 кеВ від 241Am у таких джерелах можна використовувати для непрямого аналізу матеріалів у радіографії та рентгенівській флуоресцентній спектроскопії, а також для контролю якості в фіксованих ядерних вимірювачах густини(інші мови). Наприклад, цей ізотоп використовувався для вимірювання товщини скла для створення плоского скла.[3] : 1262 Америцій-241 також підходить для калібрування спектрометрів гамма-випромінювання в діапазоні низьких енергій, оскільки його спектр складається з майже одного піку та незначного континууму Комптона (принаймні на три порядки меншої інтенсивності).[25]

Медицина

ред.

Гамма-промені америцію-241 використовувалися для пасивної діагностики функції щитовидної залози. Це медичне застосування вже застаріло. Гамма-промені Америцію-241 можуть забезпечити прийнятну якість рентгенограм із 10-хвилинним часом експозиції. Рентгенограми з 241Am були зроблені лише як експеримент через тривалий час опромінення, що збільшує ефективну дозу живої тканини. Зменшення тривалості опромінення зменшує ймовірність іонізації, яка спричиняє пошкодження клітин і ДНК, і є критичним компонентом принципу «час, відстань, екранування», який використовується для радіаційного захисту.[26]

Небезпеки

ред.

Америцій-241 є α-випромінювачем зі слабким побічним продуктом γ-променів. Безпечне поводження з америцієм-241 вимагає знання та дотримання належних заходів безпеки, оскільки без них це було б надзвичайно небезпечно. Його питома константа дози гамма-випромінювання становить 3,14x10-1 мР/год/мКі або 8,48x10-5 мЗв/год/МБк на відстані 1 м.[27]

При вживанні америцій-241 виводиться протягом декількох днів і лише 0,05% всмоктується в кров. Звідти приблизно 45% надходить до печінки і 45% до кісток, а решта 10% виводиться. Поглинання печінкою залежить від людини і збільшується з віком. У кістках америцій спочатку відкладається на кортикальних(інші мови) і трабекулярних поверхнях і з часом повільно перерозподіляється по кістці. Період напіввиведення 241Am становить 50 років у кістках і 20 років у печінці, тоді як у статевих залозах (яєчках і яєчниках) він залишається назавжди; у всіх цих органах америцій сприяє утворенню ракових клітин внаслідок своєї радіоактивності.[28]

 

Америцій-241 часто потрапляє на звалища через викинуті датчики диму. У більшості юрисдикцій правила, пов’язані з утилізацією детекторів диму, послаблені. У США «Радіоактивний бойскаут» Девід Ган зміг сконцентрувати америцій-241 з детекторів диму після того, як зумів купити сотню з них за злишковою ціною, а також вкрасти кілька.[29][30][31][32] Було кілька випадків впливу америцію-241, найгіршим був випадок Гарольда МакКласкі(інші мови), який у віці 64 років піддався впливу америцію-241, який у 500 разів перевищував норму професійної діяльності в результаті вибуху в його лабораторії. МакКласкі помер у віці 75 років не в результаті опромінення, а від хвороби серця, яка була у нього до аварії.[33][34] Америцій-241 також було виявлено в океанах у результаті випробувань ядерної зброї, проведених різними країнами.[35]

