Aktinid

A aktinidák egy család a periódusos tartalmazó 15 kémiai elemek a aktínium ( n o 89) a laurencium ( n o 103). Ezek a nehézfémek nevüket a család első aktiniumáról kapják, a kapcsolódó kémiai tulajdonságaik miatt. Néha az An kollektív kémiai szimbólummal emlegetik őket, amely azután bármilyen aktinidet képvisel. Ezek mind az f blokk elemei, kivéve a Lawrenciumot , amely a d blokkhoz tartozik . Ellentétben a ritkaföldfémek , ami szintén tartozik a f blokk, a aktinidákra egy lényegesen változó vegyérték száma . Mindegyiküknek nagy az atomsugara és az ionsugara , fizikai tulajdonságaik pedig különösen változatosak. Így, míg a nagy atomszámú aktinidek kémiailag viselkednek, mint a lantanidok, a család elején lévők, a tóriumtól a neptúniumig terjednek , kémiai szempontból bizonyos szempontból emlékeztetnek az átmenetifémekre .

Minden aktinid radioaktív , és radioaktív bomlás útján szabadítja fel az energiát . Ezek mind hasadó a gyors neutronok , és néhány termikus neutronok . Az urán , a tórium és a plutónium a legelterjedtebb aktinid a Földön , az első kettő az elsődleges elem , a harmadikat pedig az atomipar szintetizálja ; mindhármat atomreaktorokban , valamint nukleáris fegyverek gyártásában használják . Az Americium az egyetlen szintetikus elem, amelyet polgári célokra használnak a füstérzékelők ionizációs kamráiban . Között a aktinidák, csak a tórium és az urán jelentős mennyiségben a természeti környezet miatt nagyon hosszú felezési azok legstabilabb izotóp . A tórium 232 és az urán 235 bomlása aktiniumot és protaktiniumot termel , amelyek maguk radioaktívak, és ezért csak átmenetileg vannak jelen a természetben, mielőtt sorban lebomlanak . Kis mennyiségű neptúnium és esetleg plutónium is képződik az uránércekben történő transzmutációval . Az összes többi aktinid kizárólag szintetikus; azonban nyomokban néhány közülük megtalálható a környezet hatására a légköri nukleáris tesztek, például americium , curium , berkélium , kalifornium , einsteinium és fermium . Könnyebb elemekből állítják elő neutron befogással .

A legtöbbet előállított szintetikus aktinid a plutónium , különösen a 239-es plutónium . Ez az izotóp nem tekinthető radioaktív hulladéknak, mert maga hasadó izotóp . De az atomreaktorok kisebb mennyiségben más aktinideket hoznak létre, amelyeket "kisebb" -nek neveznek. A "kisebb" minősítés azt a tényt tükrözi, hogy ezek az elemek sokkal kisebb arányban vannak jelen, mint a fő aktinidek, az urán és a plutónium. A minor aktinidák, valamint a hasadási termékek, képezik részét a HAVL hulladék , azaz a leginkább származó radioaktív hulladék nukleáris energiatermelés számára.

Példák aktinidokra
Dúsított urán .
Megmunkált urán alkatrészek .
Neptúnium gömb .
Plutónium fegyverek.
Mikroszkóp alatt látható Americium .
Berkelium (1,7 µg minta, 100 µm hosszú ).
Californium ( kb. 1 mm széles 10 mg-os minta ).

Tulajdonságok

Fizikai tulajdonságok

Az aktinidok hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a lantanidok . Az elektronok vannak elosztva a 7-es és a 6d alrétegeit az első öt aktinidák - aktínium , tórium , protaktínium , urán és neptunium - és fokozatosan kitölti a 5f alréteg a harmadik, protaktínium. Az aktinidek ionsugarának progresszív csökkenését figyelhetjük meg a lantanidok összehúzódásához hasonló módon .

Az aktinidek tulajdonságai a fémekre jellemzőek . Ezek mind puha anyagok, ezüstös tükröződésekkel, de a szabadban gyorsan leromlanak. Néhányukat késsel lehet vágni. Ezek gyakran nagy sűrűségű és plaszticitás . A fajlagos ellenállás változik 15-150 μΩ cm . A tórium keménysége hasonló az acéléhoz, így a felmelegített tiszta tórium lapokká tekerhető és kábelekké nyújtható. A tórium körülbelül 40% -kal kevésbé sűrű, mint az urán és a plutónium, de keményebb, mint ez a két elem. Minden aktinidák van a radioaktív , paramágneses és, azzal az eltéréssel, aktínium, több kristály fázis : urán, neptunium és kalifornium három, és a plutónium hét. A kristályszerkezet a protaktínium, urán, neptunium és a plutónium nincs világos ekvivalens között lantanidák és több, mint hogy a átmenetifémek a 4 th időszakban .

Minden aktinid pirofor , főleg ha finoman el van osztva, vagyis spontán módon meggyulladnak a szabadban. Az olvadáspont nem függ a száma az elektronok a 5f alhéj; A neptúnium és a plutónium szokatlanul alacsony, 640 ° C körüli értékét az 5f és 6d pályák hibridizációja magyarázza, és ezekben a fémekben iránykötések keletkeznek.

Az alábbi táblázat összefoglalja az aktinidek néhány fizikai tulajdonságát:

Elem	Atomic tömeges	olvadási hőmérséklet	Hőmérséklet forr	tömeg térfogata	Ray kovalensen	Elektronikus konfiguráció	Ionizációs energia	Elektronegativitás ( Pauling )
Aktínium	[227]	1227 ° C	3200 ± 300 ° C	10 g cm -3	215 óra	[ Rn ] 7s 2 6d 1 (*)	499 kJ mol −1	1.1
Tórium	232.037 7 u	1750 ° C	4788 ° C	11,7 g cm -3	206 ± 18 óra	[ Rn ] 7s 2 6d 2 (*)	587 kJ mol −1	1.3
Protactinium	231 035 88 u	1568 ° C	4027 ° C	15,37 g cm -3	200 pm	[ Rn ] 7s 2 5f 2 6d 1 (*)	568 kJ mol −1	1.5
Uránium	238 028 91 u	1132,2 ° C	Olvadáspont: 4131 ° C	19,1 g cm -3	196 ± 19 óra	[ Rn ] 7s 2 5f 3 6d 1 (*)	597,6 kJ mol −1	1.38
Neptúnium	[237]	639 ± 3 ° C	4,174 ° C	19,38 g cm -3	190 ± 13 óra	[ Rn ] 7s 2 5f 4 6d 1 (*)	604,5 kJ mol −1	1.36
Plutónium	[244]	639,4 ° C	3228 ° C	19,816 g cm -3	187 ± 13 óra	[ Rn ] 7s 2 5f 6	584,7 kJ mol −1	1.28
Americium	[243]	1,176 ° C	2 607 ° C	12 g cm -3	180 ± 18 óra	[ Rn ] 7s 2 5f 7	578 kJ mol −1	1.3
Kúrium	[247]	1340 ° C	3 110 ° C	13,51 g cm -3	169 ± 15 óra	[ Rn ] 7s 2 5f 7 6d 1 (*)	581 kJ mol −1	1.3
Berkelium	[247]	986 ° C	2,627 ° C	13,25 g cm -3	170 óra	[ Rn ] 7s 2 5f 9	601 kJ mol −1	1.3
Californium	[251]	900 ° C	1470 ° C	15,1 g cm -3	-	[ Rn ] 7s 2 5f 10	608 kJ mol −1	1.3
Einsteinium	[252]	Op .: 860 ° C	996 ° C	8,84 g cm -3	-	[ Rn ] 7s 2 5f 11	619 kJ mol −1	1.3
Fermium	[257]	1527 ° C	-	9,7 (1) g cm -3	-	[ Rn ] 7s 2 5f 12	627 kJ mol −1	1.3
Mendelevium	[258]	827 ° C	-	10,3 (7) g cm -3	-	[ Rn ] 7s 2 5f 13	-	1.3
Nobelium	[259]	827 ° C	-	9,9 (4) g cm -3	-	[ Rn ] 7s 2 5f 14	641,6 kJ mol −1	1.3
Lawrencium	[266]	1627 ° C	-	~ 15,6 - 16,6 g cm -3	-	[ Rn ] 7s 2 5f 14 7p 1 (*)	478,6 kJ mol −1	-

(*) Kivételek Klechkowski-szabály : aktínium 89 Ac, tórium 90 Th, protaktínium 91 Pa, urán 92 U, neptunium 93 Np, kűrium 96 Cm és laurencium 103 Lr.

Kémiai tulajdonságok

Aktinidák könnyebben reagálnak, mint lantanida a halogén ( 17 th csoportja a periódusos rendszer ) és oxigéncsoport ( 16 e csoport). Azok, akiknek az 5f alhéjban alacsony az elektronszám, könnyen hajlamosak a hidratálódásra . Ezt a 7s, 5f és 6d alrétegek közötti nagyon hasonló energiaszintekkel magyarázzák. A legtöbb aktinid sokféle oxidációs állapotot mutat , a legstabilabb +6 az uránnál , +5 a protaktiniumnál és a neptúniumnál , +4 a tóriumnál és a plutóniumnál , +3 az aktiniumnál és más aktinideknél.

Aktinium - kémiailag hasonló a lantánhoz, amelyethasonló ionsugaruk és elektronkonfigurációjuk magyaráz. +3 oxidációs állapota is van, de kevésbé reaktív és kifejezettebb bázikus tulajdonságokkal rendelkezik. Az Ac 3+ savasabb a trivalens aktinidoknál, vagyis ez az, amelyik a legkevésbé hajlamosa vizes oldatban történő hidrolízisre .

Tórium - kémiailag meglehetősen reaktív. Négy vegyértékű vegyületei színtelenek, mivelaz 5f és 6d alrétegekbennincs elektron . A pH <3 ,a tórium -só oldatokuralják kationok [Th (H 2 O) 8] 4+ . A Th 4+ ion viszonylag nagy, sugara a koordinációs számtól függően 95 µm és 114 µm között változik . A tórium-sók ezért alacsony mértékben hajlamosak hidrolizálni. Különlegességük, hogy nemcsak vízben, hanem poláros szerves oldószerekben is rendkívül jól oldódnak .

Protactinium - Két oxidációs állapota van: a +5 stabil, míg a +4 könnyen oxidálódik protactiniumra ( V ). A négy vegyértékű protaktinium oldatát teháthidrogénatmoszférában erős redukálószer hatására nyerjük. A protactinium ( IV ) kémiailag hasonló az uránhoz ( IV ) és a tóriumhoz ( IV ). A fluoridok , foszfátok , hypophosphates és jodátok a protaktínium ( IV ) vízben oldhatatlanok, és savakkal hígítjuk. A protactinium viszontoldható karbonátokat képez. A protaktinium ( V )vegyületek hidrolízisének jellemzőihasonlóak a tantál ( V ) és a nióbium ( V )vegyületekéhez. A protactinium összetett kémiai tulajdonságai abból adódnak, hogy az 5f alréteg a szintjén kezd töltődni.

Urán - 3-6 vegyértékű, ez utóbbi a legstabilabb. Hat vegyértékű állapotban az urán nagyon hasonlít a 6. csoport elemeire. Az urán ( IV ) és az urán ( VI )sok vegyülete nem sztöchiometrikus , vagyis kémiai összetétele nem állandó és változó eltérést mutat a sztöchiometriától. Tehát az urán-dioxid pontos kémiai képleteUO 2 + δahol a δ -0,4 és +0,32 között van. Az urán ( VI ) vegyületek gyenge oxidálószerek . Legtöbbjük az UO 2 lineáris uranilcsoportot tartalmazza2+ . Négy-hat ligandum helyezkedhet el az egyenlítői síkban, merőlegesen az uranilcsoportra. Ez úgy viselkedik, mint egy kemény savas és formák komplexek erősebb ligandumokat donorokból oxigén donor nitrogénnel ligandumok. NpO 2 ionok2+ és PuO 2A 2+ a neptunium és a plutónium +6 oxidációs állapotban is elterjedt formája . Az urán ( VI ) vegyületek redukáló tulajdonságokkal rendelkeznek, vagyis könnyen oxidálódhatnak a levegőben lévő oxigén által. Az urán ( III ) erős redukálószer. Az elektron jelenlétének köszönhetően a 6d alrétegben az urán fémorganikus vegyületeket képez , például U III (C 5 H 5 ) 3és U IV (C 5 H 5 ) 4.

