Америций-241

Америций-241 (Am-241, ²⁴¹Am) — радиоактивный изотоп химического элемента америция, относящийся к группе трансурановых элементов. Обладает периодом полураспада 432,2 года, испускает альфа-частицы и мягкое гамма-излучение. В природе не встречается, получается искусственно в ядерных реакторах. Широко применяется в промышленности, науке и бытовых приборах, главным образом в качестве источника ионизирующего излучения в детекторах дыма (пожарных извещателях), а также в радиоизотопных источниках энергии и нейтронных генераторах.

История открытия и получения

Америций-241 был впервые синтезирован в 1944 году группой американских учёных под руководством Гленна Сиборга в Металлургической лаборатории Чикагского университета (ныне Аргоннская национальная лаборатория). Изотоп был получен при бомбардировке плутония-239 нейтронами в ядерном реакторе. Открытие америция, как и других трансурановых элементов, было засекречено в рамках Манхэттенского проекта. В 1945 году результаты были опубликованы.

Промышленное производство америция-241 началось в 1960-х годах. Основным источником является облучённое ядерное топливо, извлечённое из реакторов. При нейтронном облучении урана-238 образуется плутоний-239, который при захвате дополнительных нейтронов превращается в плутоний-240, а затем в плутоний-241. Плутоний-241 (период полураспада 14,35 года) распадается с образованием америция-241. Выделение америция-241 из отработанного топлива осуществляется методами радиохимического разделения (экстракция, ионный обмен, осаждение).

Физические и химические свойства

Америций-241 — металл серебристо-белого цвета, на воздухе покрывается оксидной плёнкой. Плотность — 13,67 г/см³, температура плавления — 1176 °C, температура кипения — 2011 °C. Химически активен, реагирует с кислородом, галогенами, кислотами. В соединениях проявляет степени окисления от +3 до +6, наиболее устойчива степень +3.

Основные ядерно-физические характеристики:

• Период полураспада: 432,2 года.
• Тип распада: альфа-распад (с испусканием альфа-частиц с энергией 5,486 МэВ).
• Дочерний продукт: нептуний-237 (также радиоактивен, период полураспада 2,14 млн лет).
• Гамма-излучение: основная линия — 59,5 кэВ (мягкое гамма-излучение, интенсивность около 36 %).
• Удельная активность: 3,43 × 10¹¹ Бк/г (около 9,3 Ки/г).
• Тепловыделение: около 0,114 Вт/г.

Применение

Пожарные извещатели (дымовые детекторы)

Наиболее массовое применение америция-241 — в ионизационных дымовых извещателях. В небольшой герметичной камере изотоп (обычно в виде диоксида америция AmO₂) испускает альфа-частицы, ионизирующие воздух в зазоре между электродами. При попадании дыма в камеру ионы связываются с частицами дыма, ток падает, и срабатывает сигнализация. В одном детекторе содержится около 0,1–1 микрограмма америция-241 (активность 0,3–3 мкКи). Такие извещатели широко распространены в жилых и общественных зданиях, особенно в США, Японии и странах Европы. В России ионизационные детекторы на основе америция-241 выпускались, но в настоящее время вытесняются оптическими (фотоэлектрическими) моделями.

Радиоизотопные источники энергии

Америций-241 используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ) малой мощности. Тепло, выделяемое при альфа-распаде, преобразуется термоэлектрическими элементами в электричество. Такие источники применяются для питания автономных научных приборов, космических аппаратов (например, в некоторых зондах для исследования внешних планет), а также в отдалённых метеостанциях и навигационных буях. По сравнению с плутонием-238, америций-241 обладает меньшей удельной тепловой мощностью, но более доступен и дёшев.

Нейтронные источники

Америций-241 в смеси с лёгкими элементами (бериллий, бор, литий) используется для создания компактных нейтронных источников. Альфа-частицы, испускаемые америцием, вызывают ядерные реакции (α,n) на ядрах бериллия, порождая нейтроны. Такие источники применяются в нейтронной активации, каротаже нефтяных и газовых скважин, контроле влажности почвы, поиске взрывчатых веществ и в научных исследованиях.

Медицина и диагностика

В ограниченных масштабах америций-241 используется в качестве источника гамма-излучения для калибровки детекторов, в радиоизотопной диагностике (например, для измерения плотности костной ткани методом гамма-абсорбциометрии), а также в брахитерапии (внутритканевом облучении) — однако из-за высокой радиотоксичности и длительного периода полураспада его применение в медицине ограничено и вытесняется более безопасными изотопами (например, иридием-192).

Промышленный контроль

Америций-241 применяется в толщиномерах, плотномерах, уровнемерах, анализаторах состава веществ (рентгенофлуоресцентный анализ). Мягкое гамма-излучение 59,5 кэВ позволяет измерять толщину тонких листов металла, пластика, бумаги, а также плотность жидкостей и сыпучих материалов.

Радиационная опасность и безопасность

Америций-241 относится к высокотоксичным радионуклидам. Основную опасность представляет альфа-излучение, которое при попадании внутрь организма (ингаляционно, с пищей или через раны) вызывает поражение лёгких, печени, костного мозга и других органов. Допустимая концентрация в воздухе рабочих помещений — 0,2 Бк/м³. Гамма-излучение 59,5 кэВ создаёт внешнюю опасность при работе с большими количествами изотопа (более десятков миллиграммов). Хранится и транспортируется америций-241 в герметичных контейнерах из нержавеющей стали или свинца, с толщиной стенок, обеспечивающей ослабление гамма-излучения до безопасного уровня.

Правовой статус и регулирование

В Российской Федерации обращение с америцием-241 регулируется Федеральным законом «Об использовании атомной энергии» и нормативными документами Ростехнадзора. Изотоп относится к категории радиоактивных веществ, требующих лицензирования деятельности по их добыче, производству, хранению, перевозке и утилизации. Все источники на основе америция-241 подлежат государственному учёту и контролю. Выбросы и сбросы в окружающую среду строго нормируются.

Источники

• Г. Сиборг, Э. Хайнс, «Трансурановые элементы», 1958.
• «Химическая энциклопедия», т. 1, М.: Советская энциклопедия, 1988.
• «Радиохимия», под ред. А. Н. Несмеянова, М.: Высшая школа, 1985.
• «Радиационная безопасность. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)», М.: Минздрав России, 2009.
• «Handbook of Radioactivity Analysis», 3rd ed., Elsevier, 2012.
• «IAEA Safety Standards Series No. RS-G-1.1», 2005.
• «Америций-241: свойства, получение, применение», В. А. Бабенко, А. А. Козлов, М.: Атомиздат, 1978.
• «Радиоизотопные источники и их применение», под ред. Ю. А. Казанского, М.: Энергоатомиздат, 1985.