Americium -241 - Americium-241

Americium-241,  241 dop
Americium tlačítko hd.jpg
Malé tlačítko obsahující 241 AmO 2 z kouřového alarmu
Všeobecné
Symbol 241 dop
Jména americium-241, Am-241
Protony 95
Neutrony 146
Nuklidová data
Přirozená hojnost 0 ( syntetický )
Poločas rozpadu 432,2 let
Rodičovské izotopy 241 Pu  ( β - )
241 Cm  ( EC )
245 Bk  ( α )
Produkty rozpadu 237 Np
Hmotnost izotopů 241,056829144 u
Roztočit 5/2−
Přebytečná energie 52936,008 keV
Vazebná energie 7543,272 keV
Režimy rozpadu
Režim rozpadu Energie rozpadu ( MeV )
α-rozpad (alfa) 5,486
γ-emise (gama) 0,0595409
CD (rozpad kazety) 93,923
Isotopes of americium
Kompletní tabulka nuklidů

Americium-241 ( 241 Am , Am-241 ) je izotop americium . Stejně jako všechny izotopy americiia je i radioaktivní s poločasem rozpadu 432,2 let. 241 Am je nejběžnější izotop z americium stejně jako nejrozšířenější izotop americium v jaderným odpadem . Běžně se vyskytuje v detektorech kouře ionizačního typu a je potenciálním palivem pro radioizotopové termoelektrické generátory s dlouhou životností (RTG). Jeho běžné mateřské nuklidy jsou β - od 241 Pu, EC od 241 Cm a α od 245 Bk. 241 Am je štěpná a kritická hmotnost holé koule je 57,6–75,6 kilogramů a průměr koule je 19–21 centimetrů. Americium-241 má specifickou aktivitu 3,43 Ci/g ( curies na gram nebo 126,8 gigabecquerelů (GBq) na gram). Běžně se vyskytuje ve formě oxidu americium-241 ( 241 AmO 2 ). Tento izotop má také jeden meta stav , 241 m Am, s budící energií 2,2  MeV a poločasem rozpadu 1,23 μs. Přítomnost americium-241 v plutonia je dána původní koncentrací plutonia-241 a stářím vzorku. Vzhledem k nízké penetraci alfa záření představuje americium-241 zdravotní riziko pouze při požití nebo vdechnutí. Starší vzorky plutonia obsahující plutonium-241 obsahují nahromadění 241 dop. V některých případech může být vyžadováno chemické odstranění americium-241 z přepracovaného plutonia (např. Během přepracování plutoniových jam ).

Nukleosyntéza

Americium-241 se vyrábí v malých množstvích v jaderných reaktorech po celá desetiletí a do dnešního dne bylo nashromážděno mnoho kilogramů 241 Am. Nicméně vzhledem k tomu, že byl poprvé nabídnut k prodeji v roce 1962, jeho cena, asi 1 500 USD za gram 241 dop., Zůstává téměř nezměněna díky velmi složitému separačnímu postupu.

Americium-241 není syntetizováno přímo z uranu-nejběžnějšího materiálu reaktoru-ale z izotopu plutonia 239 Pu. Ten musí být nejprve vyroben podle následujícího jaderného procesu:

Zachycení dvou neutronů pomocí 239 Pu (takzvaná (n, γ) reakce), následované β-rozpadem, má za následek 241 dopoledne:

Plutonium přítomné ve vyhořelém jaderném palivu obsahuje asi 12% z 241 Pu. Protože převádí na 241 dop., 241 pu lze extrahovat a lze je použít ke generování dalších 241 dop. Tento proces je však poměrně pomalý: polovina z původního množství 241 Pu se rozpadne na 241 dopoledne asi po 14 letech a množství 241 hodin dosáhne maxima po 70 letech.