Neptúnium - 3 és 7 közötti értékű, amelyek egyszerre figyelhetők meg az oldatban. A legstabilabb oxidációs állapot +5, de a 4. vegyérték a szilárd neptúniumvegyületekben a leggyakoribb. A fémes neptúnium nagyon reaktív. A neptúniumionok általában koordinációs vegyületeket képeznek,és könnyen hidrolizálódnak.

Plutónium - 3 és 7 közötti értékű is, ezért kémiailag hasonló a neptúniumhoz és az uránhoz. Ez nagyon reaktív és egy oxid film hamar képezannak kitett felületeken. Ez reagál a hidrogén még olyan alacsony hőmérsékleten, mint 25- , hogy 50 ° C-on . Könnyen képez halogenideket és fémközi ötvözeteket. A plutónium ( V ) részt vehet a polimerizációs reakciókban. A plutóniumionok különböző oxidációs állapotú hidrolízisreakciói meglehetősen változékonyak.

Amerikium - A kémiai változatossága az aktinidok között a legnagyobb, a vegyértékek 2 és 6 között mozognak. A kétértékű americium csak száraz vegyületekben és nem vizes oldatokban figyelhető meg ( acetonitril CH 3 CN). A +3, +5 és +6 oxidációs állapotok jellemzően vizes oldatban figyelhetők meg, de szilárd állapotban is. A négy vegyértékű americium stabil szilárd vegyületeket ( dioxid , fluorid és hidroxid ), valamint komplexeket képez vizes oldatban. Legstabilabb vegyértéke 3 vizes oldatban, 3 vagy 4 szilárd állapotban.

A 3. vegyérték a legstabilabb az americiumot és a lawrenciumot követő összes elem esetében , kivéve talán a nobeliumot . A kúrium négyértékű lehet szilárd anyagban (fluorid-dioxid). A berkélium ezt fluoridban és szilárd dioxidban tartalmazza, 4 plusz az állandó vegyérték, mint a kúrium a 3 vegyérték mellett; az oldatban lévő Bk 4+ ion stabilitása hasonló a Ce 4+ ionéhoz . A californium , az einsteinium és a fermium esetében csak a 3. vegyértéket figyelték meg . A vegyérték-2 volt megfigyelhető mendelévium és nobélium ; az utóbbi esetben stabilabb, mint a 3. vegyérték. A Lawrencium 3 vegyértékű oldatban és szilárd vegyületekben egyaránt.

Uranil-nitrát UO 2 (NO 3 ) 2.
Sók A urán III , IV , V és VI a vizes oldatban .
Sók A neptunium III , IV , V , VI és VII a vizes oldatban .
Sók a plutónium III , IV , V , VI és VII a vizes oldatban .
Urán-tetraklorid UCl 4.
Urán-hexafluorid UF 6 zárt ampullában.
Triurán-oktaoxid U 3 O 8.
Sárga torta egy kémcsőben .

Radioaktivitás

Az aktinidek legstabilabb izotópjai

Elem	Radioizotóp	Fél élet
Aktínium	227 Ac	21.772 (3) bekezdés a
Tórium	232 Th	14.05 (6) Ga
Protactinium	231 Pa	32,76 (11) ka
Uránium	238 U	4,468 (3) Ga
Neptúnium	237 Np	2 144 (7) ka
Plutónium	244 Pu	80 (0,9) Ma
Americium	243 Am	7,37 (4) ka
Kúrium	247 cm	15,6 (5) Ma
Berkelium	247 Bk	1,38 (25) ka
Californium	251 Vö	900 (40) a
Einsteinium	252 Es	471,7 (1,9) d
Fermium	257 Fm	100,5 (0,2) d
Mendelevium	258 milliárd	51,5 (0,3) j
Nobelium	259 Nem	58 (5) perc
Lawrencium	262 Lr	4. (1) bekezdés h

Minden aktinid esetében általában nagyszámú izotóp ismert . Mindezek az izotópok radioaktívak ( radioizotópok ), és szinte mindegyik szintetikus . Csak a tórium 232 , az urán 235 és az urán 238 az elsődleges nuklid , míg a tórium 230 , a protaktinium 231 és az urán 234 jelentős mennyiségben van jelen a környezetben, mint átmeneti bomlástermékek, amelyek hosszú felezési ideje . Tehát a természetes tórium 99,98 (2)% 232 Th és 0,02 (2)% 230 Th, a természetes protactinium 100% -ban 231 Pa, a természetes urán pedig 0,0054 (5)% 234 U, 0,7204 ( 6) 235 U% -a és 238 U. 99,2742 (10)% -a.

Tórium - A tórium 30 izotópja ismert , 209 Th és 238 Th között. A tórium 232 a legstabilabb, felezési ideje 14,05 milliárd év, kissé meghaladja az életkor általánosan elfogadott értékét. 12 nuklid bomlási láncán keresztül bomlik le,és a 208-as ólommal végződik. A többi izotóp lényegesen instabilabb: a tórium 230 felezési ideje 75 380 év, a tórium 229 felezési ideje 7340 év, a tórium 238 felezési ideje 1,92 év. Az összes többi felezési ideje kevesebb, mint 30 nap, és többségük felezési ideje kevesebb, mint 10 perc . A 229 m Thizomertkülönösen alacsony gerjesztési energia jellemzi, 7,8 ± 0,5 eV nagyságrendű.

Urán - 28 urán-izotóp ismert , 215 U és 242 U között. Az urán 238 a legstabilabb, felezési ideje 4,468 milliárd év, közel a Föld korához . Ez egy olyan α-kibocsátó, amelynek bomlási láncának 18 nuklidja van, és a 206-os ólommal végződik. Az urán-235 egy bomlási lánc 15 nuklid, amely a 207 ólomhoz vezet . Ez a két izotóp érdekes a nukleáris ipar , valamint a nukleáris fegyverek gyártása szempontjából,mert a 235 U az egyetlen hasadó izotóp, amely természetesen érezhető mennyiségben kapható, míg a 238 U termékeny : neutron befogással 239 U-raalakul át, amely átalakítja a 239-es neptúniumba, majd a 239-es plutóniumba , ez utóbbi hasadó.

Plutónium - A plutóniumnak 20 izotópja van , 228 Pu-tól 247 Pu-ig. A legstabilabbak a plutónium 244 , felezési ideje 80,8 millió év, a plutónium 242 , felezési ideje 373 300 év, és a plutónium 239 , felezési ideje 24 110 év. A plutónium összes többi izotópjának felezési ideje kevesebb, mint 7000 év. Mindezen izotópok közül 239 Pu és 241 Pu hasadóképes, utóbbiak szintén β-emisszióval bomlanak le americium 241- re - 14 éves időtartam alatt. A 239 Puizotópa három hasadóanyag egyike, amelyet nukleáris fegyverek és atomreaktorok előállításához használnak. Továbbá, a nyolc izomert is ismertek, amelyek közül egyik sem rendelkezik felezési nagyobb, mint 1 s .

Vegyületek

Oxidok és hidroxidok

Néhány aktinid többféle oxidált formában is létezhet, például An 2 O 3, AnO 2, 2. év O 5és AnO 3, ahol az An bármely aktinidet szimbolizál. AnO 3- trioxidokolyan amfoter minden aktinidák, míg a An 2 O 3 -oxidok, AnO 2és a 2. O 5. évbázikusak , vízzel könnyen reagálva bázikus hidroxidokat kapnak :

2. év O 3+ 3 H 2 O→ 2 An (OH) 3.

Ezek a bázisok rosszul oldódnak vízben, és aktivitásuk közel áll a ritkaföldfém- hidroxidok aktivitásához . A legerősebb alap az aktinium . Minden aktinium-vegyület színtelen, kivéve az aktinium-szulfid Ac 2 S 3-at. A négyértékű aktinid-dioxidok kristályosodnak a köbös rendszerben , ugyanazzal a kristályszerkezettel, mint a kalcium-fluorid CaF 2.

A tórium reagál oxigénnel alkotnak kizárólag tórium-dioxid ThO 2 :

Th + O 2→ ThO 2a 1000 ° C-on .

Tórium-dioxid egy tűzálló szervetlen, amelynek olvadáspontja az 3390 ° C , a legmagasabb ismert egy oxid . A hozzáadunk 0,8 1% ThO 2a volfrám stabilizálja a szerkezetet, amely lehetővé teszi a volfrámszálak megerősítését , hogy ellenállóbbá váljanak a rezgésekkel szemben. A ThO 2kell melegíteni, hogy 500 a 600 ° C , hogy feloldja a sav, míg a fűtési felett 600 ° C-on termel formájában tórium-dioxid nagyon ellenálló a savakkal. Kis mennyiségű F - fluoridion hozzáadása katalizálja a tórium - dioxid savakban való oldódását.

A protactinium két oxidja ismert : a fekete dioxid PaO 2és a fehér oxid Pa 2 O 5 ; az első izomorf a ThO 2 tórium-dioxiddalde a másodikat a legkönnyebb előállítani. Ez a két oxid bázikus, és a Pa (OH) 5 hidroxid gyengén bázis nehezen oldódik.

A bomlása bizonyos sói az urán levegőben 400 ° C-on , például, uranil-nitrát hidratált UO 2 (NO 3 ) · 6H 2 OUO 3 urán-trioxidot ad, narancssárga színű. Ez az oxid amfoter és több hidroxidot képez , amelyek közül a legstabilabb az UO 2 (OH) 2. Az urán-trioxid hidrogénnel történő redukciója UO 2 urán-dioxidhoz vezet, amely hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, mint a tórium-dioxid ThO 2. Ez az oxid szintén bázikus, urán-hidroxidot U (OH) 4 adva.

A neptúnium , a plutónium és az americium kétféle bázikus oxidot alkot: An 2 O 3és AnO 2. Neptúnium-trioxid NpO 3instabil, így csak Np 3 O 8 képződik. Azonban az AnO 2 általános képletű neptúnium- és plutónium-oxidokés a 2. O 3. év jól jellemzik.

Sók

Az aktinidek könnyen reagálnak a halogénekkel az AnX 3 általános képletű sók képzése céljábólés az AnX 4ahol An jelentése bármilyen aktinid és X jelentése bármilyen halogénatom. Az első berkélium vegyületet szintetizáljuk 1962 formájában 3 ng a BkCl 3 -klorid. Az aktinid- kloridok, -bromidok és -jodidok vízben oldódnak, míg a fluoridok oldhatatlanok, ahogy a megfelelő ritkaföldfém- sók esetében is . Az urán könnyen képez színtelen hexafluoridot, UF 6 urán-hexafluoridot, Amely szublimál át 56,5 ° C-on ; ez a tulajdonság hasznossá teszi az urán izotópjainak szétválasztását gázfázisú centrifugálással vagy gázdiffúzióval. Az aktinid-hexafluoridok hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, mint az anhidridek . Nagyon érzékenyek a nedvességre és hidrolizálva AnO 2 F 2 vegyületeket képeznek.. Az urán-pentakloridot UCL 5és urán-hexaklorid (en) UCl 6 szintetizáltak, de instabilak.

Amikor aktinidekkel reagálnak, a savak sókat képeznek ; ha ezek a savak nem oxidálódnak , az aktinid alacsony oxidációs állapotban marad :

U + 2 H 2 SO 4→ U (SO 4 ) 2+ 2 H 2 ; 2 Pu + 6 HCl → 2 PuCl 3+ 3 H 2.

Az ezen reakciók során keletkező hidrogén azonban reagálhat aktiniddel a megfelelő hidrid képződéséhez . Az urán sokkal könnyebben reagál savakkal és vízzel, mint a tórium.

Az aktinid-sókat úgy is előállíthatjuk, hogy a megfelelő hidroxidokat savakban oldjuk . A nitrátok , kloridok , szulfátok és perklorátok aktinidek vízben oldódnak. Amikor kristályosodni egy vizes oldatban , ezeket a sókat képeznek hidrátokat , például Th (NO 3 ) 4 6H 2 O, Th (SO 4 ) 2 9H 2 Oés Pu 2 (SO 4 ) 3 7H 2 O. A nagy vegyértékű aktinid sók könnyen hidrolizálnak. A tórium-szulfát, klorid, perklorát és nitrát így adnak bázisos sókat, például Th (OH) 2 SO 4és Th (OH) 3 NO 3. A háromértékű és négyértékű aktinidek oldhatósága követi a lantanidsókét. Az aktinidek foszfátjai, fluoridjai, oxalátjai, jodátjai és karbonátjai tehát rosszul oldódnak vízben; azok kicsapódnak a hidrátok formájában, így THF-ben 4 3H 2 Oés Th (CrO 4 ) 2 3H 2 O.

