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放射化学Ｉ 第一回

放射化学Ｉ 第一回. 担当教官　宇都宮. ２　原子核と放射能. 元素の宇宙存在度 太陽、恒星からの光スペクトル観測、隕石の化学分析. Ivuna, Mbeya, Tanzania 1938 年落下、 価格（１グラム）：￥ 110000 引用 www.istone.org. 元素の太陽系存在度. ２．１　原子核. ２．１．１　原子核と同位体 元素　 103 番目の Lr 　ローレンシウムまでが短寿命ではない元素 原子核 安定なもの　～ 300 不安定で放射線をだして変化するもの　～ 1000 ～ 1300 種類の原子核は、陽子と中性子からなる。.

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放射化学Ｉ 第一回

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  1. 放射化学Ｉ第一回 担当教官　宇都宮

  2. ２　原子核と放射能 • 元素の宇宙存在度 • 太陽、恒星からの光スペクトル観測、隕石の化学分析 Ivuna, Mbeya, Tanzania 1938年落下、 価格（１グラム）：￥110000 引用 www.istone.org 元素の太陽系存在度

  3. ２．１　原子核 ２．１．１　原子核と同位体 • 元素　103番目の Lr　ローレンシウムまでが短寿命ではない元素 • 原子核 • 安定なもの　～300 • 不安定で放射線をだして変化するもの　～1000 • ～1300種類の原子核は、陽子と中性子からなる。

  4. 原子番号　Z 陽子の数 • 原子核の持つ電気量はZe • N 中性子の数 • 質量数　A 核子の総数　＝Z+N • Zが同じ核種の集合を元素 • 同一種類の元素の原子のみからなる物質　単体 • Zが同じでAの異なる核種　同位体

  5. 左上にA（質量数） • 左下にZ（原子番号） • 同位体には安定同位体と放射性同位体がある 水素に限り同位体に固有名がある 1H protium 2H deuterium 3H tritium

  6. ２．１．２　質量と原子量 • 原子量　天然に存在する安定同位体の質量を、存在比について荷重平均した平均質量 • 原子質量単位 • 12Cの１原子の質量の１／１２

  7. ２．１．３　質量欠損と結合エネルギー • 質量は端数をもっている。 • 陽子の質量をmp、中性子の質量を mn、電子の質量をme、　質量数Aの原子核をもつ原子の質量 m0 • 実際の分析値　mは m0よりも少し小さい。 • 質量欠損 • Einstein (1905) • 例　Heの質量欠損　

  8. 1MeV= 1.602 x 10-12 Jなので、ΔEは28.3 MeV。　つまり、He原子ができるとき、このエネルギーを外部に放出する。　原子核の結合エネルギーに相当する。 鉄、ニッケルが安定

  9. ２．２　放射能 • ２．２．１　放射能の発見 • Becquerel (1896)　ウラン化合物による写真乾板の感光 • Curie (1898)　放射線の強さ　ウラン量に比例。化学状態、温度に影響されない。 • Maria Skłodowska-Curie • Born November 7, 1867, Warsaw, Congress Poland • Died July 4, 1934 (aged 66) Sancellemoz, FrancePolish, French Fields Physics, Chemistry Institutions University of Paris Alma mater University of ParisESPCI • Doctoral advisor Henri Becquerel • Nobel Prize in Physics (1903)Davy Medal (1903)Matteucci Medal (1904)Nobel Prize in Chemistry (1911)

  10. ２．２．２　原子核崩壊の形式 • α崩壊　・・・　α線（ヘリウム粒子）の放出。 • β崩壊　・・・　二種類 • 核内で中性子1個が陽子に転換するとともに外部に電子（β-線）中性微子（ニュートリノ、ν）を放出。　β-崩壊。原子番号一つ多いが、質量数は変化しない。 • 核内で陽子1個が中性子に転換し、外部に陽電子とニュートリノを放出する。　β+崩壊。原子番号が一つへり、質量数が等しい娘核種になる。

  11. 軌道電子捕獲　・・・原子核が核外の近くの軌道から電子一個を取り込み、その軌道の空位に外部軌道の電子が落ち込むことによって、特性Ｘ線を放出する。新しい核種は原子番号が１減り、質量数は変化なし。軌道電子捕獲　・・・原子核が核外の近くの軌道から電子一個を取り込み、その軌道の空位に外部軌道の電子が落ち込むことによって、特性Ｘ線を放出する。新しい核種は原子番号が１減り、質量数は変化なし。 • 中性子崩壊　・・・　核分裂生成物の核種のなかには、1分以内の半減期で遅延中性子を放出するものがある。娘核種は原子番号が変わらないが、質量数が１少なくなる。 • 核異性体転移　・・・　準安定な励起状態の核種がγ線のみを放出して安定な核種に移る。原子番号、質量数の変化なし。 γ線は電磁波、Ｘ線より短い波長。透過力大きい

  12. ２．２．３　放射能崩壊速度 • 放射性元素の崩壊定数は存在する原子数Ｎに比例する。 • 岩石の年代測定に利用される λ崩壊定数 半減期

  13. 2.2.4　放射能の単位 • ベクレル (Becquerel, Bq)　・・・一秒間に一個の原子核が崩壊するときの放射能 • 例　１ｇのラジウム226（半減期1600年） • １ｇのラジウムの放射能　－＞　1キュリー Ciとよぶ。