Získaných 241 Am může být použito pro generování těžších izotopů americium dalším zachycením neutronů uvnitř jaderného reaktoru. V lehkovodním reaktoru (LWR) 79% neutronových záchytů na 241 Am převede na 242 Am a 10% na svůj jaderný izomer 242 m Am:

79%:  

Rozklad

Americium-241 se rozpadá hlavně alfa rozpadem , se slabým vedlejším produktem gama záření . Α-rozpad je znázorněn následovně:

Energie α-rozpadu jsou 5,486 MeV po 85% času (ta, která je široce přijímána pro standardní energii a-rozpadu), 5,443 MeV po 13% času a 5,388 MeV pro zbývající 2%. Γ-záření energie je 59,5409 keV z větší části, s malými množstvími jiných zdrojů energie, jako je například 13,9 keV, 17,8 keV a 26,4 keV.

Druhým nejběžnějším typem rozpadu, kterému americium-241 prochází, je spontánní štěpení s poměrem rozvětvení 3,6 × 10 −12 a děje se 1,2krát za sekundu na gram 241 dop. Je zapsán jako takový (hvězdička označuje vzrušené jádro):

Nejméně běžným (nejvzácnějším) typem rozpadu pro americium-241 je kazetový rozpad 34 Si s poměrem větvení menším než 7,4 × 10 −16 . Je napsáno následovně:

Aplikace

Detektor kouře ionizačního typu

Americium-241 je jediným syntetickým izotopem, který si našel cestu do domácnosti, kde nejběžnější typ detektoru kouře (ionizační typ) používá jako zdroj ionizujícího záření 241 AmO 2 (americium-241 dioxid) . Tento izotop je upřednostňován před 226 Ra, protože emituje 5krát více částic alfa a relativně málo škodlivého záření gama. S poločasem rozpadu 432,2 let klesá americium v ​​detektoru kouře a obsahuje asi 3% neptunia po 19 letech a asi 5% po 32 letech. Množství americiia v typickém novém detektoru kouře je 0,29 mikrogramů (asi jedna třetina hmotnosti zrnka písku) s aktivitou 1 mikrokurie (37  kBq ). Některé staré průmyslové detektory kouře (zejména od společnosti Pyrotronics Corporation) mohou obsahovat až 80 μCi. Množství 241 Am pomalu klesá, když se rozpadá na neptunium-237 , jiný transuranický prvek s mnohem delším poločasem rozpadu (asi 2,14 milionu let). Vyzařované částice alfa procházejí ionizační komorou , vzduchem naplněným prostorem mezi dvěma elektrodami , což umožňuje malý, konstantní elektrický proud procházet mezi deskami kondenzátoru v důsledku záření ionizujícího vzduchový prostor mezi nimi. Jakýkoli kouř, který vstupuje do komory, blokuje/absorbuje některé částice alfa z volného průchodu a snižuje ionizaci, a proto způsobuje pokles proudu. Obvody alarmu detekují tento pokles proudu a v důsledku toho spustí zvuk piezoelektrického bzučáku. Ve srovnání s alternativním optickým detektorem kouře je ionizační detektor kouře levnější a dokáže detekovat částice, které jsou příliš malé na to, aby vytvářely výrazný rozptyl světla. Je však náchylnější k falešným poplachům .

Výrobní proces

Proces výroby americiia použitého v knoflících detektorů kouře ionizačního typu začíná oxidem americium. AmO 2 se důkladně smíchá se zlatem, vytvaruje do brikety a roztaví tlakem a teplem při teplotě přes 800 ° C. Na briketu je nanesena podložka ze stříbra a přední krycí vrstva ze zlata (nebo slitiny zlata nebo palladia ) a utěsněna kováním za tepla. Briketa se poté zpracovává v několika stupních válcování za studena, aby se dosáhlo požadované tloušťky a úrovně záření. Konečná tloušťka je asi 0,20 mm (0,20 mm), přičemž zlatý kryt představuje asi jedno procento tloušťky. Výsledný pás fólie, který je asi 0,8 palce (20 mm) široký, se nařeže na části dlouhé 39 m (1 m). Zdroje jsou vyraženy z fóliového pásu. Každý disk o průměru přibližně 5 palců (0,2 palce) je upevněn v kovovém držáku, obvykle vyrobeném z hliníku. Držák je pouzdro, což je většina toho, co je vidět na tlačítku. Tenký okraj na držáku je převrácen, aby zcela utěsnil řezaný okraj kolem disku.