Aktinidek +6 oxidációs állapotban - kivéve az AnO 2 típusú kationokat2+ - komplex anionokat képeznek, például [AnO 4] 2– vagy ismét [An 2 O 7] 2– például. Így az urán , a neptúnium és a plutónium Na 2 UO 4 típusú sókat képez .( Uranate ) és (NH 4 ) 2 U 2 O 7( diuranát ). A lantanidokhoz képest az aktinidek könnyebben adnak koordinációs vegyületeket, és ez még inkább, mivel vegyértékük magas. A háromértékű aktinidok nem alkotnak koordinált fluoridokat, míg a négyértékű tórium K 2 ThF 6 komplexeket képez, KThF 5és még K 5 ThF 9. A tórium is képezi szulfátok (például Na 2 SO 4 Th (SO 4 ) 2 5H 2 O), a megfelelő nitrátok és tiocianátok . Általános képletű sók 2. év Th (NO 3 ) 6 · n H 2 Okoordinálja, a koordinációs egyenlő 12 tórium. Az öt vegyértékű és hat vegyértékű aktinidek még könnyebben termelnek komplex sókat. A legstabilabb aktinid-koordinációs vegyületeket - tóriumot és tetravalens uránt - olyan diketonokból nyerik, mint az acetil-aceton H 3 C - CO - CH 2 –CO - CH 3.

Toxicitás

Az aktinidek mérgező vegyi anyagok, vagyis az aktinidoknak vagy vegyületeiknek kitett emberi test hajlamos a károsodásra és a betegségekre. Ez a toxicitás mind az aktinidok kémiai tulajdonságaiból, mind a radioaktivitásukból adódik, így természetükben és intenzitásukban egyik elemről a másikra nagyon változó.

Kémiai toxicitás

Tórium - Kémiai toxicitása korlátozott a vegyületek, különösen a tórium-dioxid ThO 2 alacsony oldhatósága miatt, vízben. Ezen vegyületek némelyike azonban mérsékelten mérgező. Az ilyen vegyületek kezelése dermatitishez vezethet . A tünetek évtizedekkel jelentkezhetnek azután, hogy érintkezésbe kerülnek ezekkel a vegyületekkel. Ezenkívül a porított fémes tórium piroforikus és spontán módon meggyullad a szabadban.

Urán - A szájon át bevitt urán nagy része emésztés után ürül. Oldhatatlan frakciójának (különösen oxidjainak )körülbelül 0,5% -a és oldható frakciójának5% -a (főleg uranil- UO 2- ionok formájában)2+ ) felszívódhat a folyamatban. Azonban az urán oldhatatlan vegyületei a legveszélyesebbek, különösen aeroszolként belélegezve, amikor a tüdőhöz kapcsolódnak, ahonnan aztán a test többi részébe diffundálnak. A vérbe kerülve az urán foszfátokhoz való affinitása miatt hajlamos a felhalmozódni a csontokban ; több évig ott maradt. Az egészségügyi hatások sokrétűek és a vesék , az agy , a máj , a szív és más élettani rendszerek működésében bekövetkező változásokként jelentkeznek az urán kémiai toxicitása miatt. Az urán is reprotoxikus . Laboratóriumi állatmodell vizsgálatok kimutatták, hogy az uranil UO 2 ionok 2+ , például UO 3 urán-trioxidból, uranil-nitrát UO 2 (NO 3 ) 2vagy más hat vegyértékű uránvegyületek születési rendellenességeket okozhatnak és károsíthatják az immunrendszert . Az uránvegyületek közül az UF 6 urán- hexafluorid, Széles körben használják a nukleáris ipar számára urándúsítás , különös kockázatot jelent képződése miatt a hidrogén-fluorid érintkezve biológiai szövetek . Végül a porított fémes urán piroforos , ami tűzveszélyt okoz, amennyiben a kis szemcsék spontán meggyulladnak a szabadban és a környezeti hőmérsékleten.

Plutónium - Az emberek , felszívódik plutónium szállítják transzferrinek és tárolja a vér által ferritin, esetlegesen felhalmozódó a tüdő , a máj és a csontok . Hatásainak korlátozásának egyik módja egy kalcium - DTPA komplex injekciója aszennyezéstőlszámított 24 órán belül, ami korlátozza a plutónium, valamint az amerícium és a kúrium kötődését. Mivel aplutónium szintetikus elem , elsősorban radioaktivitása miatt , radiotoxicitásáról ismert ; kémiai toxicitása azonban hasonló a többi nehézféméhez .

Radiotoxicitás

Mint minden radioaktív anyag , az aktinidek szövetkárosodást okozhatnak a bőr felszíni szennyeződésével, a radioizotópok lenyeléséből eredő belső expozícióval , valamint főleg β sugárzásokkal és γ sugarakkal történő külső expozícióval . Az α sugárzás nem hatol be a bőrbe, hanem átjuthat a belső szervek nyálkahártyáján.

Aktinium - A rádium és a transzuránok mellett ez az egyik legveszélyesebb radioaktivitást mutató elem,különösen magas fajlagos aktivitással rendelkezik az α sugárzásokra . Az aktinium fő jellemzője, hogy felhalmozódik a csontok felületi rétegeibenés ott marad. Az aktinium-mérgezés kezdeti szakaszában ez az elem a májban is felhalmozódik. Különösen veszélyes, mivel az emberi test kiválasztásához szükséges idő nagyobb, mint a radioaktív bomlása , így az abszorbeált aktinium nagy része szétesik a testben. Az emésztőrendszer abszorpciójaazonban jóval alacsonyabb, mint a rádiumé.

Tórium - Mivel a természetben előforduló elem, a tórium mindenhol nagyon alacsony mennyiségben van jelen, ezért az emberi test jellemzően 100 mcg nagyságrendűés 3 mcg-ot vesz fel naponta. A felszívott tórium 200 ppm- ét a test rögzíti, háromnegyedét a csontokban. Nagyon lassan bomlik le, és α sugarakat bocsát ki,amelyek veszélyesek, ha a test belsejéből származnak. A szennyezett aeroszolok belélegzése tehát fokozottabb kockázatot jelent a tüdőrák , a hasnyálmirigyrák és a leukémia szempontjából , míg a szennyezett étel elfogyasztása a májrák kockázatát fokozza. Míg maga a tórium radiotoxicitása meglehetősen korlátozott, a 232-es tórium , annak fő izotópja, lebomlik,éslényegesen veszélyesebb nuklidokat , például rádiumot vagy radont eredményez. Ez az oka annak, hogy a tórium-dioxid ThO 2 használataa izzólámpa ujjú kockázatot radioaktív szennyezettsége, mert az oxidok a radionuklidok 228 Ra , 224 Ra , 212 Pb és 212 Bi van egy alacsonyabb olvadáspontú , mint a ThO 2 és ezért a hüvely használatakor elpárolognak, ami rádium belégzéséhez vezet.

Protactinium - hajlamos a felhalmozódni a vesékben és a csontokban. A maximális adag által tolerált emberi test 0,03 jiCi , amely hozzávetőlegesen megfelel 0,5 ug a 231 Pa .

Urán - Azurán radiotoxicitása az α-kibocsátásból származik . Kémiai toxicitását követi (lásd fent), és a6% -nál nagyobb urán-235- dúsítások esetében uralkodóvá válik; az urán kémiai toxicitása dominál ezen dúsítási küszöb alatt, mint ez különösen a szegényített urán esetében .

Plutónium - A tüdőben , a májban és a csontokban felhalmozódik,függetlenül attól, hogy milyen módon szennyezett - a levegőn, az ételen keresztül vagy egy szennyezett tárgy sérülései miatt - és évtizedekig ott marad. Az abszorbeált mennyiség alig tizede jut el más szervekhez. A plutónium testben való perzisztenciája részben a vízben való alacsony oldhatósággal magyarázható. A plutónium néhány izotópja α sugárzást bocsát ki,amely károsítja akörnyező sejteket . Számos, nagyon eltérő eredményt adó módszer lehetővé teszi a szervezet által tolerált maximális dózis megközelítését a betegségek kialakulása előtt. Ígya plutónium átlagos halálos dózisa 30 nap után intravénás injekcióval kutyákban 0,32 mg kg -1 , ami lehetővé teszi egy70 kg-os ember halálos dózisának becslésétkörülbelül 22 mg plutóniumra. A levegőben lévő szennyezés megfelelő mennyiségének ennek a dózisnak a négyszeresének kell lennie. Ezzel szemben a toxikus hatások nélkül elviselhető maximális dózis megbecsülhető a plutónium toxicitásának értékelésével a rádium 2% -ában, ami 5 µg vagy 0,3 µCi maximális tolerálható dózist eredményez . Ilyen kis mennyiség alig látható mikroszkóp alatt. Az állatmodell- vizsgálatokezt az értéket tovább csökkentették, csak 0,65 µg-ig , vagy 0,04 µCi-ig . Ezek a tanulmányok kimutatták, hogy a legveszélyesebb szennyeződési út a légutak, amelynek eredményeként a belélegzett mennyiség 5-25% -a rögzül a szervezetben. A részecskemérettől és a plutóniumvegyületek oldhatóságától függően a szennyeződés a tüdőhöz, a nyirokrendszerhez kapcsolódik , vagy átjut a véráramba, amíg el nem éri a májat és a csontokat. Az élelmiszer-szennyezés a legkevésbé valószínű út. Ebben az esetben az oldható plutóniumvegyületek körülbelül 0,05% -a és az oldhatatlan vegyületek 0,01% -a jut a vérbe, míg a többi kiválasztódik. A bőrelváltozás plutóniumnak való kitettsége viszont csaknem az összes felszívódásához vezet.

Természetes bőség és ásványi anyagok

A tórium és az urán a két aktinid, amelyek a legelterjedtebbek a természetes környezetben, ezeknek a tömegaránya 1,6 × 10–5–4 × 10–6 . Urán van jelen a földkéreg formájában keveréke oxidok az összetétel uránszurokérc , vagy uránszurokérc. Tucatnyi más uránt tartalmazó ásványi anyag létezik, például karnitit K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2 3H 2 Oés autunit Ca (UO 2 ) 2 (PO 4 ) 2 10-12H 2 O. Az izotóp-összetételét a urán 99,274% az urán-238 , 0,7204% az urán-235 és 0,0054% az urán 234 ; A 238 U izotóp van a leghosszabb felezési 4,51 milliárd év. Világ urán termelése 2015-ben volt 60.496 t , amelyből 23.800 t volt, a Kazahsztán és 13.325 t a kanadai , míg a világ tartalékainak 2013. állt 5902900 t , ebből 29% volt Ausztráliában. 12% Kazahsztánban.

A legtöbb tóriumot tartalmazó ásványi anyag a torianit ThO 2, torit (Th, U) SiO 4és monazit (Ce, La, Nd, Th) PO 4. A legtöbb tórium ásványi anyag uránt is tartalmaz, míg az urán ásványok többsége tóriumot is tartalmaz; ezek az ásványi anyagok a lantanidok egy részét is tartalmazzák .

Az aktinium tömege a földkéregben csak 5 × 10 -17 . Uránt tartalmazó ásványi anyagokban található meg, leggyakrabban olyan arányban, amely megfelel az urán 235-nek , a szülő izotópnak az izotóp egyensúlyának . A protactinium bőségesebb, mint az aktinium, tömegének bősége körülbelül 10-14 . Koncentrációja az uránércekben követi az urán 235 koncentrációját .

A neptunium 237 , a neptunium legstabilabb izotópjának felezési ideje elhanyagolható a Föld korához képest, így ez az elem a természetes környezetben csak más radioaktív izotópok köztes bomlástermékeként létezik. A természetes bősége plutónium 240 , a legstabilabb izotópja plutónium , 3 × 10 -22 : szélsőséges vízhiány azt jelenti, hogy a plutónium használt nukleáris és a fegyverek iparban teljesen mesterségesen szintetizált.

Kivonás

Az aktinidok alacsony tengeri bősége miatt ércekből történő kinyerése összetett, többlépcsős folyamatokon megy keresztül. A fluoridokat általában intermedierként használják , mert vízben nem oldódnak, és redoxireakciókkal könnyen tisztíthatók . A fluorokat kalcium , magnézium és bárium redukálja :

2 AmF 3 (be) + 3 Ba → 3 BaF 2+ 2:00 , de; PuF 4+ 2 Ba → 2 BaF 2+ Pu , 1200 ° C ; UF 4+ 2 Mg → U + 2 MgF 2,> 500 ° C .

A fő nehézség kivonására aktínium , például a nagy hasonlóságot a tulajdonságait, hogy azok a lantán , úgy, hogy általában szintetizálják a nukleáris reakciók izotópjai a rádium , vagy úgy alkalmazásával elkülönítettük ioncserélő eljárásokkal.

