Америций-241 ( 241 Am , Am-241 ) — изотоп америция . Как и все изотопы америция, он радиоактивен , с периодом полураспада432,2 года . 241 Am является наиболее распространенным изотопом америция , а также наиболее распространенным изотопом америция в ядерных отходах . Он обычно встречается в дымовых извещателях ионизационного типа и является потенциальным топливом для долгосрочных радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ). Его обычными родительскими нуклидами являются β − из 241 Pu, EC из 241 Cm и α из 245 Bk. 241 Am не является делящимся , но может делиться , а критическая масса голой сферы составляет 57,6–75,6 килограмма (127,0–166,7 фунта), а диаметр сферы 19–21 сантиметр (7,5–8,3 дюйма). [2] Америций-241 имеет удельную активность 3,43 Ки / г (126,91 ГБк /г). [3] Он обычно встречается в форме диоксида америция-241 (241AmO2 ) . Этот изотоп также имеет одно метасостояние , 241mAm , с энергией возбуждения 2,2 МэВ (0,35 пДж ) и периодом полураспада1,23 мкс . Наличие 241 Am в плутонии определяется исходной концентрацией плутония-241 и возрастом образца. Из-за низкой проникающей способности альфа-излучения америций-241 представляет опасность для здоровья только при проглатывании или вдыхании. Более старые образцы плутония, содержащие 241 Pu, содержат накопление 241 Am. Химическое удаление америция-241 из переработанного плутония (например, во время переработки плутониевых ям ) может потребоваться в некоторых случаях.
Америций-241 производился в небольших количествах в ядерных реакторах в течение десятилетий, и к настоящему времени накоплено много килограммов 241 Am. [4] : 1262 Тем не менее, с тех пор как он впервые был выставлен на продажу в 1962 году, его цена, около 1500 долларов США за грамм 241 Am, остается практически неизменной из-за очень сложной процедуры разделения. [5]
Америций-241 синтезируется не напрямую из урана – самого распространенного реакторного материала – а из плутония-239 ( 239 Pu). Последний необходимо произвести первым, согласно следующему ядерному процессу:
Захват двух нейтронов 239 Pu (так называемая (n,γ)-реакция) с последующим β-распадом приводит к образованию 241 Am:
Плутоний, присутствующий в отработанном ядерном топливе, содержит около 12% 241 Pu. Поскольку он преобразуется в 241 Am, 241 Pu может быть извлечен и использован для получения дальнейшего 241 Am. [5] Однако этот процесс довольно медленный: половина исходного количества 241 Pu распадается до 241 Am примерно через 14 лет, а количество 241 Am достигает максимума через 70 лет. [6]
Полученный 241 Am может быть использован для получения более тяжелых изотопов америция путем дальнейшего захвата нейтронов внутри ядерного реактора. В легководном реакторе (LWR) 79% захватов нейтронов на 241 Am преобразуются в 242 Am и 10% в его ядерный изомер 242m Am: [7]
Америций-241 распадается в основном через альфа-распад , со слабым побочным продуктом гамма-излучения . α-распад показан следующим образом:
Энергии α-распада составляют 5,486 МэВ (0,8790 пДж) в течение 85% времени (то, что широко принято для стандартной энергии α-распада), 5,443 МэВ (0,8721 пДж) в течение 13% времени и 5,388 МэВ (0,8633 пДж) в течение оставшихся 2%. [8] Энергия γ-излучения составляет 59,5409 кэВ (9,53950 фДж) в течение большей части, с небольшими количествами других энергий, таких как 13,9 кэВ (2,23 фДж), 17,8 кэВ (2,85 фДж) и 26,4 кэВ (4,23 фДж). [9]
Вторым наиболее распространенным типом распада, которому подвергается америций-241, является спонтанное деление с коэффициентом ветвления 3,6×10−12 [ 10] и происходящим 1,2 раза в секунду на грамм 241 Am. Это записывается следующим образом (звездочка обозначает возбужденное ядро):
Наименее распространенный (редкий) тип распада америция-241 — это34Си Распад кластера с отношением ветвления менее 7,4×10−16 . [ 10] Он записывается следующим образом:
Америций-241 — единственный синтетический изотоп, который нашел применение в быту, где наиболее распространенный тип дымовых извещателей (ионизационного типа) использует241
Являюсь
О
2(диоксид америция-241) в качестве источника ионизирующего излучения . [11] Этот изотоп предпочтительнее, чем226
Ра