Generování energie RTG (radioizotopový termoelektrický generátor)

Jako 241 Am má zhruba podobný poločas na 238 Pu (432,2 let vs. 87 let), bylo navrženo jako aktivní izotop o radioizotopové termoelektrické generátory , pro použití v kosmické lodi. Přestože americium-241 produkuje méně tepla a elektřiny než plutonium-238 (energetický výnos je 114,7 mW/g pro 241 Am vs. 390 mW/g pro 238 Pu) a jeho záření představuje pro člověka větší hrozbu kvůli gama a neutronům emise, má výhody pro dlouhodobé mise s výrazně delším poločasem rozpadu. Evropská kosmická agentura pracuje na generátory RTG na základě americium-241 pro své kosmické sondy v důsledku globálního nedostatku plutonia-238 a snadný přístup k americium-241 v Evropě z přepracování jaderného odpadu.

Jeho požadavky na stínění v RTG jsou druhé nejnižší ze všech možných izotopů: pouze 238 Pu vyžaduje méně. Výhodou oproti 238 Pu je, že je produkován jako jaderný odpad a je téměř izotopicky čistý. Prototypové designy 241 Am RTG očekávají 2–2,2 W e /kg pro 5–50 W e RTG design, čímž jsou 241 Am RTG paritní s 238 Pu RTG v tomto výkonovém rozsahu.

Zdroj neutronů

Oxidy 241 Am lisované s beryliem mohou být velmi účinnými zdroji neutronů , protože během radioaktivního rozpadu emitují částice alfa :

Zde americium působí jako zdroj alfa a berylium produkuje neutrony díky svému velkému průřezu pro (α, n) jadernou reakci:

Nejrozšířenějším využitím 241 zdrojů neutronů AmBe je neutronová sonda - zařízení používané k měření množství vody přítomné v půdě a také vlhkosti/hustoty pro kontrolu kvality při stavbě dálnic. Zdroje neutronů 241 Am se také používají v aplikacích těžby dřeva, stejně jako v neutronové radiografii , tomografii a dalších radiochemických vyšetřováních.

Výroba dalších prvků

Graf zobrazující aktinidy a jejich rozpady a transmutace.

Americium-241 se někdy používá jako výchozí materiál pro výrobu dalších transuranových prvků a transaktinidů -například neutronové bombardování 241 Am poskytne 242 Am:

Odtamtud se 82,7% z 242 Am rozpadne na 242 Cm a 17,3% na 242 Pu:

82,7%

17,3%

V jaderném reaktoru je 242 Am také up-konvertováno zachycením neutronů na 243 Am a 244 Am, které se transformují β-rozpadem na 244 Cm:

Ozáření 241 Am 12 ° C nebo 22 Ne iontů poskytne izotopy 253 Es ( einsteinium ) nebo 263 Db ( dubnium ). Kromě toho byl prvek berkelium ( izotop 243 Bk) poprvé záměrně vyroben a identifikován bombardováním 241 Am částicemi alfa v roce 1949 stejnou skupinou Berkeley za použití stejného 60palcového cyklotronu, který byl použit pro mnoho předchozích experimentů. Podobně bylo nobelium vyrobeno ve Společném institutu pro jaderný výzkum v Dubně v Rusku v roce 1965 v několika reakcích, z nichž jedna zahrnovala ozáření 243 Am 15 N ionty. Kromě toho jedna ze syntézních reakcí pro lawrencium , objevená vědci z Berkeley a Dubna, zahrnovala bombardování 243 dop. 18 O.