A tórium extrakciója

A tórium és az urán az első izolálható aktinid. A tóriumot főleg monazitból nyerik ki . A ThP 2 O 7 tórium-pirofoszfát reakcióba lépa salétromsav HNO 3, amely Th (NO 3 ) 4 tórium-nitrátot ad, Amely kezeljük tributilfoszfát (CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 O) 3 PO. A monazitban jelen lévő ritkaföldfémek a pH-érték szulfát- oldatban történő emelésével eliminálódnak .

Alternatív extrakciós módszer szerint a monazitot nátrium-hidroxid- NaOH vizes oldatával bontják 140 ° C-on . A fém- hidroxidokat először extraháljuk, 80 ° C-on szűrjük, vízzel mossuk és tömény sósavban oldjuk . A savas oldatot ezután hidroxidokkal semlegesítjük pH = 5,8-ra , ami Th (OH) 4 tórium-hidroxid- csapadék képződéséhez vezet.körülbelül 3% ritkaföldfém-hidroxidot tartalmaz, a ritkaföldfém-hidroxidok többi része oldatban marad. A tórium-hidroxidot feloldják egy ásványi savban, és megtisztítják ritkaföldfém-szennyeződéseitől. A tórium-hidroxid salétromsavban való oldása hatékony módszer, mert a kapott oldatot szerves oldószerekkel végzett extrakcióval tisztíthatjuk .

Th (OH) 4+ 4 HNO 3→ Th (NO 3 ) 4+ 4 H 2 O.

A fémes tóriumot (tiszta) vízmentes oxidtól , kloridtól és fluortól inert atmoszférában kalciummal reagáltatva választják el :

ThO 2+ 2 Ca → 2 CaO + Th .

A tórium néha extraháljuk elektrolízis egy fluorid elegyében nátrium-klorid nátrium-kloridot és kálium-kloridot KCl a 700 , hogy 800 ° C-on egy tégelyben a grafit . Erősen tisztított tórium lehet kinyert jodid által a Van-Arkel-de-Boer folyamatot .

Uránbányászat

Az uránt többféle módon nyerik ki az érceiből. Az egyik módszer az érc elégetése, majd salétromsavval történő reagálása, hogy az uránt oldatban oldják. Történő kezelésével ez a megoldás oldattal tributilfoszfát (CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 O) 3 POa kerozin kialakulásához vezet egy fémorganikus vegyület általános képletű UO 2 (NO 3 ) 2 ((CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 O) 3 PO) 2. Az oldhatatlan szennyeződéseket kiszűrjük, és az uránt hidroxidokkal reagáltatjuk (NH 4 ) 2 U 2 O 7 formájában.vagy hidrogén-peroxiddal H 2 O 2mint UO 4 2H 2 O.

Amikor uránérc gazdag ásványi anyagokban, mint a dolomit CaMg (CO 3 ) 2vagy magnezit MgCO 3, ez a módszer sok savat fogyaszt. Ebben az esetben előnyös a karbonátos eljárást alkalmazni az urán kinyerésére. Fő összetevője a nátrium-karbonát Na 2 CO 3 vizes oldata , Amely átalakítja az urán egy komplex [UO 2 (CO 3 ) 3] 4− , amely vizes oldatban stabil, alacsony hidroxidion-koncentráció mellett. Ennek a módszernek az az előnye, hogy reagensei kevésbé korrozívak, mint a nitrátok, és hogy az urán kivételével a legtöbb fémet kicsapja. Hátránya, hogy a négyértékű uránvegyületek is kicsapódnak. Ezért az uránércet magas hőmérsékleten és oxigénnyomás alatt nátrium-karbonáttal kezelik:

2 OU 2+ O 2+ 4 HCO 3- + 2 CO 32− → 2 [UO 2 (CO 3 ) 3] 4- + 2 H 2 O.

Ez az egyenlet arra utal, hogy az urán-karbonát feldolgozásának legjobb oldószere a karbonát- CO 3 keveréke2– és hidrogén-karbonát HCO 3- . A magas pH- ez vezet a kicsapódását diuranátot , amelyet azután kezeljük hidrogénnel jelenlétében nikkel , így oldhatatlan urán tetracarbonate.

Az elválasztás másik módszere polielektrolitként használt polimer gyantákat alkalmaz . Az ilyen eszközökben az uránt ezekben a gyantákban ioncserélő eljárásokkal választják el, majd ezekből a gyantákból ammónium-nitrát NH 4 NO 3 alkalmazásával extrahálják vagy salétromsav HNO 3Annak érdekében, hogy uranil-nitrát UO 2 (NO 3 ) 2 6H 2 O. Utóbbit ezután felmelegítve UO 3 urán-trioxidot kapunk, amely urán-dioxiddá redukálódik UO 2a hidrogén :

UO 3+ H 2→ UO 2+ H 2 O.

Az urán-dioxid hidrogén- fluoriddal való reakciójával UF 4 urán-tetrafluoridot kapunk :

4 HF + UO 2→ UF 4+ 2 H 2 O.

Az urán-tetrafluorid fémes uránt ad magnéziummal történő reakcióval .

Plutónium extrakció

A plutónium besugárzott nukleáris fűtőanyagból történő kinyerése érdekében először a besugárzott uránt neutronokkal , HNO 3 salétromsavval kezeljük ., majd egy reagens, például vas (II) -szulfát FeSO 4vagy hidrogén-peroxid H 2 O 2adunk az oldathoz, hogy jár, mint egy redukálószer csökkenti a oxidációs állapota plutónium 6-4, míg az urán maradványok uranil-nitrátot UO 2 (NO 3 ) 2. A plutónium ( IV ) vegyületeket végül ammónium-karbonát (NH 4 ) 2 CO 3 hatására kicsapják , amely a pH- t 8-ra emeli .

Egy másik módszer szerint plutónium ( IV ) és uranil- UO 22+ először extraháljuk tributilfoszfát (CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 O) 3 PO, Majd reagáltatunk hidrazinnal N 2 H 4 hogy visszanyerje a plutóniumot.

Alkalmazások

Eltekintve a urán és plutónium által használt nukleáris ipar és a design nukleáris fegyverek , a americium - köztük a americium-241 - használják ionizációs kamrák a füstérzékelők , és tórium óta használják a hagyományos ujjú . Nukleáris fűtőanyagként történő felhasználás kihasználja ezen atomok hasadása során felszabaduló nagyon nagy mennyiségű energiát és tulajdonságukat, amelyek képesek fenntartani a láncreakciót .

Aktinium - Az Actinium 227- et neutronforrásként használják. Amagas fajlagos energia 14,5 W g -1 és megszerzésének lehetőségét nagyobb mennyiségben tették érdekes izotóp előállítására radioizotópos termoelektromos generátor . A aktínium 228 alkalmazunk mutató radioaktivitás óta bocsát ki elektron energiája 2,28 MeV könnyű felismerni. A 228 Ac - 228 Ra forrásokat gyakran használják γ sugarak kibocsátásáraipari vagy orvosi felhasználásra.

A tórium - Ez főként a termelés izzó ujjak a formájában a tórium-dioxid ThO 2. Megállapítja azt is használható, mint egy adjuváns egyes ötvözetek a magnézium és a cink . A magnézium-tórium ötvözetek kemények és könnyűek, magas olvadásponttal és hajlékonysággal , így hasznos anyagok a repülésben és a rakétagyártásban. A tórium érdekes elektronkibocsátási tulajdonságokkal is rendelkezik , hosszú élettartammal és alacsony potenciális gátlással a kibocsátáshoz. A tórium és az urán izotópok relatív tartalmát általában használják a különféle anyagok életkorának becslésére az urán-tórium datálási módszerekben , amelyek a radiometriai datálás speciális esetei .

Az urán - Alegfontosabb izotópja az atomenergia termelésaz urán-235 . A hasadás egy gramm urán 235 kibocsátások mintegy 1 MW · nap . Ez az izotóplegfeljebb 0,72% -banvan jelen az uránércben, és termikus neutronreaktorokban használják. Ez az izotóp valójában elnyeli a termikus neutronokat , kiváltva egy hasadási reakciót, amely során más neutronok bocsátanak ki, ami a kritikus tömeg elérésekorlehetővé teszia láncreakció fenntartását. Az uránatom hasadása abból áll, hogy magját két részreosztja, és neutronokat szabadít fel; a töredékek változó jellegűek, és a felszabaduló neutronok száma is, például:

235
92U +1
0n →115
45Rh +118
47Ag + 31
0n .A tórium 232 és az urán-233 szintén érdekes izotóp az atomenergia-termelés szempontjából. A kibocsátási neutronok során hasadási reakció fontos, hogy ne csak fenntartani a láncreakció, hanem termelni nehezebb nuklidek neutronbefogási majd β - bomlások . A urán 239 volt transmuted valamint plutónium-239 által dezintegráció β - , izotóp is képesek a spontán hasadási . Az első atomreaktor tehát nem atomenergia, hanem plutónium-239 termelésére készült katonai célokra.

Plutónium - Ennek az elemnek a használata elsősorban katonai célú. A plutónium-239 elengedhetetlen alkotóelem, mivel hasadó és viszonylag könnyen előállítható. Használata lehetővé teszi a kritikus tömeg kb. Harmadára való csökkentését az urán-235 esetében szükséges mennyiségnek . A plutónium-238 potenciálisan hatékonyabb izotóp reaktorok miatt alacsonyabb a kritikus tömeget, mint a urán-235 , de továbbra is bocsát ki hőenergiát széteső, még ha a láncreakció leállítjuk vezérlő rúd , és annak költségei is viszonylag magas. Ez az oka annak, hogyaz asztronautika számára termopillák ésaz űrkutatáshoz használt radioizotópos termoelektromos generátorok megvalósítására használják. Mivel széteséseviszonylag ártalmatlan α részecskéket hoz létre, és nem termel γ sugarakat , ezt az izotópot használják energiaforrásként a pacemakerek számára , ahol 160 mg ötször hosszabb akkumulátor-élettartamot biztosít, mint a hagyományos akkumulátorok.

Aktinidok felfedezése és szintézise

Termelési csatornák

A lantanidokkal ellentétben, amelyek a természetben jelentős mennyiségben találhatók (a prometium kivételével ), a legtöbb aktinid nagyon ritka elem. A legtöbb természetes elem a tórium és az urán ; és a legkönnyebben szintetizálható a plutónium ; a többi alig található meg, csak nyomok formájában.

A transzuránelemek lehetőségét Enrico Fermi javasolta 1934-es kísérletei alapján

A transzuránok nem találhatók jelentős mennyiségben a természetben, és nukleáris reakcióval keletkeznek . Jelenleg két fő módon előállítani izotópok túl plutónium: besugárzás neutronáramok vezető neutronbefogásos vagy besugárzással részecske gerendák, egy részecskegyorsító .

Az első út a fő a gyakorlati alkalmazásokhoz, az aktinidek tömeg szerinti előállítása csak atomreaktorban történő besugárzással lehetséges ; ez azonban a család első elemeire korlátozódik. Például egy atomreaktor neutron besugárzási körülményei között az urán 238 részben átalakul 239 plutóniummá : ${\ mathrm {{} _ {{92}} ^ {{238}} U + {} _ {{0}} ^ {{1}} n \ {\ xrightarrow \} \ {} _ {{92}} ^ {{239}} U \ {\ xrightarrow [{23.5 \ min}] {\ beta ^ {-}}} \ {} _ {{93}} ^ {{239}} Np \ {\ xrightarrow [{2.3 \ nap}] {\ beta ^ {-}}} \ {} _ {{94}} ^ {{239}} Pu \ {\ xrightarrow [{2.4 \ cdot 10 ^ {4} \ év}] {\ alfa }}}}$ A nagyobb atomsúlyú aktinideket részecskegyorsító alkalmazásával szintetizálják, urán, plutónium, kúrium vagy kalifornium nitrogén, oxigén, szén, neon vagy bór ionjaival bombázva. A második módszer előnye, hogy lehetővé teszi a plutóniumnál lényegesen nehezebb elemek , valamint neutronhiányos izotópok előállítását. Így Nobeli- t úgy állítottak elő, hogy a 238-as uránt a 22-es neonnal bombázták, a nukleáris reakciót követően: $~ {\ mathrm {{} _ {{~ 92}} ^ {{238}} {} U + {} _ {{10}} ^ {{22}} {} Ne \ longrightarrow {} _ {{102} } ^ {{256}} {} Nincs + 4 {} _ {0} ^ {1} {} n}}$ .

