Bugün öğrendim ki: Çoğu duman dedektörünün nükleer fisyona uğrayabilen radyoaktif bir madde olan az miktarda Amerisyum-241 içerdiği.
Amerikyum-241, 241Am
Amerikyum-241 (241Am, Am-241), amerikyumun bir izotopudur. Tüm amerikyum izotopları gibi radyoaktiftir, yarılanma ömrü 432,2 yıldır. 241Am, amerikyumun en yaygın izotopu ve nükleer atıktaki en yaygın izotoptur. Genellikle iyonlaştırıcı tip duman dedektörlerinde bulunur ve uzun ömürlü radyoaktif izotop termoelektrik jeneratörleri (RTG'ler) için potansiyel bir yakıttır. Genellikle bulunan ana nükleositleri, 241Pu'dan β−, 241Cm'den EC ve 245Bk'den α'dır. 241Am fisil değildir, ancak fisilyonludur ve çıplak küresel kritik kütle 57,6 ila 75,6 kilogram (127,0 ila 166,7 lb) ve küre çapı 19 ila 21 santimetre (7,5 ila 8,3 inç) dir. [2] Amerikyum-241, 3,43 Ci/g (126,91 GBq/g) özel etkinliğe sahiptir. Genellikle amerikyum-241 dioksit (241AmO2) formunda bulunur. Bu izotop ayrıca 2,2 MeV (0,35 pJ) uyarılma enerjisi ve 1,23 μs yarılanma ömrü olan 241mAm meta durumu ile de mevcuttur. Plütonyumdaki 241Am varlığı, plütonyum-241'in orijinal konsantrasyonu ve örnek yaşına bağlıdır. Alfa radyasyonunun düşük penetrasyonu nedeniyle, amerikyum-241 sadece yutulması veya solunması durumunda sağlık riski oluşturur. 241Pu içeren eski plütonyum örnekleri, 241Am birikimine sahiptir. Bazı durumlarda, yeniden işlenmiş plütonyumdan (örneğin, plütonyum çukurlarının yeniden işlenmesi sırasında) amerikyum-241'in kimyasal olarak uzaklaştırılması gerekebilir.
Nükleosentez
Onlarca yıldır nükleer reaktörlerde küçük miktarlarda amerikyum-241 üretildi ve şu anda birçok kilogram 241Am biriktirildi. [4]: 1262 Bununla birlikte, ilk kez 1962'de satılmaya başlandığından beri, yaklaşık 1500 dolarlık gram 241Am fiyatı, çok karmaşık ayrıştırma prosedürü nedeniyle neredeyse değişmemiştir. [5] Amerikyum-241 doğrudan uranyumdan (en yaygın reaktör malzemesi) değil, plütonyum-239 (239Pu) 'dan sentezlenir. İkincisi, aşağıdaki nükleer süreçle önce üretilmelidir:
92 238 U → ( n , γ ) 92 239 U → 23.5 dk β − 93 239 Np → 2.3565 gün β − 94 239 Pu {\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} }
239Pu'nun iki nötronun yakalanması (n,γ) reaksiyonu adı verilen), ardından bir β bozunumu 241Am'ın üretilmesine yol açar:
94 239 Pu → 2 ( n , γ ) 94 241 Pu → 14,35 yıl β − 95 241 Am {\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {2~(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14.35\ yr}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am} }
Harcanmış nükleer yakıtta bulunan plütonyum, yaklaşık %12 241Pu içerir. 241Am'a dönüştüğü için, 241Pu çıkarılabilir ve daha fazla 241Am üretmek için kullanılabilir. [5] Bununla birlikte, bu süreç oldukça yavaştır: orijinal 241Pu miktarının yarısı yaklaşık 14 yıl sonra 241Am'a bozunur ve 241Am miktarı 70 yıl sonra maksimum seviyeye ulaşır. [6]
