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ネプツニウム - プルトニウム-アメリシウム
Sm
Pu
250px
一般特性
名称, 記号, 番号 プルトニウム, Pu, 94
分類 アクチノイド
, 周期, ブロック 3, 7 , f
密度, 硬度 19840 kg·m−3, no data
単体の 銀白色
プルトニウム
原子特性
原子量 [244.0642] u
原子半径 151 pm
共有結合半径 no data
VDW半径 no data
電子配置 [Rn]5f6 7s2
電子殻 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
酸化数酸化物 3, 4, 5, 6
結晶構造 単斜晶系
物理特性
固体
融点 913 K
(639.4 , 1182.9 °F)
沸点 3503 K
(3228 ℃, 5842 °F)
モル体積 12.30 × 10−3 m3·mol−1
気化熱 333.5 kJ·mol−1
融解熱 2.82 kJ·mol−1
蒸気圧 no data
音の伝わる速さ 2260 m/s (293.15 K)
その他
クラーク数 no data
電気陰性度 1.28 (ポーリング
比熱容量 130 J·kg−1·K−1
導電率 6.67 × 105 S m−1
熱伝導率 6.74 W·m−1·K−1
イオン化エネルギー 584.7 kJ·mol−1
(比較的)安定同位体
同位体 NA 半減期 DM DE/MeV DP
238Pu {syn.} 87.7 α
SF
5.593
 
234U
 
239Pu trace 2.411×104 α
SF
5.245
 
235U
 
240Pu {syn.} 6564 年 α
β-
SF
5.256
0.005
 
236U
240Am
 
241Pu {syn.} 14.4 年 α
β-</br>SF
5.14
0.021
 
237U
241Am
 
242Pu {syn.} 3.733×105 α
SF
4.984
 
238U
 
244Pu 100% 8.08×107 α
SF
4.666
 
240U
 
注記がない限り国際単位系使用及び標準状態下。

プルトニウム (plutonium) は原子番号94の元素である。元素記号Puアクチノイド元素の一つ。

概要 編集

ウラン鉱石中にわずかに含まれていることが知られる以前は、完全な人工元素と考えられていた。超ウラン元素で、放射性元素でもある。プルトニウム239、241その他いくつかの同位体が存在している。半減期はプルトニウム239の場合約2万4000年(アルファ崩壊による)。比重は 19.8 で、大変重い金属である(結晶構造は単斜晶)。融点は639.5℃、沸点は3230℃(沸点は若干異なる実験値あり)。硝酸濃硫酸には不動態となり溶けない。塩酸希硫酸などには溶ける。原子価は、3価~6価(4価が最も安定)。プルトニウムとその化合物は人体にとって非常に有害である。プルトニウムはアルファ線を放出するため、体内に蓄積されると強い発癌性を持つ。

原子炉において、ウラン238中性子を捕獲してウラン239となり、それがベータ崩壊してネプツニウム239になり、更にそれがベータ崩壊してプルトニウム239ができる(原子炉内では他のプルトニウム同位体も多数できる)。ウラン238は天然に存在するのでネプツニウム239とプルトニウム239は極微量ながら天然にも存在する。また半減期が約8000万年とプルトニウム同位体の中では最も長いプルトニウム244も極微量天然に存在する。なお、プルトニウム239および240とそれらの放射壊変物の飛沫の吸引はWHOの下部機関IARCより発癌性があると (Type1) 勧告されている。

プルトニウムは核兵器の原料や、プルサーマル発電におけるMOX燃料として主に使用されるが、他の用途としては人工衛星の電源として原子力電池として使用されたこともある。

特性 編集

プルトニウムは金属状態では銀色だが、酸化された状態では黄褐色となる。金属プルトニウムは温度が上がると収縮する。また、低対称性構造を有するので、時間経過と共に次第にもろくなる。

アルファ粒子の放出による熱のため、ある程度の量のプルトニウムは体温より暖かい。大きい量では水を沸騰させることもできる。

水溶液中では5種類のイオン価数を有する:

