Neptúnium

Sablon:Neptúnium/Táblázat A neptúnium a periódusos rendszer egyik kémiai eleme. Vegyjele Np, rendszáma 93. Az aktinoidák csoportjába tartozó, radioaktív fém, az első transzurán elem. Legstabilabb izotópja – a ²³⁷Np – atomreaktorokban és a plutónium előállításának melléktermékeként keletkezik, és felhasználható neutron érzékelők alkotóelemeként. Nyomnyi mennyiségű neptúnium – elemátalakulási reakciók révén – az uránércekben is előfordul.

Története

A 93-as elem felfedezésének legalább három téves bejelentése volt: a bohémium, 1934-ben az ausonium, majd 1939-ben a sequanium.

A neptúniumot 1940-ben fedezte fel Edwin McMillan és Philip H. Abelson a kaliforniai Berkeley városában. Az elem nevét a Neptunusz bolygóról kapta (ez az Uránusz – az urán névadója – után következő bolygó). A Walter Russell spirális elrendezésű periódusos rendszere által korábban megjósolt elemet a University of California Berkeley Radiation Laboratory-ban állították elő: uránt bombáztak lassú neutronokkal, melynek során a 2,4 nap felezési idejű ²³⁹Np izotóp keletkezett. Ez volt az első mesterségesen előállított transzurán elem.

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}\mathrm{+}{}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{1}}\mathrm{n}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}\mathrm{U}\underset{23perc}{\overset{{\beta }^{-}}{\to }}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}\mathrm{N}\mathrm{p}\underset{2,355nap}{\overset{{\beta }^{-}}{\to }}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}\mathrm{P}\mathrm{u}$

Előfordulása

Nyomnyi mennyiségű neptúnium – az uránércekben végbemenő elemátalakulási (transzmutációs) folyamatokból származó bomlástermékeként – a természetben is előfordul. A mesterséges ²³⁷Np-et – a plutónium előállítás melléktermékeként – leggyakrabban kimerült fűtőelemrudakból nyerik ki, és ²³⁷NpF₃ bárium vagy lítium gőzzel 1200 °C körüli hőmérsékleten végzett redukciójával állítják elő.

2 Sablon:Chem + 3 Ba → 2 Np + 3 Sablon:Chem

A kimerült fűtőelemrudak tömegének kb. 0,05%-a neptúnium-237, ami a bennük található plutónium mennyiségének kb. 5%-a.

Előállítása

Kémiailag a neptúniumfémet NpF₃ bárium vagy lítium gőzökkel mintegy 1200 °C-on végzett redukciójával állítják elő, a neptúnium legnagyobb részét ugyanakkor nukleáris reakciókban termelik:

• Amikor egy ²³⁵U mag befog egy neutront, akkor gerjesztett állapotú ²³⁶U-tá alakul. A gerjesztett ²³⁶U magok mintegy 81%-a maghasadást szenved, de a maradék gamma-sugárzással alapállapotba jut. További neutronbefogással ²³⁷U keletkezik, melynek felezési ideje 7 nap, így rövid idő alatt ²³⁷Np-re bomlik.

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}\mathrm{+}{}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{1}}\mathrm{n}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{6}\mathrm{m}}\mathrm{U}\underset{120ns}{\overset{}{\to }}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{6}}\mathrm{U}\mathrm{+}\mathrm{\gamma }$

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{6}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}\mathrm{+}{}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{1}}\mathrm{n}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{7}}\mathrm{U}\underset{6,75nap}{\overset{{\beta }^{-}}{\to }}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{7}}\mathrm{N}\mathrm{p}$

• ²³⁷U keletkezhet ²³⁸U-ból is (n,2n) folyamat révén. Ez a reakció csak nagyon gyors neutronok hatására megy végbe.
• A ²³⁷Np az ²⁴¹Am alfa-bomlásának terméke.

A neptúnium nehezebb izotópjai gyorsan elbomlanak, könnyebb izotópok pedig nem keletkezhetnek neutronbefogás révén, így a kihűlt fűtőelemrudakból kémiai elválasztással nyert neptúnium csaknem tiszta ²³⁷Np.

Tulajdonságai

Az ezüstös színű neptúniumfém kémiailag eléggé reakcióképes, és legalább három allotrop módosulatban fordul elő:

• α-neptúnium, ortorombos szerkezet, sűrűsége 20,45 g/cm³
• β-neptúnium (280 °C felett), tetragonális kristályrács, sűrűsége (313 °C-on) 19,36 g/cm³
• γ-neptúnium (577 °C felett), köbös rács, sűrűsége (600 °C-on) 18 g/cm³

Felhasználása

Plutónium-238 termelés prekurzora

A ²³⁷Np-ot neutronokkal besugározva állítják elő az alfa-sugárzó ²³⁸Pu-at, melyet az űrrepülésben és katonaságban alkalmazott radioizotópos termoelektromos generátorokban használnak. A ²³⁷Np egy neutron befogásával ²³⁸Np-cá alakul, mely két napos felezési idejű béta-bomlással ²³⁸Pu-cá alakul.

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{7}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p}\mathrm{+}{}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{1}}\mathrm{n}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}\mathrm{N}\mathrm{p}\underset{2,117nap}{\overset{{\beta }^{-}}{\to }}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}\mathrm{P}\mathrm{u}$

Nagy mennyiségű ²³⁸Pu van a kimerült fűtőelemrudakban is, de ezt el kellene választani a többi plutónium izotóptól.