Elde edilen 241Am, nükleer reaktör içinde daha fazla nötron yakalanmasıyla daha ağır amerikyum izotoplarının üretilmesi için kullanılabilir. Hafif su reaktöründe (LWR), 241Am üzerindeki nötron yakalamalarının %79'u 242Am'a ve %10'u nükleer izomeri 242mAm'a dönüşür:
79%: 95 241 Am → ( n , γ ) 95 242 Am {\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} }
Bozunma
Amerikyum-241, esas olarak alfa bozunumu ile, zayıf bir gama ışını yan ürünüyle bozunur. Alfa bozunumu aşağıdaki gibidir:
95 241 Am ⟶ 432,2 yıl 93 237 Np + 2 4 α 2 + + γ 59,5409 keV {\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np~+~_{2}^{4}\alpha ^{2+}+\gamma ~59.5409~keV} }
Alfa bozunum enerjileri, %85'lik zaman için 5.486 MeV (0.8790 pJ) 'dir (standart alfa bozunum enerjisi için yaygın olarak kabul edilen değer), %13'lük zaman için 5.443 MeV (0.8721 pJ) ve kalan %2 için 5.388 MeV (0.8633 pJ) 'dir. [8] Gama ışını enerjisi çoğunlukla 59,5409 keV (9,53950 fJ) 'dir, küçük miktarlarda 13,9 keV (2,23 fJ), 17,8 keV (2,85 fJ) ve 26,4 keV (4,23 fJ) gibi başka enerjiler bulunur. [9]
Amerikyum-241'in uğradığı ikinci en yaygın bozunma türü, dallanma oranı 3,6×10−12 [10] olan kendiliğinden fisyondur ve 241Am'ın her gramında saniyede 1,2 kez gerçekleşir. Aşağıdaki gibi yazılır (yıldızlı işaret, uyarılmış çekirdeği gösterir):
95 241 Am ⟶ 95 241 Am ∗ ⟶ 3 0 1 n + fisyon ürünleri + enerji ( γ ) {\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\longrightarrow ~_{\ 95}^{241}Am^{*}\longrightarrow 3_{0}^{1}n~+~fission~products~+energy~(\gamma )} }
Amerikyum-241 için en az yaygın bozunma türü (%7,4×10−16 'den az dallanma oranı) 34 Si küme bozunumudur. Aşağıdaki gibi yazılır:
95 241 Am ⟶ 81 207 Tl + 14 34 Si {\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\longrightarrow _{\ 81}^{207}Tl+_{14}^{34}Si} }
Uygulamalar
İyonlaştırıcı Tipli Duman Dedektörü
Amerikyum-241, evlerde bulunabilecek tek sentetik izotoptur. En yaygın duman dedektörü türü (iyonlaştırıcı tip) 241AmO2 (amerikyum-241 dioksit) iyonlaştırıcı radyasyon kaynağı olarak kullanır. Bu izotop, 226Ra'dan daha çok tercih edilir çünkü 5 kat daha fazla alfa parçacığı ve nispeten daha az zararlı gama radyasyonu yayar. 432,2 yıllık yarılanma ömrü ile duman dedektöründeki amerikyum azalır ve yaklaşık 19 yıl sonra yaklaşık %3 neptünyum, 32 yıl sonra yaklaşık %5 içerir. Tipik bir yeni duman dedektöründeki amerikyum miktarı 0,29 mikrogramdır (4,5×10−6 tane) (küçük bir kum tanesinin ağırlığının yaklaşık 1/3000'i) ve 1 mikrokiüri (37 kBq) etkinliğe sahiptir. Bazı eski endüstriyel duman dedektörleri (özellikle Pyrotronics Corporation'dan) 80 mikrokiüriye (3000 kBq) kadar içerebilir. 