  • III価……Pu3+(青紫色)
  • IV価……Pu4+(黄褐色)
  • VI価……PuO22+。(ピンク、オレンジ色)
  • V価……PuO2+。(ピンク色と考えられている。V価のイオンは溶液中では不安定で、Pu4+ と PuO2+不均化する。さらにその Pu4+ は PuO2+ を PuO22+ に酸化し、自身は Pu3+ になる。こうしてプルトニウムの水溶液は時間が経過すると Pu3+ と PuO22+ の混合物に変化する傾向がある。)
  • VII価……PuO52-(暗赤色)VII価のイオンはまれであり極端に酸化性雰囲気下でのみ生成する。

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プルトニウム塩はさまざまな色を示す。

註:ここで示したプルトニウム溶液の色は、酸化状態のほか陰イオンにも依存する。陰イオンの種類によりプルトニウムの錯体形成の度合いが変わるため。

利用 編集

同位体 239Pu は、核分裂の起きやすさと合成の容易さのため、現代の核兵器における主要な核分裂性物質である。反射体のない球状プルトニウムの臨界量は16kgだが、中性子を反射するタンパーを用いると核兵器中のプルトニウムピットは10kg(直径10cmの球に相当)まで減らすことができる。1kgのプルトニウムが完全に反応したとすると、20キロトンのTNT相当の爆発エネルギーを生むことができる。
239Pu がアルファ崩壊すると 235U(ウラン235)が崩壊生成物として生成される。235U も核分裂を起こしやすいが、親核種の 239Pu はより核分裂を起こしやすい。また、239Pu はアクチニウム系列に含まれている。

同位体 238Pu は半減期87年のアルファ放射体である。これらの特性により、人間の寿命程度のタイムスケールで直接保守することなく機能する必要がある機器の電力源に適している。そのため、238Pu は原子力電池に利用され、宇宙探査機ガリレオカッシーニの電源となる同位体電池にも用いられた。また、同様の技術が、アポロ月面探査計画における地震実験にも用いられている。

238Pu は人工心臓のペースメーカーの電源にも用いられ、手術を繰り返すリスクを避けるのに役立っていた。近年ではほとんどが一次電池であるヨウ化リチウムを用いているが、2003年時点では50から100個程度のプルトニウム電源のペースメーカーが患者に埋め込まれている。ただし、日本国内ではプルトニウム電源のペースメーカーは使用はもちろんの事、製造も禁止されている。日本では放射性同位体の規制に抵触するからである。

長崎型原爆はプルトニウム型だった。

環境中のプルトニウム 編集

大部分のプルトニウムは人工的に合成されるが、極めてわずかな痕跡量のプルトニウムがウラン鉱石中に自然に発生する。これらは、238 U原子核が中性子を捕獲して 239U になり、その後二回のベータ崩壊により 239Pu になる。この過程は原子炉中でプルトニウムを生産するのと同様である。

244Pu の痕跡が、超新星爆発から太陽系の誕生以来残っている。この核種の半減期が相当に長い(8千万年)からである。

1972年にガボン共和国オクロにある天然原子炉で比較的高濃度の天然プルトニウムが発見された。

1945年以来、約10トンのプルトニウムが、核実験を通じて地球上に放出された。核実験のフォールアウトのために、既に世界中の人体中に1~2ピコキュリーのプルトニウムが入っている[1]。フォールアウト起源のプルトニウムが地表面の土壌に0.01~0.1 pCi/g存在する[2]。このほか、原子力施設等の事故や、再処理工場からの排出 [3]により、局地的な汚染が存在する。

環境中のプルトニウムはほとんど二酸化プルトニウムの形で存在しているが、これは非常に水に溶けにくい[4]。100万kLの純水にプルトニウム原子1個が溶ける程度であるといわれている。

いったん高温で焼き締めた二酸化プルトニウムは硝酸にも難溶となるが、フッ化水素酸を加えると溶ける[5]

化合物 編集

プルトニウムは酸素と容易に反応し、PuO、PuO2 となる。また、その中間の酸化物も生成する。また、ハロゲンとも反応し、PuX3 の形の化合物を作る。PuF4 および PuF6 も見られる。PuOCl、PuOBr および PuOI のようなオキシハライドも確認されている。