Spektrometr

Americium-241 bylo použito jako přenosný zdroj gama paprsků i alfa částic pro řadu lékařských a průmyslových použití. Emise gama paprsků 59,5409 keV z 241 Am v těchto zdrojích lze použít pro nepřímou analýzu materiálů v radiografii a rentgenové fluorescenční spektroskopii, stejně jako pro kontrolu kvality v pevných měřidlech jaderné hustoty a jaderných denzometrech . Tento izotop byl například použit k měření tloušťky skla, aby pomohl vytvořit ploché sklo. Americium-241 je také vhodný pro kalibraci spektrometrů gama záření v nízkoenergetickém rozsahu, protože jeho spektrum se skládá z téměř jediného vrcholu a zanedbatelného Comptonova kontinua (nejméně o tři řády nižší intenzity).

Lék

Gama paprsky z americium-241 byly použity k zajištění pasivní diagnostiky funkce štítné žlázy . Tato lékařská aplikace je nyní zastaralá. Gama paprsky Americium-241 mohou poskytovat rentgenové snímky přiměřené kvality s 10minutovým expozičním časem. 241 rentgenových snímků bylo provedeno pouze experimentálně kvůli dlouhé expoziční době, která zvyšuje efektivní dávku živé tkáně. Snížení doby expozice snižuje možnost ionizačních událostí způsobujících poškození buněk a DNA a je kritickou součástí maxima „čas, vzdálenost, stínění“ používaného v radiační ochraně .

Nebezpečí

Americium-241 má stejná obecná rizika jako jiné izotopy americium: je extrémně toxický i radioaktivní. Ačkoli mohou být α-částice zastaveny listem papíru, při požití emitorů α existují vážné zdravotní problémy. Americium a jeho izotopy jsou také velmi chemicky toxické, ve formě toxicity těžkých kovů. Již 0,03 μCi (1 110 Bq) je maximální přípustná zátěž těla na 241 dop.

Americium-241 je a-emitor se slabým vedlejším produktem y-záření. Bezpečné zacházení s americium-241 vyžaduje znalost a dodržování správných bezpečnostních opatření, protože bez nich by to bylo extrémně nebezpečné. Jeho specifická dávková konstanta gama je 3,14 x 10 - 1 mR/hod/mCi nebo 8,48 x 10 - 5 mSv/hod/MBq na 1 metr.

Při požití se americium-241 vyloučí během několika dnů a v krvi se absorbuje pouze 0,05%. Odtud zhruba 45% z toho jde do jater a 45% do kostí a zbylých 10% se vyloučí. Příjem do jater závisí na jednotlivci a zvyšuje se s věkem. V kostech se americium nejprve ukládá přes kortikální a trabekulární povrchy a časem se pomalu redistribuuje po kosti. Biologický poločas 241 Am je 50 let v kostech a 20 let v játrech, zatímco v pohlavních žlázách (varlata a vaječníky) zůstává trvale; ve všech těchto orgánech americium podporuje tvorbu rakovinných buněk v důsledku své radioaktivity.

Americium-241.jpg

Americium-241 často vstupuje na skládky z vyřazených detektorů kouře . Pravidla spojená s likvidací kouřových detektorů jsou ve většině jurisdikcí uvolněná. V USA „Radioaktivní skaut“ David Hahn dokázal soustředit americium-241 z detektorů kouře poté, co se mu podařilo koupit jich stovku za zbývající ceny a také pár ukrást. Vyskytlo se několik případů expozice americium-241, nejhorším případem byl Harold McCluskey , který byl ve věku 64 let vystaven 500násobku pracovního standardu americium-241 v důsledku výbuchu v jeho laboratoři. McCluskey zemřel ve věku 75 let, nikoli v důsledku expozice, ale na srdeční chorobu, kterou měl před nehodou.

Viz také

Izotopy americium

Reference