Америций-241 - Americium-241

Америций-241,²⁴¹Являюсь

Маленькая кнопка, содержащая ^241AmO2 от дымовой пожарной сигнализации
Общий
Символ	^241Являюсь
Имена	америций-241, Ам-241
Протоны	95
Нейтронов	146
Данные о нуклидах
Природное изобилие	0 (синтетический )
Период полураспада	432,2 года
Родительские изотопы	^241Пу  (β^− ) ^241См  (EC ) ^245Bk  (α )
Продукты распада	^237Np
Изотопная масса	241.056829144 ты
Вращение	5/2−
Избыточная энергия	52936.008 кэВ
Связующая энергия	7543,272 кэВ
Режимы распада
Режим распада	Энергия распада (МэВ )
α-распад (альфа)	5.486
γ-излучение (гамма)	0.0595409
CD (распад кластера)	93.923
Изотопы америция Полная таблица нуклидов

Америций-241 (²⁴¹Являюсь, Ам-241) является изотоп америция. Как и все изотопы америция, он радиоактивный, с период полураспада 432,2 года. ²⁴¹Am - самый распространенный изотоп из америций а также наиболее распространенный изотоп америция в ядерные отходы. Обычно встречается в ионизационном типе. детекторы дыма и является потенциальным топливом для длительного срока службы радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи). Его общие родительские нуклиды: β⁻ из ²⁴¹Пу, EC из ²⁴¹См, а α из ²⁴⁵Кн. ²⁴¹Я делящийся и критическая масса голой сферы составляет 57,6-75,6 килограмма, а диаметр сферы 19-21 сантиметр.^[1] Америций-241 имеет специфическая деятельность 3,43 Ки / г (кюри на грамм или 126,8 гигабеккерели (ГБк) на грамм).^[2] Обычно встречается в виде диоксид америция-241 (²⁴¹AmO₂). Этот изотоп также имеет один мета-состояние, ^{241 кв.м.}Am, с энергией возбуждения 2,2 МэВ и период полураспада 1,23 мкс. Наличие америция-241 в плутоний определяется исходной концентрацией плутония-241 и возрастом образца. Из-за низкого проникновения альфа-излучения америций-241 представляет опасность для здоровья только при проглатывании или вдыхании. Более старые образцы плутония, содержащие плутоний-241, содержат скопление ²⁴¹Являюсь. Химическое удаление америция-241 из переработанного плутония (например, при переработке плутониевые карьеры ) может потребоваться в некоторых случаях.

Нуклеосинтез

Америций-241 производился в небольших количествах в ядерные реакторы десятилетиями, и многие килограммы ²⁴¹К настоящему времени накоплены.^[3] Тем не менее, поскольку он был впервые выставлен на продажу в 1962 году, его цена составляла около АМЕРИКАНСКИЙ ДОЛЛАР$ 1500 за грамм ²⁴¹Am, остается практически неизменным из-за очень сложной процедуры разделения.^[4]

Америций-241 синтезируется не напрямую из урана - наиболее распространенного реакторного материала - а из изотопа плутония. ²³⁹Пу. Последние должны быть произведены в первую очередь в соответствии со следующим ядерным процессом:

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

Захват двух нейтронов ²³⁹Pu (так называемая (n, γ) реакция) с последующим β-распадом приводит к ²⁴¹Являюсь:

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

Плутоний, присутствующий в отработавшем ядерном топливе, содержит около 12% ²⁴¹Пу. Потому что он преобразуется в ²⁴¹Являюсь, ²⁴¹Pu может быть извлечен и может быть использован для получения дополнительных ²⁴¹Являюсь.^[4] Однако этот процесс довольно медленный: половина первоначального количества ²⁴¹Pu распадается на ²⁴¹Я примерно через 14 лет, и ²⁴¹Сумма достигает максимума через 70 лет.^[5]

Полученные ²⁴¹Am можно использовать для генерации более тяжелых изотопов америция путем дальнейшего захвата нейтронов внутри ядерного реактора. В легководный реактор (LWR) 79% нейтронов улавливается на ²⁴¹Я преобразован в ²⁴²Am и 10% к его ядерный изомер ^{242 кв.м.}Являюсь:^[6]

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

Разлагаться

Основная статья: Радиоактивный распад

Америций-241 распадается в основном через альфа-распад, со слабым гамма-луч побочный продукт. Α-распад показан следующим образом:

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np~+~_{2}^{4}\alpha ^{2+}+\gamma ~59.5409~keV} }$

Энергии α-распада 5,486 МэВ для 85% времени (тот, который широко принят для стандартной энергии α-распада), 5,443 МэВ для 13% времени и 5,388 МэВ для оставшихся 2%.^[7] В γ-лучи энергия 59,5409 кэВ по большей части, с небольшими количествами других энергий, таких как 13,9 кэВ, 17,8 кэВ и 26,4 кэВ.^[8]

Второй наиболее распространенный тип распада америция-241 - это спонтанное деление, с коэффициентом ветвления 3.6 × 10^−12[9] и происходит 1,2 раза в секунду на грамм ²⁴¹Являюсь. Написано так (звездочкой обозначено возбужденное ядро):

${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\longrightarrow ~_{\ 95}^{241}Am^{*}\longrightarrow 3_{0}^{1}n~+~fission~products~+energy~(\gamma )} }$

Наименее распространенный (самый редкий) тип распада америция-241 - это ³⁴Si кластерный распад, с коэффициентом ветвления менее 7,4 × 10⁻¹⁶.^[9] Написано это так:

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

Приложения

Детектор дыма ионизационного типа

Основная статья: Детектор дыма

Америций-241 - единственный синтетический изотоп, попавший в домашнее хозяйство, где наиболее распространен тип детектор дыма (ионизационный) использует ²⁴¹AmO₂ (диоксид америция-241) в качестве источника ионизирующего излучения.^[10] Этот изотоп предпочтительнее ²²⁶Ра потому что он испускает в 5 раз больше альфа-частиц и относительно мало вредного гамма-излучения. При периоде полураспада 432,2 года америций в дымовом извещателе уменьшается и составляет около 3%. нептуний через 19 лет и около 5% через 32 года. Количество америция в типичном новом дымовом извещателе составляет 0,29 микрограмм (около одной трети веса песчинки) с активностью 1 микрокюри / 37 килобеккерелей (1,0 мкКи / 37 кБк ). Некоторые старые промышленные детекторы дыма (особенно от Pyrotronics Corporation) могут содержать до 80 мкКи. Количество ²⁴¹Я медленно снижается, поскольку распадается на нептуний-237, другой трансурановый элемент с гораздо более длительным периодом полураспада (около 2,14 миллиона лет). Излученный альфа-частицы пройти через ионизационная камера, заполненное воздухом пространство между двумя электроды, что позволяет небольшой, постоянный электрический ток проходить между пластинами конденсатора из-за излучения, ионизирующего воздушное пространство между ними. Любой дым, попадающий в камеру, блокирует / поглощает некоторые из альфа-частиц от свободного прохода и снижает ионизацию и, следовательно, вызывает падение тока. Схема аварийной сигнализации обнаруживает это падение тока и, как следствие, вызывает срабатывание пьезоэлектрического зуммера. По сравнению с альтернативным оптическим детектором дыма ионизационный детектор дыма дешевле и может обнаруживать частицы, которые слишком малы, чтобы вызывать значительное рассеяние света. Однако он более склонен к ложные срабатывания.^{[11][12][13][14]}

Производственный процесс

Процесс производства америция, используемого в кнопках детекторов дыма ионизационного типа, начинается с диоксида америция. AmO₂ тщательно смешивается с золотом, формируется в брикет и плавится под давлением и нагреванием при температуре более 1470 ° F (800 ° C). Подложка из серебра и лицевое покрытие из золота (или сплава золота или палладий ) наносятся на брикет и склеиваются методом горячей штамповки. Затем брикет проходит несколько стадий холодной прокатки для достижения желаемой толщины и уровня излучения. Конечная толщина составляет около 0,008 дюйма (0,2 мм), при этом золотое покрытие составляет около одного процента толщины. Полученную полосу фольги шириной около 0,8 дюйма (20 мм) разрезают на секции длиной 39 дюймов (1 метр). Источники выбиты из фольги. Каждый диск диаметром около 0,2 дюйма (5 мм) установлен в металлическом держателе, обычно сделанном из алюминия. Держатель - это корпус, а это большая часть того, что видно на кнопке. Тонкий ободок держателя перевернут, чтобы полностью закрыть обрезанный край вокруг диска.^[15]