炭素と反応して PuC、窒素と反応して PuN、またケイ素と反応して PuSi2 を形成する。

プルトニウムは他のアクチノイド元素と同様、二酸化プルトニウム (PuO2) を形成するが、 自然環境中では炭酸など酸素を含む錯イオン(OH-、NO2-、NO3- および SO42-)と電荷のある錯体を作る。 こうしてできた錯体は土との親和性が低く容易に移動する:

  • PuO2(CO3)2-
  • PuO2(CO3)24-
  • PuO2(CO3)36-

強い硝酸酸性溶液を中和して作った PuO2 は、錯体にならない PuO2 重合体を生成しやすい。 プルトニウムはまた価数が3、4、5、6価の間で変化しやすい。 ある溶液のなかでこれら全ての価数で平衡して存在することも珍しくない。

同素体 編集

常圧下でもプルトニウムはさまざまな同素体を持つ。これらの同素体は、結晶構造や密度が大きく異なる。α相とδ相では密度は25%以上も違う。

さまざまな同素体を持つということが、プルトニウムの機械加工を非常に難しいものにしている。相が非常に容易に変わってしまうからである。このような複雑な相変化をする理由は完全には解明されていない。最近の研究では、相変化の精密なコンピュータモデルに着目している。

兵器への利用においては、相の安定性を増し作業性と取り扱いを容易にする狙いで、プルトニウムはしばしばほかの金属と合金にして用いられる。例えば、δ相に数%のガリウムを加えるなど。核分裂兵器においては、プルトニウムのコアを爆縮するための爆発の衝撃波も相変化の原因になる。このとき通常のδ相からより密度の高いα相に変化するので、超臨界を達成するのに大いに助けになる。

同位体とその利用特性 編集

詳細はプルトニウムの同位体を参照

人類の利用の観点で重要な同位体は 239Pu(核兵器と原子炉燃料に適)および 238Pu(原子力電池に適)である。同位体 240Pu は、239Pu が中性子に照射されると発生するが、これは非常に容易に自発核分裂を起こす。240Pu そのものはほとんど役に立たないが、核兵器で使用されるプルトニウム中での不純物として重大な役割を果たす。240Pu は自発核分裂により中性子をランダムに放出するので、ある希望の瞬間に正確に連鎖反応を始めることを難しくする。こうしてその爆弾の信頼度および出力を減少させる。

核兵器 編集

239Pu の中に不純物として20% 240Pu が含まれると、、インプロージョン型核兵器の中で分裂連鎖反応が受容しがたいほど早く始まり、その材料がほとんど核分裂しない間にその兵器をばらばらに吹き飛ばしてしまう。(過早爆発) ガンバレル型の場合はPu240混入1%前後で過早爆発が起きる この 240Pu の混入が避けられないことが、プルトニウム武器ではインプロージョン方式の設計にしなければならない理由である。理論的には100%純粋な 239Pu ならばガンバレル型装置を構築することができるかもしれないが、このレベルの純度は現実には達成し得ないほど困難である。 インプロージョン型核兵器であってもPu240を10%以下にせねばならず、軽水炉ではそれが達成困難なので、核兵器製造には黒鉛炉が使用される。

なお 240Pu の混入課題は核兵器開発において2つの側面をもつ。ひとつは混入のためにインプロージョン技術を開発する必要が生じ、マンハッタン・プロジェクトに遅れと障害をもたらした。もうひとつは同じくその障害は現在では核拡散に対する障壁になった。 なお 239Pu の同位対比が約90%を越えるプルトニウムは兵器級プルトニウム(Weapon Grade Plutonium)と呼び、 1972年に機密指定が解除された資料である「WASH-1037 Revised An Introduction to Nuclear Weapons」に基づくと、兵器級プルトニウムは三つの等級に分けられている。

等級 238Pu 239Pu 240Pu 241Pu 242Pu
Hanford 0.05%以下 93.17% 6.28% 1.54% 0.05%以下
Savanna 0.05%以下 92.99% 6.13% 0.86% 0.05%以下
Rocky Flats Soil 極微量 93.6% 5.8% 0.6% 極微量