Примітки

ред.
  1. ↑ а б в г д Kondev, F.G.; Wang, M.; Huang, W.J.; Naimi, S.; Audi, G. (1 березня 2021). The NUBASE2020 evaluation of nuclear physics properties *. Chinese Physics C. Т. 45, № 3. с. 030001. doi:10.1088/1674-1137/abddae. ISSN 1674-1137. Процитовано 8 червня 2024.
  2. ↑ Americium: Chemical, physical, and radiological information (PDF). Agency for Toxic Substances and Disease Registry (CDC). с. 103—111. Процитовано 24 липня 2019.
  3. ↑ а б в Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (вид. 2nd). Pergamon Press. ISBN 978-0-7506-3365-9. LCCN 97036336. OCLC 1005231772. OL 689297M.
  4. ↑ Smoke detectors and americium. World Nuclear Association (брит.). January 2009. Архів оригіналу за 24 грудня 2008. Процитовано 2 вересня 2022. {{cite web}}: Проігноровано невідомий параметр |df= (довідка) [Архівовано 2012-01-05 у Wayback Machine.]
  5. ↑ PLUTONIUM: THE LAST FIVE YEARS | Part I: The Trouble With Plutonium | A Review of Plutonium Destructiveness, Complexity, and Hazards. Blue Ridge Environmental Defense League. Архів оригіналу за 28 липня 2022. Процитовано 2 вересня 2022. {{cite web}}: Проігноровано невідомий параметр |df= (довідка)
  6. ↑ Sasahara, Akihiro; Matsumura, Tetsuo; Nicolaou, Giorgos; Papaioannou, Dimitri (7 лютого 2012). Neutron and Gamma Ray Source Evaluation of LWR High Burn-up UO
    2     and MOX Spent Fuels. Journal of Nuclear Science and Technology. Atomic Energy Society of Japan (AESJ)(інші мови). 41 (4): 448—456. doi:10.1080/18811248.2004.9715507. eISSN 1881-1248. ISSN 0022-3131. OCLC 2251715.
  7. ↑ AMERICIUM-241.
  8. ↑ GAMMA RAY SPECTRUM OF AM-241 IN A BACK SCATTERING GEOMETRY USING A HIGH PURITY GERMANIUM DETECTOR (PDF).
  9. ↑ а б Audi, G.; Kondev, F. G.; Wang, Meng; Huang, W.J.; Naimi, S. (2017-03). The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties. Chinese Physics C. Т. 41, № 3. с. 030001. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001. ISSN 1674-1137. Процитовано 8 червня 2024.
  10. ↑ Dias, Hemanth; Tancock, Nigel; Clayton, Angela (20 жовтня 2003). Critical mass calculations for 241Am, 242mAm and 243Am. Proceedings of the seventh international conference on nuclear criticality safety. Japan Atomic Energy Research Institute. CiteSeerX 10.1.1.540.1085 — через International Atomic Energy Agency (IAEA). {{cite conference}}: Проігноровано невідомий параметр |df= (довідка)
  11. ↑ Gulevich, A. V.; Eliseev, V. A.; Komlev, O. G.; Tormyshev, I. V.; Toshinsky, G. I. (2020). Americium Transmutation in the SVBR-100 Reactor. World Journal of Nuclear Science and Technology. Т. 10, № 03. с. 116—128. doi:10.4236/wjnst.2020.103011. ISSN 2161-6795. Процитовано 8 червня 2024.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  12. ↑ Smoke Detectors and Americium. Nuclear Issues Briefing Paper (en-au) . Uranium Information Centre. 35. May 2002. Архів оригіналу за 3 березня 2008. Процитовано 2 вересня 2022.{{cite journal}}: Обслуговування CS1:Сторінки з посиланнями на джерела, що мають непридатні URL (посилання)
  13. ↑ . Duisburg, DE. {{cite conference}}: |archive-date= вимагає |archive-url= (довідка); Вказано більш, ніж один |archivedate= та |archive-date= (довідка); Пропущений або порожній |title= (довідка)Обслуговування CS1: Сторінки з параметром url-status, але без параметра archive-url (посилання)
  14. ↑ Bukowski, Richard W.; Peacock, Richard D.; Averill, Jason D.; Cleary, Thomas G.; Bryner, Nelson P. та ін. (1 грудня 2007). Home Smoke Alarms Analysis of the Response of Several Available Technologies in Residential Fire Settings (Технічний звіт). № NIST TN 1455-1. Архів оригіналу за 8 березня 2022. Процитовано 2 вересня 2022. {{cite tech report}}: Проігноровано невідомий параметр |df= (довідка)
  15. ↑ Smoke detectors and americium-241 fact sheet (PDF) (Звіт) (en-ca) . Canadian Nuclear Society[en]. October 2008. Архів (PDF) оригіналу за 20 травня 2022. Процитовано 2 вересня 2022. {{cite report}}: Проігноровано невідомий параметр |df= (довідка)
  16. ↑ (Звіт). Atlanta, GA. {{cite report}}: |archive-date= вимагає |archive-url= (довідка); Вказано більш, ніж один |archivedate= та |archive-date= (довідка); Пропущений або порожній |title= (довідка)Обслуговування CS1: Сторінки з параметром url-status, але без параметра archive-url (посилання)