Производство электроэнергии РИТЭГ

В качестве ²⁴¹У меня есть грубо период полураспада похож на ²³⁸Pu (432,2 года против 87 лет), он был предложен как активный изотоп из радиоизотопные термоэлектрические генераторы, для использования в космических аппаратах.^[16][17] Хотя америций-241 производит меньше тепла и электричества, чем плутоний-238 (выход мощности 114,7 мВт / г для ²⁴¹Am по сравнению с 390 мВт / г для ²³⁸Пу)^[16] и его излучение представляет большую опасность для людей из-за гамма- и нейтронного излучения, он имеет преимущества для длительных миссий благодаря значительно большему периоду полураспада. В Европейское космическое агентство работает над РИТЭГами на основе америция-241 для своих космических аппаратов^[18] в результате глобальной нехватки плутония-238 и легкого доступа к америцию-241 в Европе в результате переработки ядерных отходов.^[19][20]

Его требования к экранированию в РИТЭГе вторые по величине из всех возможных изотопов: только ²³⁸Пу требует меньше. Преимущество перед ²³⁸Pu состоит в том, что он образуется как ядерные отходы и почти изотопно чист. Опытные образцы ²⁴¹Ам РИТЭГи ожидают 2-2,2 Вт_е/ кг для 5-50 Вт_е Проектирование РИТЭГов, установка ²⁴¹Я РИТЭГ на паритетных началах с ²³⁸Pu РИТЭГи в этом диапазоне мощностей.^[21]

Источник нейтронов

Оксиды ²⁴¹На меня давят бериллий может быть очень эффективным источники нейтронов, поскольку они испускают альфа-частицы в течение радиоактивный распад:

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

Здесь америций действует как альфа-источник, а бериллий производит нейтроны из-за своего большого сечения для ядерной реакции (α, n):

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

Наиболее распространенное использование ²⁴¹Источники нейтронов AmBe - это нейтронный зонд - устройство, используемое для измерения количества воды, присутствующей в почве, а также влажности / плотности для контроля качества при строительстве шоссе. ²⁴¹Источники Am-нейтронов также используются в каротажных исследованиях скважин, а также в нейтронная радиография, томография и др. Радиохимические исследования.^[22]

Изготовление других элементов

Диаграмма, показывающая актиниды, их распад и превращения.

Америций-241 иногда используется в качестве исходного материала для производства других трансурановых элементов и трансактиниды - например, нейтронная бомбардировка ²⁴¹Am дает ²⁴²Являюсь:

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

Оттуда 82,7% ²⁴²Я распадается на ²⁴²См и 17,3% до ²⁴²Pu:

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

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

В ядерном реакторе ²⁴²Am также преобразуется с повышением частоты нейтронного захвата в ²⁴³Я и ²⁴⁴Am, который при β-распаде переходит в ²⁴⁴См:

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

Облучение ²⁴¹Я по ¹²C или ²²Ионы Ne дают изотопы ²⁵³Es (эйнштейний ) или же ²⁶³Db (дубний ), соответственно.^[23] Кроме того, элемент берклий (²⁴³Изотоп Bk) был впервые намеренно произведен и идентифицирован путем бомбардировки ²⁴¹Я работал с альфа-частицами в 1949 году той же группой в Беркли, используя тот же 60-дюймовый циклотрон, который использовался во многих предыдущих экспериментах. По аналогии, нобелий был произведен на Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия, в 1965 г. в нескольких реакциях, одна из которых включала облучение ²⁴³Я с ¹⁵Ионы N. Кроме того, одна из реакций синтеза лоуренсий, обнаруженные учеными в Беркли и Дубне, включали бомбардировку ²⁴³Я с ¹⁸О.^[24]

Спектрометр

Америций-241 использовался в качестве портативного источника гамма-излучения и альфа-частиц для ряда медицинских и промышленных целей. Гамма-излучение 59,5409 кэВ от ²⁴¹В таких источниках можно использовать для косвенного анализа материалов в рентгенография и Рентгеновская флуоресценция спектроскопии, а также для контроля качества в стационарных датчики ядерной плотности и ядерные плотномеры. Например, этот изотоп был использован для измерения стекло толщина, чтобы помочь создать плоское стекло.^[3] Америций-241 также подходит для калибровки гамма-спектрометров в области низких энергий, поскольку его спектр состоит почти из одного пика и незначительного комптоновского континуума (по крайней мере, на три порядка меньшей интенсивности).^[25]