241Am, çok daha uzun yarılanma ömrüne (yaklaşık 2,14 milyon yıl) sahip farklı bir transuranik element olan neptünyum-237 (237Np) 'ye yavaşça bozunur. Radyasyona uğramış alfa parçacıkları, iki elektrot arasında, kapasitör plakaları arasında hava boşluğunun iyonlaşması nedeniyle küçük bir sabit elektrik akımına izin veren bir iyonizasyon odasından geçer. Odaya giren herhangi bir duman, alfa parçacıklarından bazıları geçmesini engelleyecek/emilecektir ve iyonlaşmayı azaltır ve böylece akımda bir düşüşe neden olur. Alarm devresi, akımdaki bu düşüşü algılar ve sonuç olarak, piezoelektrik cızırtıyı çalar. Alternatif optik duman dedektörüne kıyasla, iyonizasyon duman dedektörü daha ucuzdur ve önemli ışık saçılımına neden olacak kadar küçük parçacıkları algılayabilir. Ancak, yanlış alarmlara daha yatkındır. [12] [13] [14] [15]
Üretim Süreci
İyonlaştırıcı tipli duman dedektörlerindeki düğmelerde kullanılan amerikyumun üretim süreci, amerikyum dioksitle başlar. 241AmO2, altına iyice karıştırılır, briket haline getirilir ve 1470 °F (800 °C) 'nin üzerindeki basınç ve ısıyla eritilerek birleştirilir. Altın (veya altın veya paladyum alaşımı) briketin arkasına ve önüne bir kaplama uygulanır ve sıcak dövme ile kapatılır. Briket, istenen kalınlığa ve radyasyon yayılım seviyelerine ulaşmak için birkaç soğuk rulolama aşamasından geçirilir. Son kalınlık yaklaşık 0,008 inç (0,20 mm)'dir, altın kaplama kalınlığın yaklaşık %1'ini temsil eder. Sonuçtaki folyo şeridi, yaklaşık 0,8 inç (20 mm) genişliğindedir ve 39 inç (1 m) uzunluğunda bölümlere ayrılır. Kaynaklar folyo şeridinden kesilir. Her bir disk, yaklaşık 0,2 inç (5,1 mm) çapındadır ve genellikle alüminyumdan yapılmış bir metal tutacakta monte edilir. Tutucu, düğmede görülen çoğunluğudur. Tutucu üzerindeki ince kenar, diskin etrafındaki kesik kenarı tamamen kapatmak için yuvarlanır. [16]
RTG (radyoizotop termoelektrik jeneratör) Güç Üretimi
241Am'ın yaklaşık olarak 238Pu'nun yarılanma ömrüne (432,2 yıl karşısında 87 yıl) benzemesi nedeniyle, uzay araçlarında kullanım için radyoizotop termoelektrik jeneratörlerinin aktif bir izotopu olarak önerilmiştir. [17] Amerikyum-241, plütonyum-238'den (241Am için güç verimi gram başına 114,7 miliwatt [ons başına 3,25 watt] karşısında 238Pu için 570 mW/g [ons başına 16 W]) daha az ısı ve elektrik üretse ve radyasyonu gama ve nötron emisyonu nedeniyle insanlara daha büyük bir tehdit oluştursa da, önemli ölçüde daha uzun yarılanma ömrü ile uzun süreli görevlerde avantajlara sahiptir. Avrupa Uzay Ajansı, küresel plütonyum-238 kıtlığı ve Avrupa'da nükleer atık geri dönüşümünden amerikyum-241'e kolay erişim nedeniyle, uzay sondaları için amerikyum-241 tabanlı RTG'ler üzerinde çalışmaktadır. [19] [20]
RTG'deki kalkan gereksinimleri, tüm olası izotoplar arasında ikinci en düşük seviyededir: sadece 238Pu daha az gereksinim duyar. 238Pu'ya göre bir avantaja sahip olması, nükleer atık olarak üretilmesi ve neredeyse izotopik olarak saf olmasıdır. 241Am RTG'lerinin prototip tasarımları, 5 ila 50 W'lık RTG tasarımında kilogram başına 2 ila 2,2 W bekliyor; bu güç aralığında 241Am RTG'lerini 238Pu RTG'leri ile eşit hale getiriyor, çünkü RTG kütlesinin büyük bir kısmı izotoplar değil, termoelektrikler, radyatörler ve izotop konteynır kütlesidir. [21]