1962 és 1966 között az Egyesült Államok hat földalatti nukleáris teszt sorozatát hajtotta végre, hogy megpróbálja elemezni a nehéz izotópok termelését magas neutron fluxus összefüggésében. A robbanás után közvetlenül a robbanás után kis kőzetmintákat vettek, de soha nem azonosítottak 257-nél nagyobb atomtömegű izotópokat , bár az akkori elmélet ebben a régióban egy viszonylag hosszú felezési idejű izotópstabilitási szigetet jósolt. az alfa radioaktivitásban .

A természetes aktinidok felfedezése

A transzuránok szintézise

Nem.	Vezetéknév	IUPAC	Izotóp felfedezve	A felfedezés éve	Felfedezési módszer
89	Aktínium	Ac	természetes	1899	Kémiai elválasztás
90	Tórium	Th	természetes	1829	Kémiai elválasztás
91	Protactinium	Pa	234 m Pa	1913	Kémiai elválasztás
92	Uránium	U	természetes	1789	Kémiai elválasztás
93.	Neptúnium	Np	239 neptúnium	1940	A neutronok által 238 U bombázás lassú
94. o	Plutónium	Tudott	238 plutónium	1941	238 U bombázása deuteronok által
95	Americium	Am	241 americium	1944	Neutron bombázása 239 Pu
96	Kúrium	Cm	242 kúrium	1944	Bombázása 239 Pu által α részecskék
97	Berkelium	Bk	243 berkelium	1949	A 241 Am bombázása α részecskékkel
98	Californium	Vö	245 californium	1950	242 Cm bombázása α részecskékkel
99	Einsteinium	Is	einsteinium	1952	Mivel a termék a nukleáris robbanás Ivy Mike
100	Fermium	Fm	255 fermium	1952	A nukleáris robbanás eredményeként Ivy Mike
101	Mendelevium	Md	256 mendelevium	1955	253 Es bombázása α részecskékkel
102	Nobelium	Nem	256 nobelium	1965	Bombázása 243 Am által 15 N vagy bombázása 238 U által α részecskék vagy bombázása 238 U által 22 Ne
103.	Lawrencium	Lr	258 lawrencium	1961–1971	Bombázása 252 Cf által 10 B vagy 11 B , és 243 Am által 18 O

Az uránt 1789-ben Martin Heinrich Klaproth német vegyész izolálta az érc- szurokfúvóból . Megkeresztelte ez az anyag „urán”, utalva a bolygó Uránusz , amely fedeztek fel nyolc évvel korábban. Klapoth kapott sárga csapadékot (valószínűleg nátrium-diuranátot ) oldásával uránszurokérc a salétromsavat , majd semlegesítjük a kapott oldatot nátrium-hidroxiddal . Ezután szénnel csökkentette ezt a sárga csapadékot , és feketés anyagot kapott, amelyet fémnek vett. Csak hatvan évvel később elemezte Eugène-Melchior Péligot francia vegyész ezt a port urán-oxidként. Elszigetelt az urán első fémmintáját is , kálium jelenlétében melegítve az urán-tetrakloridot . Az urán atomi tömegét ezután 120-ra becsülték, de 1872-ben Dmitrij Mendelejev ezt az értéket 240-re módosította periodikus elemzési táblázata alapján. Ezt az értéket később 1882-ben kísérletileg megerősítette K. Zimmerman.
A tórium -oxid fedezte fel Friedrich Wöhler egy érc Norvégia 1827-ben Ezt érc analizáltuk Jöns Jacob Berzelius 1828 csökkentésével tórium-tetrakloridot kálium, szerzett egy fém nevezte tórium , a hivatkozás a Thor , istene mennydörgés és villám a skandináv mitológiából . Ugyanazt a módszert alkalmazta a Pélogot az urán elkülönítésére .
A Aktínium fedezte fel 1899-ben André-Louis Debierne , az asszisztens Marie Curie , a maradványai uránszurokérc , amelyek feldolgozása a kivonat a rádium és polónium . Eleinte ezt az anyagot hasonlónak találta a titánhoz , majd (1900-ban) hasonlóan a tóriumhoz . Devierne ezen aktinium-felfedezését azonban 1971-ben és 2000-ben megkérdőjelezték, azon az alapon, hogy a Devbierne által 1904-ben megjelent mű ellentmond korábbi 1899-es és 1900-as publikációinak. Az " aktinium " kifejezés a görög aktis, aktinos (ακτίς) szóból származik. , ακτίνος) ami egy fénysugarat jelent. A lantánnal való hasonlósága és nagyon alacsony mennyisége miatt az aktinium tiszta állapotában csak 1950-ben került izolálásra.
A Protactiniumot 1900-ban William Crookes izolálta . 1913-ban azonosították, amikor Kazimierz Fajans és Oswald Helmuth Göhring (es) azonosították 234 m Pa izotópját (felezési ideje 1,17 perc) a 238 U. bomlási lánc tanulmányozása során. brévium”(a latin brevis , rövid időtartamú). 1918-ban két tudóscsoport, az osztrák Lise Meitner , a német Otto Hahn és az angol John Cranston (in) vezetésével önállóan fedezte fel a 231 Pa izotópot , és protoactinium nevet adott neki (a görög πρῶτος + ἀκτίς, az első a sugárzóból), amelyet 1949-ben rövidítettek protactiniumra . Ezt az elemet alig jellemezték 1960-ig, amikor AG Maddocknak és munkatársainak sikerült 60 gramm uránból származó érchulladékból 130 gramm protactiniumot előállítani.

Mesterséges aktinidek szintézise

A transzurán-aktinidek családját az atomfizika kezdeti napjaiban fedezték fel , az 1940-es és 1960-as évek között.

A neptúniumot Edwin McMillan és Philip H. Abelson fedezte fel 1940-ben Berkeley-ben . Az uránt lassú neutronokkal bombázva állították elő a 239 Np izotópot (felezési ideje 2,4 nap) . Ők keresztelték ezt az anyagot „neptunium” való hivatkozással a bolygó Neptunusz , a bolygó következő Uránusz , amely adta a nevét az urán. Ez volt az első mesterségesen előállított transzurán.
A 238 Pu izotópot előállították1940. december 14azzal jellemezve, 1941 csapat Glenn Seaborg bombázták a cél urán a deutérium a ciklotron a Berkeley .
A Curiumot 1944 nyarán fedezte fel Glenn T. Seaborg és munkatársai, Ralph A. James (in) és Albert Ghiorso . Kísérleti sorozatukban a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem 60 hüvelykes ciklotronját használták .
Az americium 241-et Glenn T. Seaborg , Leon Morgan (es) , Ralph James és Albert Ghiorso szintetizálta először 1944 vége felé a Chicagói Egyetem (ma már Argonne Nemzeti Laboratórium néven ismert) kohászati laboratóriuma felé . , plutónium besugárzásával egy atomreaktorban . Americiumot az amerikai kontinensre hivatkozva nevezték el, az europium analógiájára , amely a lantanid-család egyik eleme, amelynek kémiai megfelelője.
A berkélium állítottuk elő először decemberben 1949-es által Stanley G. Thompson (in) , Glenn T. Seaborg , Kenneth Street, Jr. (in) , és Albert Ghiorso a University of California, Berkeley . Az első előállított izotóp tömegszáma 243, lebomlási ideje 4,5 óra.
A californium- 245-et először 1950-ben állították elő Stanley G. Thompson (-ban) , Glenn T. Seaborg , a Kenneth Street, Jr. (-ban) és Albert Ghiorso a kaliforniai Berkeley -ben , innen kapta a nevét: ezután kapott bombázzák a curium 242 célt egy nyaláb α részecskék előállításához 245 Cf egy (α, n) reakció.
A einsteinium elnevezett Albert Einstein , és fermium elnevezett Enrico Fermi , fedezték fel 1952 by Albert Ghiorso a törmelék Ivy Mike , az első termonukleáris robbanás . A 255 Fm-t az urán 238 és 17 neutron kombinálásával hozták létre az intenzív neutron fluxus hatására. Ezeket az eredményeket kezdetben osztályozták, de a Berkeley-csoportnak sikerült polgári eszközökkel szintetizálnia ezt a két elemet a 239-es plutónium neutronbombázásának való alávetésével, és ezt az eredményt 1954-ben tette közzé, jelezve, hogy nem ez volt az első felfedezés. Ivy Mike csapadékának tanulmányait végül 1955-ben visszavonták.
A mendeleviumot először 256 milliárd] -ig (felezési ideje 87 perc) kapta Albert Ghiorso, Glenn T. Seaborg, Gregory R. Choppin, Bernard G. Harvey és Stanley G. Thompson, amikor egy 253 Es célpontot bombáztak . egy alfa részecskesugár. Ez volt az első elem, amelyet egyszerre egy-egy atom szintetizált.
A Nobeliumot 1957-ben jelentette be a stockholmi Nobel Fizikai Intézet, majd később Albert Ghiorso, Torbjorn Sikkeland, JRWalton és Glenn Seaborg (Egyesült Államok) 1958-ban. Alfred Nobel tiszteletére Nobeliumnak nevezték el . Először 1965-ben határozottan azonosította Georgi Fliorov orosz és csapata 256 Nem néven , a 238-as urán neon 22-el történő bombázásával.
A Lawrencium utolsó aktinideket először 2009 - ben figyelték meg1961. februárAlbert Ghiorso, Torbjørn Sikkeland, Almon E. Larsh és Robert M. Latimer (USA), a Lawrence Berkeley National Laboratory meg a University of California, Berkeley , bombázzák a három izotóp cél az kalifornium az ionok a bór 10 és a bór 11-ből 258 Lr előállításához . Nevét Ernest Orlando Lawrence- ről kapta , aki 1929-ben fedezte fel a ciklotron elvét .

Azonosítás mint elemcsalád

A lantanidokhoz hasonlóan az aktinidek hasonló kémiai tulajdonságú elemcsaládot alkotnak.

Bár az 1930-as években már négy aktinid volt ismert, az a tény, hogy a lantanidokhoz hasonló családot alkothatnak, még nem volt megértve. Abban az időben az volt az uralkodó nézet, hogy szabályos szekvenciát alkottak a hetedik periódus elemeiből, amelyekben a tórium , a protaktinium és az urán a hatodik periódusban a hafnium , a tantál és a volfrám volt a megfelelő analógja. Valószínűleg Victor Goldschmidt vezette be az "aktinid" kifejezést 1937-ben.

De a transzuránok szintézise fokozatosan megfordította ezt a nézetet a dolgokról. 1944-ben az a megfigyelés, miszerint a kúrium nem mutat 4 feletti oxidációs fokot (míg állítólagos analógja, a platina elérheti a 7-es oxidációs fokot), Glenn Seaborgot fogalmazta meg „egy aktinidcsalád hipotézisének megfogalmazásával. A már izolált aktinidok vizsgálata és más transzurán elemek felfedezése megerősítette ennek az átmeneti családnak a létezését.

Aktinidtermelés nukleáris reaktorokban

A neutron megragadja

A gyakorlati szempontból érdekes mesterséges aktinidek azok a nehéz magok (izotópok), amelyek a reaktorokban keletkeznek a neutronok egymást követő befogásával az üzemanyag magjai által.

