崩壊連鎖について詳しく解説

導入

崩壊連鎖、放射性連鎖、カスケード崩壊、さらには放射性フィリエーション は、不安定な放射性同位体の自発的変換によって現れる一連の崩壊を指し、原子核が安定している化学元素に到達することを可能にします。放射性）。鉛は通常、減衰連鎖が停止する安定点です。

崩壊連鎖では、「マザー」と呼ばれる不安定な原子核が一連の崩壊によって安定化します。各段階は、親元素の「娘」と呼ばれる放射性核種に対応する中間状態によって特徴付けられます。減衰チェーンは、減衰ダイアグラムによってグラフィカルに表現できます。これは、チェーンが複雑な場合に特に役立ちます。

4 つの崩壊連鎖:トリウム、ラジウム、アクチニウム、ネプツニウム

単純な崩壊

単純な崩壊中に、放射性元素はさまざまな崩壊モードを経ます。α、β ⁺または β ^–放射線を放出することがあり、崩壊生成物と呼ばれる別の元素に変換されます。 α線は、2個の中性子と2個の陽子からなるヘリウム原子核の放出で構成されます。 β 放射線^–電子(マイナスに帯電した) の放出で構成されます。陽電子（または正に荷電した反電子）によるβ ⁺放射線。

チェーン全体の放射能

地質学的時間スケールでは、連鎖を支配するのは半減期が最も長い放射性核種です。その子孫が平衡状態にある場合、鉱石内の子孫の原子の数はその半減期に実質的に比例します。したがって、ウラン 238 (4500×10 ⁶年) に付随して、その子孫であるウラン 234 (0.25×10 ⁶年) が 0.25/4500=0.0056% の割合で動的平衡状態にあることが常にわかります。しかし、放射性核種の放射能はその寿命に反比例し、連鎖内の各リンクは最終的には1 秒あたりの崩壊数 (ベクレル) の点で同じ寄与を持ちます。バランスのとれた崩壊連鎖の全体的な放射能は、その支配的な放射性核種の放射能となります。リンクにチェーン内のステップ数を掛けます。特に、ウラン鉱石（主に²³⁸ U）の場合、ラドンによる放射能はウラン自体による放射能と同じレベル、つまり全体の放射能の 7% になります（崩壊連鎖が 14 段階あるため）。

自然分裂の場合

特定の元素では、崩壊が自然発生的に発生するのではなく、核分裂が発生し、いくつかの崩壊連鎖が開始されます。たとえば、ウラン 235 は、少数の中性子を放出することによって、ごくわずかな割合で 2 つの核分裂生成物に変換されます。別の例は、自然核分裂率が約 3% であるカリフォルニア 252 です。

崩壊の4つの連鎖

アクチニドの崩壊様式を考慮すると、崩壊連鎖は 4 つだけあります。α 放射能は 4 つの核子の損失を引き起こしますが、β ^–放射能 (および該当する場合、β ⁺放射能) は核子の数を変更しません。このため、事実上すべての放射性崩壊は、核子の数が 4 を法として一定のままである放射性核種を生じます。

これらの鎖のうち、ウラン 235、ウラン 238、トリウム 232 の 3 つの鎖は自然界に存在します。4 番目の鎖であるネプツニウム 237 の鎖には、人工放射性核種のみが含まれています。これらの鎖は、より重く、より不安定な人工超ウランアクチニドによって上流に延長されます。

4n + 0 トリウム 232 族 (プルトニウム 240、ウラン 236)

プルトニウム 240 は、中性子捕獲によってプルトニウム 239 から原子炉内で生成されます。ウラン放射化生成物中のプルトニウム 240 の割合は、原子炉内で長時間の照射を受けるほど、さらに高くなります。長期的には、Pu 240 の放射能はまずウラン 236によって支配され、地質学的時間スケールではトリウム 232 によってほぼ安定します (地殻中にはウランの 4 倍の量で存在します)。

4n + 1 族のネプツニウム 237 (プルトニウム 241)

このシリーズは完全に人工的なものです。このシリーズの寿命は、鉱物学的痕跡を見つけるには不十分です。

プルトニウム 241は核分裂性同位体ですが、大量生産が困難であること、生産コストが高いこと、半減期が短いこと、プルトニウム 239 よりも放射能が高いため、個別に使用されることはほとんどありません。プルトニウム 241 には放射性毒性があります。娘のアメリシウム 241 は、組織、特に腎臓や骨に蓄積すると、プルトニウムと同様の危険を引き起こします。

長期（千年規模）では、プルトニウム 241 の放射能は、その子孫である半減期が 200 万年であるネプツニウム 237 によって支配されます。

4n + 2族のウラン238

ウラン 238 は天然ウランの 99.3% 以上を占めるウラン同位体で、自然に崩壊して安定で非放射性の鉛 206になります。ウラン 238 の子孫のうち、ラドンは放射性有毒ガスであり、吸入すると肺がんを引き起こす可能性があります。

ウラン 238 の半減期が長いということは、ウラン 238 が自然な状態でまだ地球上に存在し、まだ完全には鉛に変化していない理由を説明しています。

4n + 3族のウラン235（プルトニウム239）

プルトニウム 239 は人工重金属で、核弾頭やMOX 燃料の製造に使用されます。プルトニウム 239 は特定の放射性廃棄物にも含まれていますが、検出するのは困難です。

最初の段階で、プルトニウム 239 は放射能が 30,000 倍低いウラン 235 に崩壊します。最初の近似として、プルトニウム 239 は核分裂性元素であるウラン 235 に変換され、自然状態のウランの 0.73% が存在します。 。その後、プルトニウム 239 の崩壊連鎖はウラン 235 の崩壊連鎖と合流します。プルトニウム 239 の単純化された崩壊連鎖を以下に示します。

この連鎖には、連続する α と β^の崩壊が逆転する 3 つの憩室が存在します。

• アクチニウム 227 は 1.38% の確率でα放射能を受け、フランシウム 223 につながります。
  これは非常に放射性が高く（半減期約 22 分）、主に^β崩壊によって崩壊（99.994%）し、主枝にラジウム 223 が生じます。
  0.006% の場合、フランシウムは崩壊してアスタチン 219 になります。これは 56 秒の半減期で崩壊します。
  アスタチン 219 の崩壊の少数 (約 3%) は β ^–で起こり、ラドン 219 の主分岐に加わります。
  残り (約 97%) はα崩壊を受けてビスマス 215 になります。後者は 100% 崩壊してポロニウム 215 になり、主分岐に加わります。
• ポロニウム 215 は 0.000% の確率で β ^–放射能を受け、アスタチン 215 につながります。
  これは非常に不安定（半減期 0.1 ミリ秒）で、α 崩壊を受けてビスマス 211 上の主分岐に結合します。
• ビスマス 211 は 0.276% の確率で^β崩壊を起こし、ポロニウム 211 (半減期 0.516 秒) が生成されます。
  後者はα崩壊によって安定な鉛207に崩壊する。