Nötron Kaynağı
241Am oksitleri, radyoaktif bozunma sırasında alfa parçacıkları yaydıkları için berilyum ile basılmış çok etkili nötron kaynakları olabilir:
95 241 Am ⟶ 432,2 yıl 93 237 Np + 2 4 α 2 + + γ 59,5 keV {\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}+\ \gamma ~59.5~keV} }
Burada amerikyum alfa kaynağı görevi görür ve berilyum, (α,n) nükleer reaksiyon için büyük kesit nedeniyle nötron üretir:
4 9 Be + 2 4 α 2 + ⟶ 6 12 C + 0 1 n + γ {\textstyle \mathrm {^{9}_{4}Be\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}\longrightarrow \ _{\ 6}^{12}C\ +\ _{0}^{1}n\ +\ \gamma } }
241AmBe nötron kaynaklarının en yaygın uygulaması, topraktaki su miktarını, ayrıca karayolları yapımındaki nem/yoğunluk için kalite kontrolü ölçmek için kullanılan bir nötron probudur. 241Am nötron kaynakları ayrıca kuyuların günlüğünde, nötron radyografisinde, tomografisinde ve diğer radyokimyasal araştırmalarda kullanılır. [22]
Diğer Elementlerin Üretimi
Amerikyum-241, bazen diğer transuranik elementler ve transaktinidlerin üretimi için başlangıç malzemesi olarak kullanılır - örneğin, 241Am'ın nötron bombardımanı 242Am verir:
95 241 Am → ( n , γ ) 95 242 Am {\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} }
Oradan, 242Am'ın %82,7'si 242Cm'ye ve %17,3'ü 242Pu'ya bozunur:
%82,7 → 95 241 Am → ( n , γ ) 95 242 Am → 16,02 saat β − 96 242 Cm {\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm} }
%17,3 → 95 241 Am → ( n , γ ) 95 242 Am → 16,02 saat β + 94 242 Pu {\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{+}}}\ _{\ 94}^{242}Pu} }
Nükleer reaktörde, 242Am ayrıca nötron yakalanmasıyla 243Am ve 244Am'a yükseltmeli ve 244Cm'ye β bozunmasıyla dönüşür:
95 242 Am → ( n , γ ) 95 243 Am → ( n , γ ) 95 244 Am → 10,1 saat β − 96 244 Cm {\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} }
241Am, sırasıyla 12C veya 22Ne iyonlarıyla ışınlanırsa einsteinyum-253 (253Es) veya dubniyum-263 (263Db) verir. [23] Dahası, 1949'da aynı Berkeley grubu tarafından, önceki deneyler için kullanılan aynı 60 inç (1500 mm) siklotronu kullanarak, 241Am'ı alfa parçacıklarıyla bombardıman ederek berkelium (243Bk izotopu) ilk kez kasıtlı olarak üretildi ve tanımlandı. [4]: 1262
Spektrometre
Amerikyum-241, çeşitli tıbbi ve endüstriyel kullanımlar için gama ışınları ve alfa parçacıklarının taşınabilir bir kaynağı olarak kullanılmıştır. Bu tür kaynaklardaki 241Am'dan 59,5409 keV (9,53950 fJ) gama ışını emisyonları, radyografide ve X-ışını floresans spektroskopisinde malzemelerin dolaylı analizinde, sabit nükleer yoğunluk ölçerlerde ve nükleer yoğunlukölçerlerde kalite kontrolünde kullanılabilir. Örneğin, bu izotop, düz cam oluşturmaya yardımcı olmak için cam kalınlığını ölçmek için kullanılmıştır. [4]: 1262 Amerikyum-241 ayrıca, spektrumunun neredeyse tek bir tepe ve ihmal edilebilir Compton sürekliliğinden (en az üç mertebeden düşük yoğunluk) oluştuğu için düşük enerji aralığında gama ışını spektrometrelerinin kalibre edilmesi için uygundur. [24]