Fegyverkénti alkalmazás

A neptúnium hasadóanyag, elméletileg fel lehet használni gyorsneutronos reaktorban vagy nukleáris fegyverben. 1992-ben az USA Energiaügyi Hivatala nyilvánosságra hozta azt a korábban titkosított információt, hogy a neptúnium-237 „felhasználható nukleáris robbanóeszköz céljára”. Nem valószínű, hogy neptúniumból valaha is készítettek volna tényleges fegyvert. Számítások szerint a kritikus tömeg 50–60 kg között lehet. 2009-es adatok szerint a világ polgári célú atomreaktorainak éves neptúnium-237 termelése több mint 1000 kritikus tömegnyi volt, de ennek az izotópnak a besugárzott fűtőelemrudakból történő kinyerése nagy kihívás lenne az ipar számára.

2002 szeptemberében a University of California Los Alamos National Laboratory kutatói létrehozták az első, neptúniumból és dúsított uránból (U-235) álló kritikus tömeget, és felfedezték, hogy a neptúnium kritikus tömege körülbelül 60 kg, ami azt jelenti, hogy „ugyanolyan jó robbanóanyag, mint az U-235”. Az Amerikai Egyesült Államok szövetségi kormánya 2004 márciusában terveket készített, hogy Amerika elválasztott neptúnium készletét átszállítsák egy nevadai nukleáris hulladék hasznosító telepre.

Egyéb

A ²³⁷Np-et felhasználják a nagy energiájú (MeV) neutronokat érzékelő eszközökben.

Jelentősége a nukleáris hulladékban

A neptúnium-237 a legnagyobb mozgékonyságú aktinoida a mélygeológiai tárolók környezetében, így ez az izotóp és anyaelemei, például az amerícium-241 nukleáris esélyesek elemátalakítási reakcióban történő megsemmisítésre. Az épületekben használt ionizációs kamra füstérzékelőkben – az ionizáló sugárforrásként használt (szokásosan) 0,2 mikrogramm amerícium-241 bomlása révén – felgyűlik a neptúnium. A füstérzékelőkben használt 432 év felezési idejű amerícium-241 22 év elteltével körülbelül 5%, 43 évesen mintegy 10% neptúniumot tartalmaz. 432 év elteltével a füstdetektor eredeti amerícium tartalmának a fele neptúniummá alakul.

Hosszú felezési ideje miatt 10 000 év múlva a teljes sugárzás döntő részét a neptúnium fogja adni. Mivel nem látható előre, hogy ilyen hosszú idő alatt mi történik az izotópot tartalmazó védőburkolattal, a neptúnium kinyerése minimalizálná a környezet szennyezését a radioaktív hulladék esetleges (több száz év múlva bekövetkező) mobilizálódása esetén.

Izotópjai

A neptúniumnak 19 radioaktív izotópját jellemezték, közülük a legstabilabb a 2,14 millió év felezési idejű ²³⁷Np, a 154 000 éves felezési idővel rendelkező ²³⁶Np és a 396,1 napos felezési idejű ²³⁵Np. A többi izotóp felezési ideje nem haladja meg a 4,5 napot, a többségé pedig 50 percnél is kevesebb. A neptúniumnak 4 metastabil állapota ismert, ezek közül a legstabilabb a ^236mNp (t_½ 22,5 óra).

A neptúnium izotópok atomtömege 225,0339 u (²²⁵Np) és 244,068 u (²⁴⁴Np) közötti tartományba esik. A legstabilabb – ²³⁷Np – izotópnál könnyebbek elsősorban elektronbefogással bomlanak, a bomlás terméke uránizotóp (de néhány alfa-bomló izotóp is van, ezek protaktíniummá alakulnak). A nehezebb izotópok főként béta-bomlók, a fő bomlástermék a plutónium.

A ²³⁷Np atommagja hasadásra képes. A szokásos nehéz atommagok többségétől eltérően a ²³⁷Np bomlási sorának végső terméke nem az ólom valamely izotópja, hanem a bizmut-209. Ezt a bomlási sor neptúnium sornak hívják.

Vegyületei

A neptúnium oldatban négy oxidációs állapotban képez ionokat:

• Np³⁺ (halvány bíbor színű), a Pm³⁺ ritkaföldfém ionnal analóg
• Np⁴⁺ (sárgászöld)
• NpO₂⁺ (zöldeskék)
• NpO₂²⁺ (halvány rózsaszín)

A neptúnium tri- és tetrahalogenideket – például NpF₃, NpF₄, NpCl₄, NpBr₃, NpI₃, valamint különböző összetételű, az urán-oxigén rendszerben találhatóhoz hasonló oxidokat – például Np₃O₈ és NpO₂ – képez.

A neptúnium(V)-fluorid (NpF₅) az urán-hexafluoridhoz hasonlóan illékony.

A többi aktinoidához hasonlóan a neptúnium is könnyen képez dioxid alapú neptunil magot (NpO₂), mely karbonáttal és más oxigéntartalmú részecskékkel (OH^–, NO₂^–, NO₃^– és Sablon:Chem) könnyen képez töltéssel rendelkező komplexet. Ezek mozgékonysága többnyire elég nagy, és kevéssé kötődnek meg a talajban.

• [NpO₂(OH)₂]^–
• [NpO₂(CO₃)]^–
• [NpO₂(CO₃)₂]^3–
• [NpO₂(CO₃)₃]^5–

Fordítás

• Sablon:Fordítás

További információk

• WebElements.com – Neptunium (angolul, hivatkozásként is szerepel)
• Lab builds world's first neptunium sphere Sablon:Wayback, U.S. Department of Energy Research News (angolul)
• NLM Hazardous Substances Databank – Neptunium, Radioactive (angolul)
• Neptunium: Human Health Fact Sheet Sablon:Wayback (angolul)
• C&EN: It's Elemental: The Periodic Table – Neptunium (angolul)