プリンキピア

第21章核化学

21.4 Transmutation and Nuclear Energy21.4 核変換と核エネルギー

Learning Objectives学習目標

By the end of this section, you will be able to:
この節を終えると、次のことができるようになる。
  • Describe the synthesis of transuranium nuclides
    超ウラン核種の合成を説明する
  • Explain nuclear fission and fusion processes
    核分裂と核融合の過程を説明する
  • Relate the concepts of critical mass and nuclear chain reactions
    臨界質量と核連鎖反応の概念を関連づける
  • Summarize basic requirements for nuclear fission and fusion reactors
    核分裂炉と核融合炉に必要な基本条件をまとめる
After the discovery of radioactivity, the field of nuclear chemistry was created and developed rapidly during the early twentieth century. A slew of new discoveries in the 1930s and 1940s, along with World War II, combined to usher in the Nuclear Age in the mid-twentieth century. Scientists learned how to create new substances, and certain isotopes of certain elements were found to possess the capacity to produce unprecedented amounts of energy, with the potential to cause tremendous damage during war, as well as produce enormous amounts of power for society’s needs during peace.
英語のヒント
放射能の発見後、核化学という分野が生まれ、20世紀初頭に急速に発展した。1930〜1940年代の相次ぐ発見と第二次世界大戦が重なり、20世紀半ばに原子力時代が始まった。科学者は新しい物質を作る方法を学び、特定の元素の同位体に、かつてない量のエネルギーを生み出す能力があることを見いだした。その能力は、戦争で莫大な被害をもたらしうる一方、平時には社会が必要とする大量の電力を供給できるものだった。