原子炉 編集

一般的な商用原子炉である軽水炉から得られたプルトニウムは少なくとも20%の 240Pu を含んでおり、原子炉級プルトニウムと呼ばれる。

原子炉級プルトニウムでも核兵器の製造は可能であるという主張もあるが、不安定な原子炉級プルトニウムでは爆発装置の製造が兵器級プルトニウムに比べて困難であり、兵器としての信頼性にも欠けるため、わざわざ原子炉級プルトニウムで核兵器を作るメリットはほとんどない。だが、原子炉級プルトニウムを高速増殖炉(日本には、常陽もんじゅがある)に装填して原子炉の運転をすると、その炉心の周囲にあるブランケットという部分で高純度の兵器級プルトニウムが産出される。これまでに、常陽のブランケットには、239Pu 同位体純度99.36%のプルトニウムが22kg、もんじゅのブランケットには、97.5%のプルトニウムが62kg含まれている。これを再処理工場で取り出すだけで原子爆弾30発以上を製造できる量になるとの主張もある[6]

毒性 編集

プルトニウムの同位体および化合物はすべて放射性で有毒である。化学毒性についてはウランに準ずると考えられているが[7]、その化学毒性が現れるよりもはるかに少ない量で放射線障害が生じると予想されるため、化学毒性のみでプルトニウムの毒性を論ずることはできない[8][9]

プルトニウムは重金属の仲間であることから、ウランと同様に腎臓への障害が予想され、その大きさは鉛と同程度と推定される(鉛はプルトニウムよりも人類に馴染みのある元素だが相当に有害な物質でもある。詳しくはまたはテトラエチル鉛を参照)。また、ランタノイド元素とアクチノイド元素の同じ順番にある元素は互いに似ている傾向があることから、プルトニウムはランタノイドで同じ順番にあるサマリウムと似ていると考えられている。

また、プルトニウムは一部報道によって、時に「人に知られているうちで最も強い有毒物質」とされているが、専門家からは誤りであるという意見もある。テンプレート:要出典

プルトニウムの毒性は既知の毒物の中でも最悪レベルで、「角砂糖5個分で日本が全滅」するという指摘がある[10]。これについて、電気事業連合会は事実誤認だとする[11]

プルトニウムと人体 編集

プルトニウムを嚥下し消化管に入った場合、そのおよそ0.05%程度が吸収され、残りは排泄される[12]。吸収されたプルトニウムは、骨と肝臓にほぼ半々の割合で蓄積される。皮膚との接触については、傷が無い限り吸収されない。

最も重要な取り込み経路は、空気中に粒子状になったプルトニウムの吸入である。気道から吸入された微粒子は、大部分が気道の粘液によって食道へ送り出されるが、残り(4分の1程度)が肺に沈着する。沈着した粒子は肺に留まるか、胸のリンパ節に取り込まれるか、あるいは血管を経由して骨と肝臓に沈着する[13]

プルトニウムは一度吸収されると体外へ排出されにくいのが特徴である。生物学的半減期はウランやラジウムと比べても非常に長く、骨と肝臓でそれぞれ20年と50年である。吸収線量あたりの有害さは核種や同位体によらずラジウム等と同程度であるが、プルトニウムの扱いに特に注意が必要なのは、まさに排出されにくいという特徴によるものである。

プルトニウムは人体には全く不必要な元素である。毒性の強い元素の中には必須ミネラルで微量は人体にとっても必要なものもあるが(例:ヒ素セレン)、プルトニウムは必須ミネラルでさえない。

臨界管理 編集

プルトニウムの臨界量はウラン235の3分の1しかないので、臨界量に近い量のプルトニウムが蓄積しないように注意しなければならない。形状が重要である。すなわち球体のようなコンパクトな形にしてはならないのである。溶液状のプルトニウムは固体より少ない量で臨界量に達する。それが単に溶けるか破片になるのではなく爆発するためには超臨界を大きく越える量を必要とするので、兵器級の核爆発は偶然に生じることは有りえない。しかしながら、ひとたび臨界量に達すれば致死量の放射線が発生する。