  17. ↑ Smoke Detector. How Products are Made. n.d. Процитовано 1 вересня 2022.
  18. ↑ а б Kulcinski, G.L. (Spring 2000). Nuclear Power in Space. NEEP 602 Course Notes (PDF). University of Wisconsin Fusion Technology Institute. last page. Архів оригіналу (PDF) за 4 січня 2006. [Архівовано 2013-02-15 у Wayback Machine.]
  19. ↑ Chahal, Major S. (8 лютого 2012). European Space Nuclear Power Programme: UK Activities (PDF). UK Space Agency. Архів (PDF) оригіналу за 16 травня 2012. Процитовано 1 вересня 2022 — через United Nations Office for Outer Space Affairs.
  20. ↑ Clark, Stephen (9 липня 2010). Space agencies tackle waning plutonium stockpiles. Spaceflight Now. Архів оригіналу за 28 липня 2022. Процитовано 2 вересня 2022. ESA's nuclear program would likely focus on americium, according to Southwood. [...] Americium-241 has a longer half-life than plutonium-238, meaning it could survive longer in space, but the isotope produces less heat and electricity. Americium is also a greater radiation hazard to humans, according to scientists.
  21. ↑ Greenfieldboyce, Nell (28 вересня 2009). Plutonium Shortage Could Stall Space Exploration. NPR. Архів оригіналу за 12 серпня 2022. Процитовано 2 вересня 2022. NASA is running out of the special kind of plutonium needed to power deep space probes, worrying planetary scientists who say the U. S. urgently needs to restart production of plutonium-238.
  22. ↑ . The Woodlands, Texas. {{cite conference}}: |archive-date= вимагає |archive-url= (довідка); Вказано більш, ніж один |archivedate= та |archive-date= (довідка); Недійсний |display-authors=5 (довідка); Пропущений або порожній |title= (довідка)Обслуговування CS1: Сторінки з параметром url-status, але без параметра archive-url (посилання)
  23. ↑ Industrial Uses of Nuclear Materials. Nuclear Regulatory Commission (амер.). 2 грудня 2020. Архів оригіналу за 8 серпня 2022. Процитовано 2 вересня 2022. {{cite web}}: Проігноровано невідомий параметр |df= (довідка)
  24. ↑ Binder, Harry H. (1999). Lexikon der chemischen Elemente: das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten [Lexicon of the chemical elements: the periodic table in facts, figures and dates] (нім.). Hirzel. ISBN 978-3-7776-0736-8. LCCN 99200502. OCLC 40933941. OL 90844M.
  25. ↑ Nuclear Data Viewer 2.4 [Архівовано 2017-06-01 у Wayback Machine.], NNDC
  26. ↑ Americium-241 Uses (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 29 листопада 2015.
  27. ↑ AMERICIUM-241 [241Am].
  28. ↑ Frisch, Franz Crystal Clear, 100 x energy, Bibliographisches Institut AG, Mannheim 1977, ISBN 3-411-01704-X, p. 184
  29. ↑ Ken Silverstein, The Radioactive Boy Scout: When a teenager attempts to build a breeder reactor.
  30. ↑ 'Radioactive Boy Scout' Charged in Smoke Detector Theft. Fox News. 4 серпня 2007. Архів оригіналу за 8 грудня 2007. Процитовано 28 листопада 2007.
  31. ↑ Man dubbed 'Radioactive Boy Scout' pleads guilty. Detroit Free Press. Associated Press. 27 серпня 2007. Архів оригіналу за 29 вересня 2007. Процитовано 27 серпня 2007. [Архівовано 2007-09-29 у Wayback Machine.]
  32. ↑ 'Radioactive Boy Scout' Sentenced to 90 Days for Stealing Smoke Detectors. Fox News. 4 жовтня 2007. Архів оригіналу за 13 листопада 2007. Процитовано 28 листопада 2007.
  33. ↑ Cary, Annette (25 квітня 2008). Doctor remembers Hanford's 'Atomic Man'. Tri-City Herald. Архів оригіналу за 10 лютого 2010. Процитовано 17 червня 2008.
  34. ↑ Hanford nuclear workers enter site of worst contamination accident. Billings Gazette. Associated Press. 3 червня 2005. Архів оригіналу за 13 жовтня 2007. Процитовано 17 червня 2007. [Архівовано 2007-10-13 у Wayback Machine.]
  35. ↑ Rozmaric, M.; Chamizo, E.; Louw, D. C.; López-Lora, M.; Blinova, O.; Levy, I.; Mudumbi, B.; van der Plas, A. K.; Garcia Tenorio, R. (1 січня 2022). Fate of anthropogenic radionuclides (90Sr, 137Cs, 238Pu, 239Pu, 240Pu, 241Am) in seawater in the northern Benguela upwelling system off Namibia. Chemosphere. 286 (Pt 1): 131514. Bibcode:2022Chmsp.28631514R. doi:10.1016/j.chemosphere.2021.131514. ISSN 0045-6535. PMID 34311394. Процитовано 1 січня 2024 — через Elsevier Science Direct.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Америцій-241&oldid=44066846