A reaktorban végzett besugárzás során az üzemanyagban jelen lévő aktinid atomok hasadás nélkül képesek megfogni egy neutronot. Különösen ez a helyzet a 238-as urán izotóppal, amely a hőspektrumban nem hasadó ; de az összes jelen lévő aktinid keresztmetszetet mutat be a neutronok befogásával . A transzmutáció sebessége a reaktorban ennek a keresztmetszetnek az értékétől függ. Egy tipikus reaktorban neutronfluxus nagyságrendű 1 × 10 14 n cm -2 s -1 , keresztmetszete nagyságrendű σ = 1 pajta ( azaz 1 × 10 -24 cm 2 ) lesz egy év (azaz 3,156 × 10 7 s ) a következők kimerülése: 1 × 10 14 n cm −2 s −1 × 1 × 10 −24 cm 2 × 3,156 × 10 7 s = 0,316%

Az istálló a 238 U tényleges befogási szakaszának nagyságrendje , azaz 2,68 istálló termikus neutronban: egy év reaktorban az urán majdnem 1% -a (2,68 x 0,316 = 0,846%) plutóniummá alakul át . Ez a számítás, amely a „kimerülést” a befogás valószínűségére asszimilálja, első közelítésként csak akkor helyes, ha ez a valószínűség alacsony; a reakció valódi valószínűsége valójában nem egy lineáris, hanem egy exponenciális törvényt követ, aszimptotikusan telített 100% -on. Tehát 1000 istálló keresztmetszete ugyanazon feltételek mellett vezet az ezerszer nagyobb "kimerülés" kiszámításához, de a valószínűség szempontjából a ténylegesen érintett rész nyilvánvalóan nem abszurd 315,6%, hanem: 1 exponálás (-3,156) = 95,74% A felezési idő egy ilyen izotóp reaktorában az az idő, amely alatt ez a „kimerülés” megegyezik Log (2) = 69,31% -kal. Ez a felezési idő tehát fordítottan arányos a tényleges szakaszsal. Ha a fenti példában a „kimerülés” évente 3 156, az izotóp fele Log (2) / 3 156 év = 0,22 év = 80 nap alatt kerül felhasználásra.

Ezek a befogások, amelyeket leggyakrabban béta nélküli radioaktív bomlás követ , az atomszám (a magban lévő protonok száma) növekedéséhez vezetnek. A kezdeti uránból transzuránok képződnek: először plutónium, majd kisebb aktinidek: főleg neptúnium (237) (egyrészt az urán 235-ból képződött 236 urán megkötésével állítják elő - a hasadások körülbelül 20,3% -a és a fogások 16,8% -a), másrészt az urán 238), az americium (241, 243) és a kúrium (243, 244, 245) reakciójával (n, 2n).

A transzurán elemek izotópjainak felezési ideje gyakran nagyon rövid. A nagyon rövid felezési idejű aktinidok felesleges mennyiségű neutronot tartalmaznak, amelyet gyorsan (napi felezési idővel) bomlanak le radioaktivitással , neutron protonokká történő átalakításával (ami egy egységet atomszám) és egy a magból kilökődött elektron.

Néhány Np, Pu, Am és Cm izotóp viszonylag stabilabb, és az atomreaktorokban tűnő mennyiségben termelődik. A legfontosabbak a plutónium , a neptúnium 237 (önmagában képviseli a képződött kisebb aktinidok közel 50% -át), a 241 és 243 americium, valamint a 244 és 245 kúrium (a tipikus arányokat az alábbiakban adjuk meg). Általában alfa-radioaktivitással rendelkeznek, felezési ideje 244 és 244 kurmiumok esetében néhány tíz évtől a legstabilabb, a neptúnium 237 esetében 2,144 millió évig terjedhet .

Ezek az aktinidek találhatók a nukleáris reaktor melléktermékeiként . Még ha nem is feltétlenül a hasadó termikus neutronok, ezek mind hasadó egy keresztmetszetét 0,5-2 pajta neutronok energia> 2 MeV . Ezért megsemmisíthetők egy gyors neutronreaktorban , vagy végleges hulladéknak tekinthetők, és HAVL nukleáris hulladékként tárolhatók .

Reaktor neutron egyensúlya

A nukleáris reaktorban a nukleáris reakció csak akkor képes önfenntartó módon működni, ha az atom hasadásával keletkező neutronok (általában átlagosan két és fél-három) nem szenvednek túl nagy veszteséget, mielőtt hozzájárulnának egy új hasadáshoz. . A diffúzióval és a reaktor alkotóelemeinek aktiválásával bekövetkező veszteségek mellett a neutronok akkor is elfogynak, ha egy aktinidmag által neutronrögzítés történik . Ennek eredményeként az aktinidok neutronok elnyelésére való képessége első ránézésre neutronméreggé teszi őket : minél több van belőle a reaktor magjában, annál inkább veszélybe kerül a mag reaktivitása . Ha túl sok aktinidot hagyunk az atomreaktor magjában , az végül leállhat.

Második megközelítésként a hasadó aktinidok léte minősíti ezt az egyensúlyt a termékeny radionuklidok tekintetében . Ha például a 238 U atom által elért neutronfogás miatt egy neutron elvész a mag neutronegyensúlyában, azonnali haszon nélkül, végül ezt az atomot hasadó 239 Pu atomokká is átalakítja . Hosszabb távon egy második neutron okozhatja az utóbbinak megrepedését és az utóbbi hasadáshoz kapcsolódó „átlagosan két és fél-három” neutron előállítását. A neutron befogása ebben az esetben tehát a reaktivitás azonnali hiányához vezet, de a teljes neutronmérleg átlagosan kissé pozitív marad: összességében a 238 U atomhoz hozzáadott két neutron "két és felét termel átlagosan három ”új neutron, ami alapvetően nem veszélyezteti a láncreakció lehetőségét .

Másrészt, ha az előállított izotóp nem termékeny izotóp , akkor a neutronmérleg szükségszerűen negatív: legalább egy további neutronfogásra lesz szükség a hasadáshoz; és az általános egyensúly legjobb esetben három neutron lesz egy olyan hasadáshoz, amely csak „átlagosan két és fél-három” új neutronot termel: ennek az izotópnak a jelenléte feltöltötte a szív neutronegyensúlyát.

Az aktinidek terhelése a neutronmérlegen annál rosszabb, minél nagyobb a felszívódó neutronok száma, mielőtt a hasadó izotóp eljutna.

A magasabb aktinidák ( berkélium és Curium ), a egymást követő neutron befogási vezet radioizotópok erősen radioaktív in alfa radioaktivitás , amely bocsát ki hélium atommag , lehetőleg még azelőtt, hogy volt ideje feltörni. Ebben az esetben, a neutron egyenleg még sötétebb: a kibocsátási egy alfa-részecske jelenti, hogy összességében négy neutronok felvételéig (köztük két átalakult protonok) anélkül hasadás és a sejtmagba visszatért a szakaszban, ahol volt. Négy neutron befogja az áramlási irányt: ha egy mag követ egy ilyen ciklust, akkor négy neutron fogy el holtteher veszteségben a nukleáris reakció fenntartása érdekében .

Az aktinideknek a neutronmérlegre gyakorolt hatása különösen mérsékelt reaktoroknál fontos. Gyors neutronreaktorok esetén a képződött aktinidek többé-kevésbé hasadók ; ezért a neutronfluxus gyorsabban elfogyasztja őket , és egy esetleges neutronfelvétel közvetlenül egy másik hasadó atomhoz vezet, mint a termékeny magok esetében.

Tórium-ciklusú aktinidek

Transmutációk a tórium ciklusban

230 Th 4

→

231 Th

←

232 Th 9

→

233 Th

(Fehér színben: t ½ <27 d)

↓

231 Pa 4

→

232 Pa

←

233 Pa

→

234 Pa

(Színes: t ½ > 68 a)

↑

↓

231 U

←

232 U 1

↔

233 U 5

↔

234 U 5

↔

235 U 9

↔

236 U 7

→

237 U

↓

( Hasadási termékek t ½ <90 a vagy t ½ > 200 ka értéknél)

237 Np 6

A tórium-cikluson működő reaktor esetében a kiindulási aktinidet a 232-es tórium képezi, amely termékeny izotóp .

232 Th befog egy neutront (σ = 7.3b) lesz 233 Th. Ez a gyorsan durranógázt (T / 2 = 22,3 perc) egy elektron (és a neutrínó ) a béta-sugárzás , hogy a változás a protaktínium 233 , egy első minor aktinida; és egy második béta-emisszióban (T / 2 = 27 j ) 233 Pa az urán 233 , az üzemanyag.
233 U ennek a ciklusnak a hasadóanyaga (σ = 530b). Az esetek valamivel kevesebb, mint 10% -ában viszont képes elnyelni egy neutront (σ = 47b), hogy termékeny 234 U- t képezzen.
A 234 U viszonylag stabil (T / 2 = 245 500 év) és termékeny izotóp . Egy további befogással (σ = 98b) általában 235 U képződik , amely az uránciklus hasadóanyaga.

A tóriumciklus csak egy tenyészciklus keretében vehető figyelembe , ahol a neutronegyensúly lehetővé teszi a hasadó anyag létrehozását, amely táplálja a ciklust. Ebben a hasadóanyag-előállításban egy kis rész (az esetek 10% -a) elvész erre a ciklusra, de megtalálható az uránciklusban: a neutron vesztesége tehát itt csak 10% -nak számít, mivel a radionuklid sorsa tárgyalt a következő ciklusban.

Urán 232 és sugárvédelem

A tórium esetében a neutronfogások mellett a reakciók (n, 2n) következményeik miatt fontosak. Az ilyen reakciók a befogás fordítottja: a beeső neutron, ha kellően energikus, egyfajta "négyzetet" csinál (mint a pétanque-ban), és egy további neutront kiszorít a magból, súlyát egyetlen atomegységgel csökkentve .

Ez a jelenség a tóriumciklus két pontján fordulhat elő, attól függően, hogy a kiutasítás az első befogás előtt vagy után következik be:

kezdetben egy 232 Th atom egy 6,4 MeV- nál nagyobb neutronon reagálva (n, 2n) átalakulhat 231 Th-vé, amely gyorsan átalakul további 231 Pa további neutronná, 232 Pa-t képezve, amely gyorsan átalakul 232 U -vá;
alternatív megoldásként a tóriummal történő első neutronfogás után a fő ciklus 233 Pa-ja 6,6 MeV- nél nagyobb neutronokon (n, 2n) reagálva 232 Pa-t képezhet , amely szintén 232 U-ban végződik.

Ez a gyengén hasadó és termékeny 232 urán (σ ~ 74b) meglehetősen gyorsan eléri világi egyensúlyát, és nyomon kíséri a ciklus által általában képződött 233 uránt.

Ez izotópos jelölése urán-233 azért fontos, mert a bomlási lánc a 232 U tartalmazza a gamma-sugárzó nagyon energikus, nagyon átható. Másrészt leszármazottainak mind nagyon rövid a felezési ideje, ezért a világi egyensúly ezekkel a gamma-sugárzókkal nagyon gyorsan megvalósul. Végül: a 232 U felezési ideje T / 2 = 68,9 év egyszerre teszi rendkívül radioaktívvá és a történelmi idõskálán is nagyon perzisztenssé (radioaktivitása csak ezredszeresére csökken, csak hét évszázad után).

Ez a sugárzás jelentős radiológiai védelmet jelent az ebben a ciklusban keletkező urán minden műveletében, még akkor is, ha a hasadási termékektől és más aktinidoktól elkülönítették, ami technikailag bonyolultabbá és gazdaságilag drágábbá teszi ezeket a műveleteket. Ez a hátrány éppen ellenkezőleg előnyös a proliferáció elleni küzdelem szempontjából, mivel az ezen urán által termelt gammasugárzást nagyon könnyű felismerni, ami lehetetlenné teszi az anyag elrejtését a hivatalos ellenőrzések elől.

Uránciklusú aktinidek

Az uránciklus az urán 235 hasadásán alapul .

A 235 U hasadó anyag , de körülbelül minden hatodik esetben felvesz egy neutronot anélkül, hogy széthasadna, így 236 U- t képez , stabil (T / 2 = 23,42 Ma).
A besugárzás során maradt 236 U végül 237 U-t képez , amely gyorsan (T / 2 = 6,75 d) átalakul 237 stabil, neptúniummá (2,144 Ma).
A 237 Np megragad egy neutronot (σ = 176), így 238 Np képződik , amely gyorsan átalakul (T / 2 = 2,1 d) 235 plutóniummá , amely erősen radioaktív (T / 2 = 87,75 év).
A 238 Pu gyengén hasadó, és ha a besugárzást folytatják, az esetek több mint 90% -ában plutóniummá alakul át 239, ahol csatlakozik a plutónium-ciklushoz.

Ahhoz, hogy teljes legyen az uránciklus, meg kell jegyezni, hogy a 238-as urán, a plutónium-ciklus alapja, reakcióval (n, 2n) egy neutron is veszíthet. Ezután 237 U-val, majd 237 Np-vel változik .

A neptunium a ciklus fontos aktinidje. A 237 Np kémiailag elválasztható a kiégett fűtőelemektől, majd besugárzási célpontokban ismét besugározva 238-as plutónium keletkezik , amelyből ismét kémiailag elválasztják. Ezt a 238 Pu-t tehát úgy lehet megszerezni, hogy nem keveredik a kiindulási üzemanyagban jelen lévő 238 U besugárzásából származó 239 Pu-val . Főleg termoelektromos radioizotóp-generátor gyártására használják .