臨界事故は過去に何度か起きており、それらのうちのいくつかで死者を出している。1945年8月21日、ロスアラモス国立研究所で致死量の放射線を発生させた事故は、6.2kgの球状プルトニウムを囲んだ炭化タングステンレンガの不注意な取り扱いに起因していた。このとき科学者ハリーDaghlianは推定510 rem (5.1Sv) の被曝をし4週間後に死亡した。その9か月後に、別のロスアラモスの科学者ルイスSlotinは、ベリリウムの反射材、および以前に Daghlian の生命を奪ったのとまさに同じプルトニウムコア(いわゆる「デーモンコア」)による同様の事故で死亡した。これらの出来事は、1989年の映画「ファットマンとリトルボーイ」でかなり正確に描写された。1958年には、ロスアラモスのプルトニウム精製工程で、混合容器の中で臨界量が形成され、クレーン操作員が死亡した。この種の他の事故が、ソ連、日本および他の多くの国々で起こった(詳しくは原子力事故を参照)。1986年のチェルノブイリの事故は、大量のプルトニウムの放出を引き起こした。

さらに、金属プルトニウムには発火の危険がある。特に素材が微粒子に分割されている場合が危険である。金属プルトニウムは酸素および水と反応し、水素化プルトニウムピロリン酸化合物が蓄積する可能性があり、これらは室温の空気中で発火する物質である。プルトニウムが酸化してその容器を壊すとともに、プルトニウムが相当に拡散する。 燃えている物質の放射能が危険を増す。酸化マグネシウムの砂は、プルトニウム火災を消火するための最も有効な素材である。それはヒートシンクとしてはたらき燃えている物質を冷やし、同時に酸素を遮断する。

1969年にコロラド州ボルダーの近くにあるロッキーフラッツ工場でプルトニウムが主な発火源になった火災があった[14]。これらの問題を回避するために、どんな形態であれプルトニウムを保管・取り扱う場合は特別の警戒が必要である。一般的に、乾燥した不活性ガスが必要である[15]

余剰兵器の解体で発生するプルトニウム 編集

ラジウムあるいは炭素14のような自然に生じる放射性同位体とは対照的に、プルトニウムは冷戦中に兵器製造のために大量に(数百トン)濃縮・製造・分離されたことは注目すべきである。1944年から1994年までの期間にアメリカ合衆国だけで、110トンのプルトニウムを分離し、今なお100トンを保有している。化学兵器生物兵器と異なり、化学過程ではそれらを破壊することができないので、これらの備蓄は、武器形式であるかどうかに関わらず重大な問題を提起する。余剰の兵器級プルトニウムを処分する1つの提案はそれを高レベルの放射性同位体(例えば使用済み原子炉燃料)と混合することである。こうして潜在的な盗取、あるいはテロリストによる取り扱いを防止する。別の手段としては、ウランとそれを混合し原子炉用燃料(混合酸化物すなわちMOXアプローチ)として消費することである。これは 239Pu の多くを核分裂により破壊するだけでなく、残りのかなりの部分を核兵器としては役立たない 240Pu およびより重い同位体に変化させることができる[16]

規制 編集

日本では、プルトニウムの全ての同位体は 核原料物質、核燃料物質及び原子炉の規制に関する法律 で、その保管、取り扱いを規制されているとともに、 外国為替法 の中で国際規制物資として輸出入が規制されている。

歴史 編集

最初はウォルター・ラッセルによって存在が予想されていたが、ウラン238に中性子を照射してプルトニウムとネプツニウムを合成することは、1940年に二つのチームが互いに独立に予想した:カリフォルニア大学バークレー放射線研究所エドウィン・M・マクミランフィリップ・アベルソン、そしてケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所のノーマン・フェザーとイーゴン・ブレッチャーだった。偶然にも、両チームともが、外惑星の並びに似せて、ウランに続く同じ名前を提案していた。

最初に合成・分離したのは1941年2月23日、アメリカの化学者グレン・T・シーボーグ博士、エドウィン・M・マクミラン、J・W・ケネディー、およびA・C・ワールで、バークレーの60インチサイクロトロンを使ってウランに重水素を衝突させる方法による。この発見は戦時下だったため秘匿された。原子番号92のウラン、93のネプツニウムがそれぞれ太陽系惑星天王星海王星にちなんで命名されていたため、これに倣って当時海王星の次の惑星と考えられていた冥王星 (pluto) から命名された。シーボーグは冗談で元素記号に「臭い」という俗語に通じる Pu の文字を選んだが、特に問題にならずに周期表に採用された。マンハッタン計画で、最初のプルトニウム生産炉がオークリッジに建設された。後にプルトニウム生産のための大型の炉がワシントン州ハンフォードに建造されたが、このプルトニウムは最初の原子爆弾に使用され、ニューメキシコ州ホワイトサンドのトリニティー実験場で核実験に使われた。また、ここのプルトニウムがプルトニウムの発見からわずか5年後、第二次世界大戦末の1945年原子爆弾ファットマンとして長崎市に投下された。