  14. レントゲン　・・・Ｘ線、γ線の照射線量の単位。標準状態の空気1ｍＬあたりに１静電単位の正負のイオン対をつくるのに必要な線量。レントゲン　・・・Ｘ線、γ線の照射線量の単位。標準状態の空気1ｍＬあたりに１静電単位の正負のイオン対をつくるのに必要な線量。 • グレイ　・・・　吸収線量の単位。１ｋｇあたり１Ｊのエネルギーが与えられるときの吸収線量を１Ｇｙとよぶ。 • シーベルト　・・・　Ｓｖ　生物への効果を考慮した吸収線量の単位。

  15. 国際放射線防護委員会の勧告による放射線荷重係数国際放射線防護委員会の勧告による放射線荷重係数

  16. ２．３　核反応 • 天然放射性核種 • ウラン、アクチナイド。長い半減期。太陽系生成時から残存する。一次天然放射性核種。 • 放射性の娘核種　二次天然放射性核種 • 宇宙線による核反応によって生成した14C, 3H。誘導天然放射性核種。 • 人工放射性核種 • Rutherford (1919)α線を14Nにあてて17O生成 • Curie (1934)　人工的に放射線核種をはじめてつくった。

  17. 核分裂　・・・重い原子核が同程度の重さの2個、またはそれ以上の原子核（核分裂生成物、核分裂破片）に分裂する現象。中性子過剰。β-崩壊して安定原子核に移る。核分裂　・・・重い原子核が同程度の重さの2個、またはそれ以上の原子核（核分裂生成物、核分裂破片）に分裂する現象。中性子過剰。β-崩壊して安定原子核に移る。 • 235Uの連鎖的核分裂反応 • 原子炉 • 原子爆弾 • 235Ｕに中性子を当てると2つに分裂する。（～80通り） • 30Zn ～ 65Tb、約200種類の放射性同位体

  18. 235U • 天然ウランに0.72%、 • 原子炉で使用するウラン燃料に3%～5%、 • 原子爆弾に使用する高濃縮ウランには90%以上 長崎に投下された原子爆弾のキノコ雲 1945年8月9日 ガンバレル型 インプロージョン型

  19. 核融合 • 原子を高温（106-107 K）にして、電子を放出する。原子核は大きなエネルギーを得る。＝＞衝突して新しい核を生成。 • 水素爆弾・・・重水素リチウムに核分裂爆弾で 点火して発生する連鎖反応で高温をうる。

  20. 1952年11月1日、エニウェトク環礁で人類初の水爆実験、アイビー作戦 (Operation Ivy) が実施された。

  21. 1954年3月1日、第五福竜丸はマーシャル諸島近海において操業中に、ビキニ環礁で行われた水爆実験（キャッスル作戦・ブラボー（BRAVO）、1954年3月1日実施）に遭遇1954年3月1日、第五福竜丸はマーシャル諸島近海において操業中に、ビキニ環礁で行われた水爆実験（キャッスル作戦・ブラボー（BRAVO）、1954年3月1日実施）に遭遇

  22. ２．４　原子力エネルギー • 核反応の平和利用 • 100万ＫＷｔ　稼働率70％　1年間　低濃縮ウラン30ｔ　＝　石油約150万ｔ、石炭約200万ｔとequivalentである。 ２．４．１　核燃料 • ウラン資源・・・天然のウラン238U99.275%、235U0.72%、234U0.005%　資源は限られる。＝＞再処理。プルトニウムの回収。 • 濃縮ウラン・・・人工的にウラン中の235U濃度を高める20％以上高濃縮ウラン、以下を低濃縮ウランとよぶ。 • 濃縮過程で生じる235Uの少ないウラン・・・劣化ウラン • 濃縮方法・・・遠心分離法（日本、アメリカ、ヨーロッパ）、気体拡散法（アメリカ、フランス、ロシア）、レーザー法 • 再処理・・・使用済み核燃料の再処理。ウラン、プルトニウムの回収。廃棄物の管理。 • モックス燃料・・・ウランとプルトニウムの混合酸化物。再処理で得られたＰｕと劣化ウラン、天然ウランと混合。プルトニウムは熱中性子で燃焼する＝＞プルサーマル

  23. Oklo Natural Fission Reactor

  24. ２．４．２　原子炉 • 1942年、アメリカ、シカゴ大学、原子炉を開発。 • 燃料棒、減速材（精製水、重水、黒鉛）、制御棒（F, Hf, Gd、中性子を吸収する） • 中性子の生成と消滅が均衡・・・臨界状態 • 臨界を維持するのに必要な燃料の量・・・臨界量 • 軽水炉 • 加圧水型原子炉 • 沸騰水型原子炉 軽水が沸騰しないように加圧。 原子炉内の圧力　180 kg/cm2 温度　350 oC

  25. Growth of plutonium worldwide (in metric tons) • Spent Nuclear Fuel • >95 wt% Uranium • ~1 wt% of Plutonium • Fission products chemical speciation in SNF (Kleykamp, 1985) • fission gases and volatiles • fission products as metal, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te • fission products as oxides, Rb, Cs, Ba, Zr, Nb, Mo, Te, • fission products dissolved as oxides in the fuel matrix. Sr, Zr, Nb, REE.

  26. Location of Nuclear Wastes in United States

  27. From Greenpeace web site

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