Tıp
Amerikyum-241'den gama ışınları, tiroid fonksiyonunun pasif tanılamasını sağlamak için kullanılmıştır. Bu tıbbi uygulama artık kullanılmamaktadır. Amerikyum-241'in gama ışınları, 10 dakikalık bir maruz kalma süresiyle makul kalitede radyografiler sağlayabilir. 241Am radyografileri, yalnızca uzun maruz kalma süresi nedeniyle canlı dokuya etki eden dozu artırdığı için deneysel olarak yapılmıştır. Maruz kalma süresinin azaltılması, iyonizasyon olaylarının hücrelere ve DNA'ya zarar vermesine neden olma olasılığını azaltır ve radyasyon korumasında kullanılan "zaman, mesafe, koruma" ilkesinin kritik bir bileşenidir. [25]
Tehlikeler
Amerikyum-241, diğer amerikyum izotoplarıyla aynı genel tehlikelere sahiptir: hem son derece zehirli hem de radyoaktiftir. Alfa parçacıkları bir kağıt tabakasıyla durdurulabilse de, alfa salıcıların yutulması ciddi sağlık sorunlarına neden olur. Amerikyum ve izotopları ayrıca ağır metal toksisitesi şeklinde çok kimyasal olarak da zehirlidir. 241Am için maksimum izin verilen vücut yükü 0,03 mikrokiüri (1,1 kBq)'dir. [26]
Amerikyum-241, zayıf bir gama ışını yan ürünüyle birlikte bir alfa salıcısıdır. Amerikyum-241'in güvenli şekilde kullanılması için doğru güvenlik önlemlerinin bilinmesi ve uygulanması gerekir, aksi takdirde son derece tehlikelidir. 1 metre (3 ft 3 inç) uzaklıktaki özgül gama doz sabiti 3.14×10−1 mR/saat/mCi veya 8.48×10−5 mSv/saat/MBq'dir. [27]
Yutulursa, amerikyum-241 birkaç gün içinde atılır ve sadece %0,05'i kana emilir. Oradan yaklaşık %45'i karaciğere, %45'i kemiğe gider ve kalan %10'u atılır. Karaciğere alınım bireye bağlıdır ve yaşla artar. Kemiklerde, amerikyum önce kortikal ve trabeküler yüzeyler üzerinde birikir ve zamanla kemik üzerinde yavaş yavaş yeniden dağıtılır. 241Am'ın biyolojik yarılanma ömrü kemiklerde 50 yıl, karaciğerde 20 yıldır, gonadlarda (testis ve yumurtalıklar) ise kalıcıdır; tüm bu organlarda amerikyum radyoaktivitesinin sonucu olarak kanser hücrelerinin oluşumunu teşvik eder. [28]
Amerikyum-241, atılmış duman dedektörlerinden genellikle çöplüklere girer. Duman dedektörlerinin bertarafı ile ilgili kurallar çoğu yargı bölgesinde gevşetilmiştir. ABD'de "Radyoaktif Erkek Öğrenci" David Hahn, çok sayıda duman dedektörünü geri dönüşüm fiyatlarına almayı ve birkaçını çalmayı başararak amerikyum-241'i yoğunlaştırabildi. [29] [30] [31] [32] Amerikyum-241'e maruz kalma vakaları olmuştur, en kötüsü 64 yaşında Harold McCluskey'dir. Laboratuvarındaki bir patlamanın sonucu olarak amerikyum-241 için mesleki standartın 500 katına maruz kaldı. McCluskey, kazanın sonucu değil, kaza öncesinde sahip olduğu bir kalp hastalığından 75 yaşında öldü. [33] [34] Amerikyum-241, çeşitli ülkeler tarafından yapılan nükleer testlerin sonucu olarak okyanuslarda da tespit edilmiştir. [35]
Ayrıca bakınız
Amerikyumun İzotopları