冷戦時代を通じて、ソビエト連邦とアメリカ合衆国の双方で厖大な量のプルトニウムの備蓄が行われた。1982年までに推定30万kgのプルトニウムが蓄積された。冷戦の終了とともに、こうしたプルトニウムの備蓄が、核拡散の恐れの焦点となった。2002年にアメリカ合衆国エネルギー省は、同国防省から34トンの余剰の兵器級プルトニウムの所有権を譲り受けた。2003年初頭の時点で、合衆国内にあるいくつかの原子力発電所において、プルトニウムの在庫を焼却する手段として濃縮ウラン燃料からMOX燃料へ転換することを検討している。

プルトニウムが発見されてから数年の間、その生物学的・物理的特性はほとんど知られていなかった。そこで、合衆国政府およびその代理として活動する私的組織によって一連の放射線人体実験が行われた。第二次世界大戦の間から戦後に渡り、マンハッタン計画やその他の核兵器研究プロジェクトに従事した科学者が、実験動物や人体へのプルトニウムの影響を調べる研究を行った。人体に関しては、末期患者あるいは高齢や慢性病のため余命10年未満の入院患者に対し、(典型的には)5µgのプルトニウムを含む溶液を注射することにより実施された。この注射は、こうした患者のインフォームド・コンセント無しに行われた[17]

関連項目 編集

参考文献 編集

  1. National Academy of Sciences, Committee on International Security and Arms Control (1994). Management and Disposition of Excess Weapons Plutonium.
  2. 松岡理 「Plutonium」1993年1月第一号 原子燃料政策委員会発行
  3. 今中哲二「セラフィールド再処理工場からの放射能放出と白血病」 原子力資料情報室通信369号、2005/3/1
  4. Human Health Fact Sheet アルゴンヌ国立研究所 2001年10月
  5. The Chemistry of Actinide Elements Argonne National Laboratory
  6. 槌田敦「日本核武装によるアジア核戦争の恐怖」、核開発に反対する物理研究者の会通信、第42号、2006年12月
  7. Lawrence Livermore National Laboratory (2006). Scientists resolve 60-year-old plutonium questions. Retrieved on 2006-06-06.
  8. 長崎県原爆被爆者対策課発行 放射能Q&A http://www.med.nagasaki-u.ac.jp/renew/information/interna_heal_j/a7.html
  9. 日本原子力文化振興財団 プルトニウムって何だろう 4.プルトニウムの人体影響 プルトニウムの毒性 http://www.atomin.gr.jp/website/support/plutonium/plutonium_04.html
  10. NO NUKES MORE HEARTS ~ストップ再処理 パーティー&パレード川田龍平参議院議員「角砂糖が五個で日本人全員、日本の住んでいる人口全員の致死量、史上最悪の毒性と言われるこのプルトニウムです。」第168回国会 参議院環境委員会 平成19年11月27日
  11. 電気事業連合会『12/25佐賀新聞・12/28毎日新聞(西部版)・12/29西日本新聞・1/21読売新聞(西部版)全面意見広告』について」2006年1月24日
  12. Human Health Fact Sheet アルゴンヌ国立研究所 2001年10月
  13. 松岡理 「プルトニウム物語」
  14. Crooks, William J. (2002). Nuclear Criticality Safety Engineering Training Module 10 - Criticality Safety in Material Processing Operations, Part 1. Retrieved on 2006-02-15.
  15. Matlack, George: A Plutonium Primer: An Introduction to Plutonium Chemistry and It's Radioactivity (LA-UR-02-6594)
  16. National Academy of Sciences, Committee on International Security and Arms Control (1994). Management and Disposition of Excess Weapons Plutonium.
  17. Eileen Welsome, The Plutonium Files: America's Secret Medical Experiments in the Cold War (邦訳 プルトニウムファイル〈上〉〈下〉)

外部リンク 編集

テンプレート:Commons

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