Лекарство

Гамма-лучи америция-241 использовались для пассивной диагностики функция щитовидной железы. Это медицинское приложение устарело. Гамма-лучи америция-241 могут обеспечить приемлемое качество рентгенограммы, с выдержкой 10 минут. ²⁴¹Рентгенограммы Am были сделаны только экспериментально из-за длительного времени экспозиции, которое увеличивает эффективная доза к живой ткани. Уменьшение продолжительности воздействия снижает вероятность событий ионизации, вызывающих повреждение клеток и ДНК, и является критическим компонентом "время, расстояние, защита" Максим, используемый в радиационная защита.^[26]

Опасности

Америций-241 имеет те же общие опасности, что и другие изотопы америция: он чрезвычайно токсичен и радиоактивен. Несмотря на то что α-частицы может быть остановлен листом бумаги, есть серьезные проблемы со здоровьем при проглатывании α-излучателей. Америций и его изотопы также очень химически токсичны в виде токсичных тяжелых металлов. Всего 0,03 мкКи (1110 Бк) - это максимально допустимая нагрузка на организм при ²⁴¹Являюсь.^[27]

Америций-241 - это α-излучатель со слабым побочным продуктом γ-излучения. Безопасное обращение с америцием-241 требует знания и соблюдения надлежащих мер предосторожности, поскольку без них это было бы чрезвычайно опасно. Его постоянная удельная гамма-доза составляет 3,14 x 10⁻¹ мР / ч / мКи или 8,48 x10⁻⁵ мЗв / час / МБк на расстоянии 1 метра.^[28]

При употреблении америций-241 выводится из организма в течение нескольких дней, и только 0,05% всасывается в кровь. Оттуда примерно 45% поступает в печень и 45% к костям, а оставшиеся 10% выводятся из организма. Поглощение печенью зависит от человека и увеличивается с возрастом. В костях америций сначала откладывается над корковый и трабекулярный поверхности и со временем медленно перераспределяется по кости. Биологический период полураспада ²⁴¹Am составляет 50 лет в костях и 20 лет в печени, тогда как в гонады (яички и яичники) остается постоянно; Во всех этих органах америций способствует образованию раковых клеток в результате своей радиоактивности.^[29]

Америций-241 часто попадает на свалки из выброшенных детекторы дыма. Правила, связанные с утилизацией дымовых извещателей, ослаблены в большинстве юрисдикций. В США "Радиоактивный бойскаут" Дэвид Хан смогла сконцентрировать америций-241 из детекторов дыма после того, как сумела купить сотню из них по оставшимся ценам, а также украла несколько.^{[30][31][32][33]} Было несколько случаев воздействия америция-241, худший из которых - Гарольд МакКласки, который в возрасте 64 лет подвергся воздействию америция-241 в 500 раз превышающего профессиональный стандарт в результате взрыва в своей лаборатории. Маккласки умер в возрасте 75 лет не в результате воздействия, а в результате сердечное заболевание которое у него было до аварии.^[34][35]