Plutónium-ciklusú aktinidek

A plutónium-cikluson működő reaktor esetében a kiindulási aktinidot a 238 urán képezi, amely termékeny izotóp .

A 238 U néha elkap egy neutronot , így 239 U képződik , amely gyorsan ( T ½ = 24 perc ) 239 neptúniummá , majd ( T ½ = 2,3 nap) átalakul 239 plutóniummá , amely ebben a ciklusban a fő hasadóanyag. Ez lényegében a befogási integrálja, amely hozzájárul ehhez a felszívódás ( σ = 275,6 b át 300 K ), a rögzítés termikus neutronok, hogy viszonylag elhanyagolható ( σ = 2,69 b ). Ahogy a rezonanciaintegrál a hőmérséklet hatására növekszik, ez a jelenség negatív visszacsatolást vezet be, amely stabilizálja az atomreaktorok működését.
A 239 Pu meglehetősen stabil ( T ½ = 24 110 év) és hasadó ( σ = 790 b ) anyag, de háromszor ( σ = 271 b ) háromszor ( σ = 271 b ) megragadja a beeső neutront, így 240 Pu- t alkot .
A reaktorban stabil 240 Pu ( T ½ = 6563 év) termékeny ( σ = 297,2 b ): besugárzás hatására meg tud ragadni egy neutront, így hasadó 241 Pu képződik .
A 241 Pu erősen radioaktív ( T ½ = 14,35 év) és hasadó ( σ = 1,060 kb ) anyag. Besugárzás hatására mégis meg tudja ragadni a neutronokat négyszer ( σ = 373,7 b ) és átalakulni 242 Pu- vá .
242 Pu stabil ( T ½ = 373 000 év). Néha egy neutron befogásával ( σ = 20,09 b ) 243 Pu- vá alakul át , nagyon instabil, amely gyorsan átalakul ( T ½ = 5 h ) americium 243- vá .

Az e ciklus során képződött, kémiailag extrahálható plutónium olyan izotóp keverék, amely kezdetben főleg 239 Pu-t és annál nehezebb izotópokat (240, 241 és 242) tartalmaz, mivel a besugárzás hosszú ideig elhúzódott.

A plutónium fő jellemzője a természetes uránnal ellentétben, hogy természetes módon hasadó izotópokban dúsul: az "egyszerű" kémiai elválasztás elegendő a hasadó anyag előállításához , anélkül, hogy szükség lenne izotóp elválasztásra . Ez teszi a fő nyersanyagként a tenyésztői ciklus üzemanyagának előállításához, amely versenyképes a nagyon dúsított uránnal a negyedik generációs reaktorprojektek során . Az is, hogy ezt a hasadóanyagot viszonylag könnyebben lehet beszerezni, mint a nagymértékben dúsított uránt, ezért az első nukleáris robbanást plutóniummal hajtották végre, és hogy a nukleáris proliferáció leggyakrabban katonai célú eltereléssel jár. A polgári hírű nukleáris reaktorokban előállított plutónium, de kívül a NAÜ ellenőrzése alatt .

A reaktorban képződött plutóniumsorozat a 242 Pu- nál gyakorlatilag leáll a 243 Pu nagyon erős instabilitása miatt , amely a reaktorok viszonylag korlátozott neutronáramában statisztikailag jóval korábban lebomlik ( T ½ = 5 óra ) egy további neutron ( a reaktorban néhány évtized nagyságrendű T ½ ), amely 244 Pu-t képezett volna . Paradox módon a 244-es plutónium , az egyetlen olyan izotóp, amely elég stabil ahhoz, hogy nyomokban jelen legyen a természetben, gyakorlatilag hiányzik a reaktorban képződött plutóniumból. Természetes képződés miatt a nagyon magas neutronáramok felmerült a folyamat a robbanás a szupernóva ; és az atomrobbanás során keletkezett izotópokban is megtaláljuk annak nyomait .

Americium és sugárvédelem

A lényegében 239 Pu termelésére tervezett , ezért katonai felhasználásra szánt nagyon rövid besugárzásokon kívül a képződött plutónium mindig a 241 Pu jelentős részét fogja tartalmazni . Kialakulását a plutónium ezután kíséri alacsony termelése americium , ami végső soron teszi nagyon erősen besugárzása miatt 241 Am izotóp . Várakozás elég hosszú, a béta radioaktivitás a 241 Pu fogja átalakítani egy részét. A americium 241 ( T ½ = 14,35 év), bomlási láncának első szakasza . Az esetek 85% -ában az α bomlás 5,485 MeV részecske kibocsátásával történik 237 Np gerjesztett állapot felé , amely aztán 59,54 KeV gammasugarat enged vissza, hogy visszatérjen az alapértékéhez. Bár a 241-es americium bomlásának energiaspektruma sokféle lehetséges átmenettel komplex, összesen több mint 200 vonal alfa-, gamma- és X-kibocsátást generál.

241 Am nagyon gyengén hasadó ( σ = 3,122 b ); egy reaktorban, ez mindenekelőtt egy reaktorméreg , amely hajlamos arra, hogy rögzítse egy neutron ( σ = 691,4 b ) képezve 242 Am 90% és az izomer 242m Am 10%. Noha túlnyomórészt képződik, a 242 Am nagyon erősen radioaktív ( T ½ = 16 óra ), és gyorsan 242 Cm-t (83% -ban) vagy 242 Pu-t képez .
A reaktorban 242m Am besugárzás alatt álló izotóp gyorsan eltűnik. Könnyen hasadó ( σ = 7,028 kb ), de hatszor vagy hétszer további neutronokat fog el, így 243 Am ( σ = 1,258 kb ) alakul ki .
A 243 Am tehát 242m Am vagy 242 Pu által végzett neutronfogásból származik . Ez az americium izotópjai közül a legstabilabb, felezési ideje 7370 év. Ez egy kisebb neutronméreg is, amely egy neutronból 244 Am- et képez ( σ = 80,83 b ), amely nagyon gyorsan lebomlik ( T ½ = 10,1 óra ), és 244 Cm- t képez .

A kémiailag elválasztható americium izotópos összetétele tehát igen változó lehet. Az americium előállításának belépési pontja tehát 241 Pu, amely a reaktorban történő hosszan tartó besugárzásból származik. Ebből az izotópból az idő 241 Am-et produkál attól a pillanattól kezdve, amikor a képződött 241 Pu életkora felezési idejének jelentős hányada ( T ½ = 14,35 év); a 241 Pu tartós besugárzása esetén 242 Pu, majd 243 Am; és a 241 Pu idős tartós besugárzása jelentős 242m Am frakciót eredményez .

Ami a plutóniumot illeti, a 241 Am folyamatos előállítása jelentősen megnehezíti használatát az általa alkalmazott sugárvédelmi intézkedésekkel , annál is inkább szükségesek, mivel a plutónium idősebb: radioaktivitása az idő múlásával erősen növekszik , körülbelül ötvenen belül éri el világi egyensúlyát . évek. Kémiai úton kiküszöbölhető az amerícium, így átmenetileg kevéssé besugárzik, és ez a "friss" plutónium sokkal alacsonyabb sugárvédelmi korlátokkal alkalmazható . De a 241 Pu-ból már átalakított 241 Am-nek csak a töredéke szüntethető meg ilyen módon, a fennmaradó rész továbbra is tartósan a 241 Am- et termeli . Ez a gyengén besugárzó állapot tehát nem tart addig, amíg a 241 Pu frakció jelentős marad a keverékben. A felezési ideje 14,35 év, ezért néhány évszázadot kell várni az americium elválasztására, hogy gyengén besugárzó és hosszú távon fennmaradó plutóniumot nyerjünk.

Későbbi kisebb aktinidok

A kúriumsorozatba való belépés két ponton keresztül történhet:

az americium 241 képes befogni egy neutronot, hogy átalakuljon 242 Am-ra, majd gyorsan (T / 2 = 16h) az előző ciklus 242-es vagy 242 Pu- jává ;
az americium 243 képes egy neutron befogására, hogy 244 Am- ra átalakuljon , majd gyorsan (T / 2 = 10h) 244-es kúriummá alakuljon.

Amint eléri a kúriumot , az egymást követő neutronbefogások 242 Cm-ről 249 Cm- re növelik a mag tömegét .

Ebben a sorozatban az első elemek (242–244) erősen radioaktívak, és az alfa-radioaktivitás révén az atommagokat plutóniummá alakítják .
Ebben a sorozatban a 243 Cm, 245 Cm és 246 Cm elemek hasadók.

245 Cm- től a felezési idő meghaladja az ezer évet, és a besugárzás fő útja akár hasadás, akár a neutronok felhalmozódása 248 Cm-ig.

248 Cm képes befogni egy neutront és átalakulni 249 Cm-re, amely gyorsan átalakul 249 berkéliummá .
249 Bk bomolhat 249 Cf-re, vagy megfoghat egy másik neutront, hogy átalakuljon 250 Bk- vá, amely gyorsan lebomlik 250 Cf- be .

A kaliforniai radionuklidok nagyon erősen radioaktívak. Vagy továbbra is felhalmozhatják a neutronokat, 249 Cf-ról 252 Cf-re lépve, vagy alfa-bomláson mennek keresztül, amely miatt visszaesnek a kúrium- sorozatba .

A gyakorlatban a neutronok felhalmozódása felülmúlja a nagyon instabil 253 kaliforniumot , amely gyorsan alfa-bomláson megy keresztül, majd béta következtében az izotóp ugyanabban a ciklusban esik vissza: 253 Cf ⇒ 249 Cm ⇒ 249 Bk. Ezután a ciklus újból megkezdődhet négy további neutronabszorpció érdekében, minden alkalommal héliummagot termelve.

Megszüntetési probléma

Tanulmányokat és kísérleteket végeztek a transzmutáció lehetőségeinek értékelésére ezen elemek reaktorában oly módon, hogy az elősegítse a hasadást a neutronok megfogása felett. Ha a neutronfelvétel túl magas, a fent leírt magasabb ciklusokba esünk.

A neutronmérleg mindig fontos kérdés, ezért a kisebb aktinidok kiküszöbölésének helyes módja az, ha a lehető leggyorsabban feltörjük őket, és ehhez gyors neutronreaktort vagy akár egy gyorsító által vezérelt atomreaktort használunk .

Aktinidek és nukleáris hulladék

Tábornok

A nyomás alatt álló vízreaktorok által újrafeldolgozott tüzelőanyagban képződött kisebb aktinidek össztömege (átlagos égési sebesség 33 000–45 000 MWd / tMLi ) az égési sebesség és az alkalmazott tüzelőanyag típusa (dúsított természetes urán vagy MOX vagy URE) függvényében változik 2,7 között és a képződött hasadási termékek tömegének 3,2% -a. Láthatjuk tehát, hogy a kisebb aktinidok ártalmatlanítása által okozott nehéz atomok „vesztesége” nem haladja meg a teljes uránkészlet 3,5% -át.

A kisebb aktinidek tipikus tömegösszetétele az újrafeldolgozott tüzelőanyagban (33 000–45 000 MWd / tMLi ) öt évvel a reaktor kirakása után. Az ezer évnél rövidebb időtartamú testek esetében a táblázat bemutatja az első nagyon hosszú (ezer évnél hosszabb) élettartamú izotópot, amely a stabil helyzet felé vezető csökkenésben (az esetek többségében vezet).

Test	Időszak	% min	% max	1 st le a hosszú élet	Leszármazási időszak	Megfigyelés
Cm 242	162,19 d	0,01	0,03	U 234	245,5 ka	keresztül 238 Pu
Nagyon rövid az élet	<1 a	0,01	0,03
Cm 244	18.1 a	2.50	4.00	Pu 240	6,56 ka
Cm 243	29,1 a	0,03	0,05	Pu 239	24,1 ka
Teljes átlagos élet	1 a << 31 a	2.53	4.05
Np 237	2.144 My	45.00	55.00
241. módosítás	432,2 a	30.00	33.00	Np 237	2.144 My
243. módosítás	7,37 ka	12.00	14.00
Cm 245	8,5 ka	0,15	0,20
Am 242m	141 a	0,08	0.12	U 234	245,5 ka
Cm 246	4,73 ka	0,02	0,04
Teljes hosszú élet	> 31 a	87.25	100,0
teljes összeg	nem alkalmazható	100,0	100,0			Az FP 2,7–3,2% -a

Mindezek az elemek, különösen a rövid és közepes élettartamúak, jelentősen hozzájárulnak a kiégett fűtőelemek és hulladékok termikus kibocsátásához. Mindannyian alfa-kibocsátók, vagy olyan leszármazottaik vannak, amelyek alfák, és ezért héliumot termelnek.