потому что он испускает в 5 раз больше альфа-частиц и относительно мало вредного гамма-излучения. С его периодом полураспада432,2 года , америций в дымовом извещателе уменьшается и включает около 3% нептуния после19 лет и около 5% после32 года . Количество америция в типичном новом дымовом извещателе составляет 0,29 микрограмма (4,5 × 10−6 гран ) (около 1/3000 веса небольшой песчинки ) с активностью 1 микрокюри (37 кБк ). Некоторые старые промышленные дымовые извещатели (особенно от Pyrotronics Corporation) могут содержать до 80 микрокюри (3000 кБк). Количество 241 Am медленно уменьшается по мере его распада на нептуний-237 ( 237 Np), другой трансурановый элемент с гораздо более длительным периодом полураспада (около2,14 миллиона лет ). Излученные альфа-частицы проходят через ионизационную камеру , заполненное воздухом пространство между двумя электродами , которое позволяет небольшому постоянному электрическому току проходить между пластинами конденсатора из-за излучения, ионизирующего воздушное пространство между ними. Любой дым, который попадает в камеру, блокирует/поглощает часть альфа-частиц от свободного прохождения и уменьшает ионизацию и, следовательно, вызывает падение тока. Схема сигнализации обнаруживает это падение тока и, как следствие, включает пьезоэлектрический зуммер. По сравнению с альтернативным оптическим дымовым извещателем ионизационный дымовой извещатель дешевле и может обнаруживать частицы, которые слишком малы, чтобы производить значительное рассеяние света. Однако он более подвержен ложным срабатываниям . [12] [13] [14] [15]
Процесс изготовления америция, используемого в кнопках ионизационных дымовых извещателей, начинается с диоксида америция. 241 AmO 2 тщательно смешивается с золотом, формируется в брикет и сплавляется под давлением и при температуре более 1470 °F (800 °C). Подложка из серебра и переднее покрытие из золота (или сплава золота или палладия ) наносятся на брикет и герметизируются горячей ковкой. Затем брикет обрабатывается на нескольких этапах холодной прокатки для достижения желаемой толщины и уровней излучения излучения. Окончательная толщина составляет около 0,008 дюйма (0,20 мм), причем золотое покрытие составляет около одного процента толщины. Полученная полоса фольги шириной около 0,8 дюйма (20 мм) разрезается на секции длиной 39 дюймов (1 м). Источники вырубаются из полосы фольги. Каждый диск диаметром около 0,2 дюйма (5,1 мм) устанавливается в металлический держатель, обычно из алюминия. Держатель — это корпус, который составляет большую часть того, что видно на кнопке. Тонкий ободок на держателе завальцован, чтобы полностью запечатать обрезанный край вокруг диска. [16]
Поскольку 241 Am имеет примерно такой же период полураспада, как и 238 Pu (432,2 года против 87 лет), он был предложен в качестве активного изотопа радиоизотопных термоэлектрических генераторов для использования в космических аппаратах. [17] Несмотря на то, что америций-241 производит меньше тепла и электроэнергии, чем плутоний-238 (выходная мощность составляет 114,7 милливатт на грамм [3,25 ватт на унцию] для 241 Am против 570 мВт/г [16 Вт/унцию] для 238 Pu) [17] и его излучение представляет большую угрозу для людей из-за гамма- и нейтронного излучения, он имеет преимущества для длительных миссий благодаря своему значительно более длительному периоду полураспада. Европейское космическое агентство работает над РИТЭГами на основе америция-241 для своих космических зондов [18] в связи с глобальной нехваткой плутония-238 и легким доступом к америцию-241 в Европе, получаемому в результате переработки ядерных отходов. [19] [20]
Его требования к экранированию в РИТЭГе являются вторыми по низшей степени среди всех возможных изотопов: только 238 Pu требует меньше. Преимущество перед 238 Pu заключается в том, что он производится как ядерные отходы и является почти изотопно чистым. Прототипные конструкции 241 Am РИТЭГов ожидают 2–2,2 Вт эл . /кг для конструкции 5–50 Вт эл. РИТЭГов, что ставит 241 Am РИТЭГи на один уровень с 238 Pu РИТЭГами в этом диапазоне мощности, поскольку подавляющее большинство массы РИТЭГа составляют не изотопы, а термоэлектрические элементы, радиаторы и масса изотопного удержания. [21]
Оксиды 241 Am, спрессованные с бериллием, могут быть весьма эффективными источниками нейтронов , поскольку они испускают альфа-частицы при радиоактивном распаде :
Здесь америций выступает в качестве источника альфа-частиц, а бериллий производит нейтроны благодаря своему большому сечению ядерной реакции (α,n):
Наиболее распространенное использование241
Являюсь
Источники нейтронов Be представляют собой нейтронный зонд – устройство, используемое для измерения количества воды, присутствующей в почве, а также влажности/плотности для контроля качества при строительстве автомагистралей. Источники нейтронов 241 Am также используются в приложениях для каротажа скважин, а также в нейтронной радиографии , томографии и других радиохимических исследованиях. [22]
Америций-241 иногда используется в качестве исходного материала для производства других трансурановых элементов и трансактинидов — например, нейтронная бомбардировка 241Am дает 242Am :
Отсюда 82,7% 242 Am распадается на 242 Cm и 17,3% на 242 Pu:
82,7% →
17,3% →
В ядерном реакторе 242 Am также преобразуется путем захвата нейтронов в 243 Am и 244 Am, который превращается в 244 Cm посредством β-распада:
Облучение 241 Am ионами 12 C или 22 Ne дает эйнштейний -253 ( 253 Es) или дубний -263 ( 263 Db) соответственно. [23] Кроме того, элемент берклий ( изотоп 243 Bk) был впервые намеренно получен и идентифицирован путем бомбардировки 241 Am альфа-частицами в 1949 году той же группой из Беркли, используя тот же 60-дюймовый (1500 мм) циклотрон, который использовался для многих предыдущих экспериментов. [4] : 1262
Америций-241 использовался в качестве портативного источника гамма-лучей и альфа-частиц для ряда медицинских и промышленных целей. Гамма-излучение 59,5409 кэВ (9,53950 фДж) от 241 Am в таких источниках может использоваться для косвенного анализа материалов в радиографии и рентгеновской флуоресцентной спектроскопии, а также для контроля качества в стационарных ядерных плотномерах и ядерных денсометрах . Например, этот изотоп использовался для измерения толщины стекла , чтобы помочь создать плоское стекло. [4] : 1262 Америций-241 также подходит для калибровки гамма-спектрометров в диапазоне низких энергий, поскольку его спектр состоит из почти одного пика и незначительного комптоновского континуума (по крайней мере на три порядка ниже интенсивности). [24]
Гамма-лучи америция-241 использовались для пассивной диагностики функции щитовидной железы . Это медицинское применение в настоящее время устарело. Гамма-лучи америция-241 могут обеспечить приемлемое качество рентгенограмм с 10-минутным временем экспозиции. Рентгенограммы 241 Am были сделаны только экспериментально из-за длительного времени экспозиции, которое увеличивает эффективную дозу для живой ткани. Уменьшение продолжительности экспозиции снижает вероятность событий ионизации, вызывающих повреждение клеток и ДНК, и является критическим компонентом в максиме «время, расстояние, экранирование», используемой в радиационной защите . [25]
Америций-241 имеет те же общие опасности, что и другие изотопы америция: он одновременно чрезвычайно токсичен и радиоактивен. Хотя α-частицы можно остановить листом бумаги, существуют серьезные проблемы со здоровьем при проглатывании α-излучателей. Америций и его изотопы также очень химически токсичны, в форме токсичности тяжелых металлов. Всего 0,03 микрокюри (1,1 кБк) является максимально допустимой нагрузкой на организм для 241 Am. [26]
Америций-241 является α-излучателем со слабым побочным продуктом γ-излучения. Безопасное обращение с америцием-241 требует знания и соблюдения надлежащих мер безопасности, поскольку без них он был бы чрезвычайно опасен. Его удельная константа дозы гамма-излучения составляет3,14 × 10−1 мР / ч/мКи или8,48 × 10−5 мЗв/ч/МБк на расстоянии 1 метра ( 3 фута 3 дюйма). [27]
При употреблении америций-241 выводится из организма в течение нескольких дней, и только 0,05% всасывается в кровь. Оттуда примерно 45% его поступает в печень и 45% в кости, а оставшиеся 10% выводятся. Поглощение печенью зависит от человека и увеличивается с возрастом. В костях америций сначала откладывается на кортикальных и трабекулярных поверхностях и со временем медленно перераспределяется по костям. Биологический период полураспада 241 Am составляет50 лет в костях и20 лет в печени, тогда как в половых железах (яичках и яичниках) он остается постоянно; во всех этих органах америций способствует образованию раковых клеток в результате своей радиоактивности. [28]
Америций-241 часто попадает на свалки из выброшенных дымовых извещателей . Правила, связанные с утилизацией дымовых извещателей, смягчены в большинстве юрисдикций. В США «Радиоактивный бойскаут» Дэвид Хан смог сконцентрировать америций-241 из дымовых извещателей, умудрившись купить сотню из них по остаточным ценам, а также украсть несколько. [29] [30] [31] [32] Было несколько случаев воздействия америция-241, худшим из которых был случай Гарольда Маккласки , который в возрасте 64 лет подвергся воздействию в 500 раз превышающему профессиональную норму для америция-241 в результате взрыва в своей лаборатории. Маккласки умер в возрасте 75 лет, но не в результате воздействия, а от сердечного заболевания , которое у него было до аварии. [33] [34] Америций-241 также был обнаружен в океанах в результате ядерных испытаний, проведенных различными странами. [35]
{{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link)По словам Саутвуда, ядерная программа ЕКА, скорее всего, будет сосредоточена на америции. [...] Америций-241 имеет более длительный период полураспада, чем плутоний-238, что означает, что он может дольше выживать в космосе, но изотоп производит меньше тепла и электроэнергии. По словам ученых, америций также представляет большую радиационную опасность для людей.
У НАСА заканчивается особый вид плутония, необходимый для питания зондов дальнего космоса, что беспокоит планетологов, которые говорят, что США необходимо срочно возобновить производство плутония-238.