Synthesis of Nuclides核種の合成

Nuclear transmutation is the conversion of one nuclide into another. It can occur by the radioactive decay of a nucleus, or the reaction of a nucleus with another particle. The first manmade nucleus was produced in Ernest Rutherford’s laboratory in 1919 by a transmutation reaction, the bombardment of one type of nuclei with other nuclei or with neutrons. Rutherford bombarded nitrogen atoms with high-speed α particles from a natural radioactive isotope of radium and observed protons resulting from the reaction:
英語のヒント
核変換とは、ある核種を別の核種へ変えることである。原子核の放射性崩壊や、原子核と別の粒子の反応によって起こる。初めて人工的な原子核が作られたのは、1919年、ラザフォードの研究室での核変換反応である。ある種類の核へ別の核や中性子を衝突させる反応をいう。ラザフォードは、ラジウムの天然放射性同位体から出る高速のα粒子を窒素原子へ当て、反応で生じる陽子を観察した。
714N+24He⟶817O+11H
The 817O and 11H nuclei that are produced are stable, so no further (nuclear) changes occur.
生じる817Oと11Hの原子核は安定なので、その後の核変化は起こらない。
To reach the kinetic energies necessary to produce transmutation reactions, devices called particle accelerators are used. These devices use magnetic and electric fields to increase the speeds of nuclear particles. In all accelerators, the particles move in a vacuum to avoid collisions with gas molecules. When neutrons are required for transmutation reactions, they are usually obtained from radioactive decay reactions or from various nuclear reactions occurring in nuclear reactors. The Chemistry in Everyday Life feature that follows discusses a famous particle accelerator that made worldwide news.
英語のヒント
核変換反応に必要な運動エネルギーに達するため、粒子加速器という装置を使う。磁場と電場で核粒子の速度を上げる装置である。どの加速器でも、気体分子との衝突を避けるため、粒子は真空中を進む。核変換に中性子が必要な場合は、通常、放射性崩壊や原子炉内のさまざまな核反応から得る。続く「日常生活の化学」では、世界的なニュースになった有名な粒子加速器を紹介する。
Prior to 1940, the heaviest-known element was uranium, whose atomic number is 92. Now, many artificial elements have been synthesized and isolated, including several on such a large scale that they have had a profound effect on society. One of these—element 93, neptunium (Np)—was first made in 1940 by McMillan and Abelson by bombarding uranium-238 with neutrons. The reaction creates unstable uranium-239, with a half-life of 23.5 minutes, which then decays into neptunium-239. Neptunium-239 is also radioactive, with a half-life of 2.36 days, and it decays into plutonium-239. The nuclear reactions are:
英語のヒント
1940年以前、知られていた最も重い元素は原子番号92のウランだった。現在では多くの人工元素が合成・単離され、社会に大きな影響を与えるほどの規模で作られたものもある。その1つ、93番元素ネプツニウムNpは、1940年にマクミランとアベルソンがU-238へ中性子を当てて初めて作った。反応で生じるU-239は不安定で、半減期23.5分でNp-239へ崩壊する。Np-239も放射性で、半減期2.36日でPu-239へ崩壊する。核反応式は次のとおりである。
92238U+ 01n⟶ 92239U 92239U⟶ 93239Np+ −10ehalf-life=23.5 min 93239Np⟶ 94239Pu+ −10ehalf-life=2.36 days
92238U+ 01n⟶ 92239U 92239U⟶ 93239Np+ −10e半減期=23.5 min 93239Np⟶ 94239Pu+ −10e半減期=2.36日
Plutonium is now mostly formed in nuclear reactors as a byproduct during the fission of U-235. Additional neutrons are released during this fission process (see the next section), some of which combine with U-238 nuclei to form uranium-239; this undergoes β decay to form neptunium-239, which in turn undergoes β decay to form plutonium-239 as illustrated in the preceding three equations. These processes are summarized in the equation:
英語のヒント
現在、プルトニウムの大半は、原子炉内でU-235が核分裂するときの副産物としてできる。核分裂では追加の中性子が放出され(次の節を参照)、その一部がU-238核と結びついてU-239になる。前の3つの式に示したように、U-239はβ崩壊してNp-239へ、さらにβ崩壊してPu-239へ変わる。これらの過程をまとめると、次の式になる。
92238U+ 01n⟶ 92239U→β− 93239Np→β− 94239Pu
Heavier isotopes of plutonium—Pu-240, Pu-241, and Pu-242—are also produced when lighter plutonium nuclei capture neutrons. Some of this highly radioactive plutonium is used to produce military weapons, and the rest presents a serious storage problem because they have half-lives from thousands to hundreds of thousands of years.
軽いプルトニウム核が中性子を捕獲すると、より重いPu-240、Pu-241、Pu-242もできる。強い放射性をもつプルトニウムの一部は軍事兵器の製造に使われ、残りは重大な保管問題をもたらす。半減期が数千年から数十万年に及ぶためである。
Although they have not been prepared in the same quantity as plutonium, many other synthetic nuclei have been produced. Nuclear medicine has developed from the ability to convert atoms of one type into other types of atoms. Radioactive isotopes of several dozen elements are currently used for medical applications. The radiation produced by their decay is used to image or treat various organs or portions of the body, among other uses.
英語のヒント
プルトニウムほどの量ではないが、ほかにも多くの人工核が作られている。ある種類の原子を別の種類へ変える技術から、核医学が発展した。現在、数十種類の元素の放射性同位体が医療に使われる。崩壊による放射線は、臓器や体の部分の画像化・治療などに利用される。
The elements beyond element 92 (uranium) are called transuranium elements. As of this writing, 22 transuranium elements have been produced and officially recognized by IUPAC; several other elements have formation claims that are waiting for approval. Some of these elements are shown in Table 21.3.
92番元素ウランより後の元素を、超ウラン元素という。執筆時点では、22種類が合成され、IUPACに正式に認定されている。ほかにも合成が報告され、承認を待っている元素がいくつかある。その一部を表21.3に示す。
Preparation of Some of the Transuranium Elements
いくつかの超ウラン元素の合成
Name
名称
Symbol
記号
Atomic Number
原子番号
Reaction
反応
americium
アメリシウム
Am
95
94239Pu+ 01n⟶ 95240Am+ −10e
curium
キュリウム
Cm
96
94239Pu+ 24He⟶ 96242Cm+ 01n
californium
カリホルニウム
Cf
98
96242Cm+ 24He⟶ 98245Cf+ 01n
einsteinium
アインスタイニウム
Es
99
92238U+15 01n⟶ 99253Es+7 −10e
mendelevium
メンデレビウム
Md
101
99253Es+ 24He⟶ 101256Md+ 01n
nobelium
ノーベリウム
No
102
96246Cm+ 612C⟶ 102254No+4 01n
rutherfordium
ラザホージウム
Rf
104
98249Cf+ 612C⟶ 104257Rf+4 01n
seaborgium
シーボーギウム
Sg
106
82206Pb+ 2454Cr⟶ 106257Sg+3 01n 98249Cf+ 818O⟶ 106263Sg+4 01n
meitnerium
マイトネリウム
Mt
107
83209Bi+ 2658Fe⟶ 109266Mt+ 01n
Table 21.3表 21.3