Kisebb aktinidekkel (AMin) kapcsolatos kockázatok és veszélyek

Az újrafeldolgozó üzemben az AMin oxidok kémiai állapotában a hasadási termékekkel (PF) keverve található. Pohárba építve a C típusú hulladék (HAVL) részét képezik. Általában azok a radioaktív hulladékok képviselik, amelyek a legfőbb problémákat jelentik, különösen a radioaktív hulladék mély geológiai rétegben történő tárolásának szintjén az alábbiakhoz: okok:

alfa-kibocsátóként magas kémiai és radiológiai toxicitást mutatnak, ha az elem bejut az élelmiszerláncba (belélegezve, befecskendezve vagy lenyelve);
erős hőt adnak ki; az aktinidok alfa-kibocsátása mind 4,5-5,5 MeV nagyságrendű nagy energián van ;
héliumot bocsátanak ki, amely gyaníthatóan ronthatja a hulladék csomagolásához használt üveg kohézióját.

Másrészt megállapítást nyert, hogy csak nagyon alacsony a mobilitásuk a talajban és a környezetben, ahol szétszóródnának.

Összefoglaló táblázat


Aktinidek bomlási lánc által				Periódus a	Hasadási termékek a termelés bősége szerint
4 n	4 n +1	4 n +2	4 n +3		Hasadási termékek a termelés bősége szerint
4 n	4 n +1	4 n +2	4 n +3			2,25-3,5%	0,015-0,7%	<0,0065%
228 Ra № 0				4–6	†		155 Eu þ 0
244 cm 1	241 Pu ƒ 1	250 Vö. 1	227 Ac № 1	10–29		90 Sr 1	85 Kr 1	113m Cd þ 1
232 U ƒ 1		238 Pu 1	243 Cm ƒ 1	29–97		137 Cs 1	151 Sm þ 1	121m Sn 1
	249 Vö. Ƒ 2	242m Am ƒ 2		141–351	Nem hasadási termék egy felezési között 100 és 100.000 évvel
	241 2. módosítás		251 Vö. Ƒ 2	430–900
		226 Ra № 3	247 Bk 3	1,3k - 1,6k
240 Pu 3	229 Th 3	246 cm 3	243 3. módosítás	4.7k - 7.4k
	245 Cm ƒ 3	250 Cm 3		8,3k - 8,5k
			239 Pu ƒ 4	24.11k
		230 Th № 4	231 Pa № 4	32k - 76k
236 Np ƒ 5	233 U ƒ 5	234 U № 5		100k - 250k	‡	99 Tc ₡ 5	126 Sn 5
248 cm 5		242 Pu 5		280k - 375k			79 Se ₡ 5
				1,53M		93 Zr 6
	237 Np 6			2,1–6,5 M		135 Cs ₡ 6	107 Pd 6
236 U 7			247 Cm ƒ 7	15–24			129 ₡ 7
244 Pu № 7				80M	15,7 Ma felett nincs atom
232 Th № 9		238 U № 9	235 U ƒ№ 9	0,703G - 14G	15,7 Ma felett nincs atom
Jelmagyarázat cross Fogja meg a keresztmetszetet a 8–50 istálló tartományban ƒ Metasztálható hasadó № Természetes izotóp þ Neutronméreg (a befogási keresztmetszet meghaladja a 3000 istállót) † 4 a - 97 a tartomány: közepes életkorú hasadási termék : hosszú életű hasadási termék a = Julián év = 365,25 nap pontosan

Megjegyzések és hivatkozások

(in) RA Fields, MH Studier, H. Diamond, JF Mech, MG Inghram GL Pyle, CM Stevens, S. Fried, WM Manning, A. Ghiorso, SG Thompson, Higgins GH és GT Seaborg, " transzplutónium elemek a termonukleárisban" Teszt törmelék ” , Physical Review , vol. 102, n o 1, 1956. április, P. 180-182 ( DOI 10,1103 / PhysRev.102.180 , Bibcode 1956PhRv..102..180F , olvasható online )
kisebb aktinidek 2,7–3,2 tömeg% közötti hasadási termékeket tartalmaznak
(a) CRC Handbook of Chemistry and Physics , 1. szakasz: Basic Konstansok, egységek, és konverziós tényezők , alszakasz: Electron konfigurációja semleges atomok az alapállapotú , 84 th ed. , online, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2003.
(in) " Radioaktív elemek " a Tiszta és Alkalmazott Kémia Nemzetközi Szakszervezetén (IUPAC) - Bizottság az izotóp bőséggel és az atomtömeggel (CIAAW) ,2012(megtekintve 2017. február 16-án ) .
(a) Elena S. Craft, Aquel W. Abu-QARE Meghan Flaherty, Melissa C. Garofalo, Heather L. Rincavage és Mohamed B. Abou-Donia, " szegényített urán és a természetes: Chemistry and Toxikológiai hatások " , Journal of Toxicology és Környezetegészségügy, B rész , vol. 7, n o 4, 2004. július-augusztus, P. 297-317 ( PMID 15205046 , DOI 10.1080 / 10937400490452714 , online olvasás )
(in) Rita Hindin, Doug Brugge és Bindu Panikkar, " A szegényített urán-aeroszolok teratogenitása: áttekintés epidemiológiai szempontból " , Environmental Health , vol. 4, 2005. augusztus 26, P. 17 ( PMID 16124873 , PMCID 1242351 , DOI 10.1186 / 1476-069X-4-17 , online olvasás )
(in) Darryl P. Arfsten, Kenneth R. Still és Glenn D. Ritchie, " Az urán és a szegényített uránnak való kitettség hatásainak áttekintése a szaporodás és a magzati fejlődés " , Toxikológia és ipari egészség , vol. 17, n csont 5-10 2001. június, P. 180-191 ( PMID 12539863 , DOI 10,1191 / 0748233701th111oa , olvasható online )
(in) JL Domingo, JL Paternain, JM és J. Llobet Corbella, " Az urán fejlődési toxicitása egerekben " , Toxicology , Vol. 55, nos . 1-2, 1989. április, P. 143-152 ( PMID 2711400 , DOI 10.1016 / 0300-483X (89) 90181-9 , online olvasás )
(in) Jay H. Lehr és Janet K. Lehr (2000), Standard Handbook of Environmental Science, Health and Technology , McGraw-Hill Professional, p. 2–38 ( ISBN 0-07-038309-X ) .
(in) " World Uranium Mining Production " (hozzáférés: 2017. február 8. ) .
Fermi, E., „ A 92-nél magasabb atomszámú elemek lehetséges előállítása ”, Nature , vol. 133, n o 3372,1934, P. 898–899 ( DOI 10.1038 / 133898a0 , Bibcode 1934Natur.133..898F )
Jagdish Mehra és Helmut Rechenberg, A kvantumelmélet történeti fejlődése , Springer,2001( ISBN 978-0-387-95086-0 , online olvasás ) , p. 966–.
Nobeliumot és a Lawrenciumot szinte egyszerre fedezték fel amerikai és szovjet kutatók.
Martin Heinrich Klaproth , " Chemische Untersuchung des Uranits, einer neuentdeckten metallischen Substanz ", Chemische Annalen , vol. 2,1789, P. 387–403 ( online olvasás )
E.-M. Péligot " urán Research " Annals of Chemistry and Physics , vol. 5, N o 5,1842, P. 5–47 ( online olvasás )
Ingmar Grenthe, The Chemistry of az Aktinidák és Transactinide Elements ,2006( DOI 10.1007 / 1-4020-3598-5_5 ) , "Urán".
Zimmerman, Ann., 213, 290 (1882); 216, 1 (1883); Ber. 15 (1882) 849
Berzelius, JJ, „ Untersuchung eines neues Minerals und einer darin erhalten zuvor unbekannten Erde (Új ásványi anyag és egy benne korábban ismeretlen föld vizsgálata) ”, Annalen der Physik und Chemie , vol. 16, n o 7,1829, P. 385–415 ( DOI 10.1002 / andp.18290920702 , Bibcode 1829AnP .... 92..385B , online olvasás )(modern idézet: Annalen der Physik , 92. évf., 7. szám, 385–415. o.)
Berzelius, JJ, „ Undersökning af ett nytt mineral (Thorit), som innehåller en förut obekant jord (Új ásvány (torit) vizsgálata, mint egy korábban ismeretlen földben található meg] , Kungliga Svenska Vetenskaps Akademiens Handlingar (A Svéd Királyi Tudományos Akadémia) ,1829, P. 1–30
André-Louis Debierne, " Új radioaktív anyagról ", Proceedings , vol. 129,1899, P. 593–595 ( online olvasás )
André-Louis Debierne, „ Új radioaktív anyagról - aktinium ”, Proceedings , vol. 130, 1900–1901, p. 906–908 ( online olvasás )
HW Kirby, " Az aktinium felfedezése ", Isis , vol. 62, n o 3,1971, P. 290–308 ( DOI 10.1086 / 350760 , JSTOR 229943 )
JP Adloff, „ Egy ellentmondásos felfedezés századik évfordulója: aktinium ”, Radiochim. Acta , Vol. 88, nos . 3-4_2000,2000, P. 123-128 ( DOI 10,1524 / ract.2000.88.3-4.123 )
John Emsley, a Nature's Building Blocks: AZ Guide to the Elements , Oxford, Anglia, Egyesült Királyság, Oxford University Press,2003. augusztus 11( ISBN 0-19-850340-7 , online olvasás ) , „Protactinium”, p. 347-349.
Plutónium előállítás , Amerikai Tudósok Szövetsége .
Reino W. Hakala , „ Levelek ”, Journal of Chemical Education , vol. 29, n o 11,1952, P. 581 ( DOI 10.1021 / ed029p581.2 , Bibcode 1952JChEd..29..581H )
George B. Kauffman , " Victor Moritz Goldschmidt (1888–1947): Tisztelgés a modern geokémia alapítójának halálának ötvenedik évfordulóján ", The Chemical Educator , vol. 2, N o 5,1997, P. 1–26 ( DOI 10.1007 / s00897970143a )
233 U keresztmetszete , a wwwndc.jaea.go.jp oldalon .
92-U-238 keresztmetszetű táblázat
A Pu 239 keresztmetszete
94-Pu-240 keresztmetszetű táblázat
94-Pu-241 keresztmetszetű táblázat
94-Pu-242 keresztmetszetű táblázat
Nuclide - Laraweb Emission Library: Az americium 241 kibocsátási listája
95-Am-241 keresztmetszetű táblázat
(hu-USA) A. Sasahara et al. , „ Az LWR magas leégésű UO 2 és a kiégett MOX üzemanyagok neutron- és gammasugárforrás-kiértékelése ” , Journal of Nuclear Science and Technology , vol. 41, n o 4,2004, P. 448–456 ( DOI 10.3327 / jnst.41.448 , online olvasás ) cikk / 200410 / 000020041004A0333355.php Kivonat
95-Am-241m keresztmetszetű táblázat
95-Am-243 keresztmetszetű táblázat
tMLi: a Heavy Metal kezdeti tonnája.
Lásd a Bomlási lánc című cikket .
Lásd a radioaktív hulladékokat és a radioaktív hulladékokat, amelyeket a nukleáris eredetű villamos energia előállítása jelent Franciaországban .
http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/Verres_R7T7.htm
http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/RadiotoxiciteCU.htm

( Fr ) Ez a cikk részben vagy egészben venni a Wikipedia cikket angolul című „ Aktinidák ” ( lásd a szerzők listáját ) .

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Bibliográfia

Külső linkek

" IUPAC " (hozzáférés : 2016. május 21. ) : Hivatalos periódusos táblázat2016. május 21 ; periódusos rendszer linkjei oldal

10.

11.

12.

13.

16.

17.

18.

Hé

Lenni

NEM

Született

N / A

Igen

Azt

Kr. |

Vagy

Ász

Ban ben

Ön

én

Délután

Volt

Tuberkulózis

Olvas

A te

Újra

Csont

Vö

Nem

Vminek

119

120

121

122

123.

124

125

126.

127.

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

Alkáli fémek	Lúgos föld	Lanthanides	Átmeneti fémek	Szegény fémek	fém- loids	nem fémek	glória gének	nemes gázok	Besorolatlan tételek
		Aktinidák
		Szuperaktinidek