Смотрите также

Изотопы америция

Рекомендации

1. Dias, H .; Tancock, T .; Клейтон, А. "Расчет критической массы для ²⁴¹Являюсь, ^{242 кв.м.}Я и ²⁴³Являюсь". CiteSeerX  10.1.1.540.1085.
2. «Америций: химическая, физическая и радиологическая информация» (PDF). Агентство регистрации токсичных веществ и заболеваний (CDC). стр. 103–111. Получено 24 июля 2019.
3. Гринвуд, стр. 1262
4. Детекторы дыма и америций В архиве 2008-12-24 на Wayback Machine, Всемирная ядерная ассоциация, январь 2009 г., дата обращения 28 ноября 2010 г.
5. Южная кампания по борьбе с плутонием BREDL, Blue Ridge Environmental Defense League, последнее обращение 28 ноября 2010 г.
6. Сасахара, А .; и другие. (2004). "Оценка источников нейтронов и гамма-излучения для реакторов LWR с высоким выгоранием"₂ и отработанное МОКС-топливо ». Журнал ядерной науки и технологий. 41 (4): 448–456. Дои:10.3327 / jnst.41.448. Архивировано из оригинал 19 ноября 2010 г. article / 200410 / 000020041004A0333355.php Аннотация В архиве 2010-11-24 на Wayback Machine
7. «АМЕРИКУМ-241».
8. «СПЕКТР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ АМ-241 В ЗАДНЕЙ ГЕОМЕТРИИ РАССЕЯНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕРМАНОВОГО ДЕТЕКТОРА ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ» (PDF).
9. Audi, G .; Кондев, Ф. Г .; Wang, M .; Huang, W. J .; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF). Китайская физика C. 41 (3): 030001. Bibcode:2017ЧФЦ..41с0001А. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
10. «Детекторы дыма и америций», Информационный документ по ядерным вопросам, 35, Май 2002 г., архивировано из оригинал на 2008-03-03, получено 2015-08-26
11. Работа пожарной сигнализации в жилых помещениях, Томас Клири. Лаборатория строительных и противопожарных исследований Национального института стандартов и технологий; UL семинар по дымовой и пожарной динамике. Ноябрь 2007 г.
12. Буковски, Р.В. и другие. (2007) Проведение анализа домашней дымовой сигнализации срабатывания нескольких доступных технологий в жилых помещениях, Техническое примечание NIST 1455-1
13. «Детекторы дыма и информационный бюллетень по америцию-241» (PDF). Канадское ядерное общество. Получено 31 августа 2009.
14. Гербердинг, Джули Луиза (2004). «Токсикологический профиль америция» (PDF; 2,1 МБ). Министерство здравоохранения и социальных служб США /Агентство регистрации токсичных веществ и заболеваний. В архиве (PDF) из оригинала от 6 сентября 2009 г.. Получено 29 августа 2009.
15. "Детектор дыма".
16. Основные элементы статических РИТЭГов
17. G.L. Kulcinski, NEEP 602 Course Notes (Spring 2000), Nuclear Power in Space, University of Wisconsin Fusion Technology Institute (см. Последнюю страницу)
18. Д-р майор С. Чахал, [1], Космическое агентство Великобритании, 9 февраля 2012 г., получено 13 ноября 2014 г.
19. Космические агентства борются с истощающимися запасами плутония, Полет в космос, 9 июля 2010 г.
20. Нелл Гринфилд-Бойс, Нехватка плутония может остановить исследования космоса, энергетический ядерный реактор, 28 сен 2009, получено 2 ноя 2010.
21. Р.М. Амбрози и др. [2], Ядерные и новые космические технологии (2012), получено 23 ноября 2014 г.
22. https://www.nrc.gov/materials/miau/industrial.html
23. Биндер, Гарри Х. (1999). Lexikon der chemischen Elemente: das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten: mit 96 Abbildungen und vielen tabellarischen Zusammenstellungen. ISBN  978-3-7776-0736-8.
24. Гринвуд, стр. 1252
25. Средство просмотра ядерных данных 2.4, NNDC
26. «Использование Америций-241» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 2015-11-29.
27. «Америций Ам».
28. «АМЕРИКУМ-241 [241Am]».
29. Фриш, Франц Кристально чистый, 100 x энергия, Bibliographisches Institut AG, Мангейм 1977 г., ISBN  3-411-01704-X, п. 184
30. Кен Сильверстайн, Радиоактивный бойскаут: когда подросток пытается построить реактор-размножитель. Журнал Harper's, Ноябрь 1998 г.
31. "'Радиоактивный бойскаут обвиняется в краже детектора дыма ». Fox News. 4 августа 2007 г. Архивировано с оригинал 8 декабря 2007 г.. Получено 28 ноября 2007.
32. «Человек по прозвищу« Радиоактивный бойскаут »признал себя виновным». Детройт Фри Пресс. Ассошиэйтед Пресс. 27 августа 2007 г. Архивировано с оригинал 29 сентября 2007 г.. Получено 27 августа 2007.
33. "'Радиоактивный бойскаут приговорен к 90 суткам за кражу детекторов дыма ». Fox News. 4 октября 2007 г. Архивировано с оригинал на 2007-11-13. Получено 28 ноября 2007.
34. Кэри, Аннетт (25 апреля 2008 г.). "Доктор вспоминает" Человек-атомщик "Хэнфорда.'". Tri-City Herald. Архивировано из оригинал 10 февраля 2010 г.. Получено 17 июн 2008.
35. Сообщение AP (3 июня 2005 г.). «Рабочие атомной станции в Хэнфорде прибыли на место самой серьезной аварии, связанной с загрязнением». Архивировано из оригинал 13 октября 2007 г.. Получено 17 июн 2007.