2011年9月8日木曜日

Caesium-137

Caesium-137

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Caesium-137
General
Name, symbolCaesium-137,137Cs
Neutrons82
Protons55
Nuclide data
Natural abundance0 (artificial element)
Half-life30.17 y[1] ± 0.03 y
Parent isotopes137Xe (β−)
Decay products137mBa
Isotope mass136.907 u
Spin11⁄2−
Decay modeDecay energy
beta, gamma1.176 [2] MeV
Cs-137 Decay Scheme
Chain yield, % per fission[3]

ThermalFast14 MeV
232Thnot fissile6.30 ± 0.306.29 ± 0.99
233U6.21 ± 0.226.51 ± 0.315.06 ± 0.43
235U6.221 ± 0.0695.889 ± 0.0965.6 ± 1.3
238Unot fissile6.02 ± 0.155.62 ± 0.68
239Pu6.594 ± 0.0806.36 ± 0.12 ?
241Pu6.28 ± 0.146.37 ± 0.18 ?
Radio-cesium, Caesium-137 (137
55
Cs
, Cs-137), or cesium-137, is a radioactive isotope ofcaesium which is formed as a fission product by nuclear fission.

Contents

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[edit]Decay

It has a half-life of about 30.17 years,[1] and decays by beta emission to a metastablenuclear isomer of barium-137: barium-137m (137mBa, Ba-137m). (About 95 percent of the nuclear decay leads to this isomer. The other 5.0 percent directly populates the ground state, which is stable.) Ba-137m has a half-life of about 153 seconds, and it is responsible for all of the emissions of gamma rays. One gram of caesium-137 has anactivity of 3.215 terabecquerel (TBq).[4]
The photon energy of Ba-137m is 662 keV. These photons can be useful infood irradiation and in the radiotherapyof cancer. Caesium-137 is not widely-used for industrial radiography because it is quite chemically reactive, and hence, difficult to handle. Also the salts of caesium are very soluble in water, and this complicates the safe handling of caesium. Cobalt-60, 60
27
Co
, is preferred for radiography, since it is chemically a rather nonreactive metal offering higher energy gamma-ray photons. Caesium-137 can be found in some moisture and density gauges, flow meters, and related sensors.

[edit]Uses

Caesium-137 has a small number of practical uses. In small amounts, it is used to calibrate radiation-detection equipment. It is used as a gamma emitter for oilfield wireline density measurements. It is also sometimes used in cancer treatment, and it is also used industrially in gauges for measuring liquid flows and the thickness of materials.[5]

[edit]Radioactive caesium in the environment

The ten highest deposits of caesium-137 from U.S. nuclear testing at theNevada Test Site. Test explosions "Simon" and "Harry" were both fromOperation Upshot-Knothole in 1953, while the test explosions "George" and "How" were from Operation Tumbler-Snapper in 1952
Cs-137 γ-spectrum: 661.7 keV γ- and 32 keV Ba K-lines.
Small amounts of caesium-134 and caesium-137 were released into the environment during nearly allnuclear weapon tests and some nuclear accidents, most notably the Chernobyl disaster. As of 2005, caesium-137 is the principal source of radiation in the zone of alienation around the Chernobyl nuclear power plant. Together with caesium-134, iodine-131, and strontium-90, caesium-137 was among the isotopes, distributed by the reactor explosion, which constitute the greatest risk to health.
As of April 2011, it was also being found after theFukushima Daiichi nuclear disasters in Japan. In July 2011, meat from 11 cows shipped to Tokyo from Fukushima prefecture was found to have 1,530 to 3,200 Bq/kg of Cs-137, considerably exceeding the Japanese legal limit of 500 becquerels.[6] In Scandinavia, some reindeer and sheep exceeded the Norwegian legal limit (3000 Bq/kg), 26 years after Chernobyl.[7]
The mean contamination of caesium-137 in Germany following the Chernobyl disaster was 2000 to 4000 Bq/m2. This corresponds to a contamination of 1 mg/km2 of caesium-137, totaling about 500 grams deposited over all of Germany.[citation needed]
Caesium-137 in the environment is anthropogenic (man-made). Unlike most other radioisotopes, caesium-137 is not produced from its non-radioactive isotope but as a byproduct of nuclear fission,[8] meaning that until now, it has not occurred on Earth for billions of years. By observing the characteristic gamma rays emitted by this isotope, it is possible to determine whether the contents of a given sealed container were made before or after the advent of atomic bomb explosions. This procedure has been used by researchers to check the authenticity of certain rare wines, most notably the purported "Jefferson bottles". [9] It is also possible to date soils and sediments, given the short life of Cs137 across the Earth's entire surface.

[edit]Health risk of radioactive caesium

ActinidesHalf-lifeFission products
244Cm241Pu f250Cf243Cmf10–30 y137Cs90Sr85Kr
232U  f
238Puf is for
fissile
69–90 y

151Sm nc➔
4n249Cf  f242Amf141–351 yNo fission product
has half-life 102
to 2×105 years
241Am
251Cf  f431–898 y
240Pu229Th246Cm243Am5–7 ky
4n245Cmf250Cm239Pu f8–24 ky
233U    f230Th231Pa32–160 ky
4n+1234U4n+3211–290 ky99Tc
126Sn79Se
248Cm242Pu340–373 kyLong-lived fission products

237Np4n+21–2 My93Zr135Cs nc➔
236U4n+1247Cmf6–23 My
107Pd129I
244Pu
80 My>7%>5%>1%>.1%
232Th238U235U    f0.7–12 Gyfission product yield
Caesium-137 reacts with water producing a water-soluble compound (caesium hydroxide), and the biological behavior of caesium is similar to that of potassium and rubidium. After entering the body, caesium gets more or less uniformly distributed throughout the body, with higher concentration in muscle tissues and lower in bones. The biological half-life of caesium is rather short at about 70 days.[10] Experiments with dogs showed that a single dose of 3800 μCi/kg (140 MBq/kg, or approximately 44 μg/kg) is lethal within three weeks.[11]
Accidental ingestion of caesium-137 can be treated with Prussian blue, which binds to it chemically and reduces the biological half-life to 30 days.[12]

[edit]Incidents

The improper handling of caesium-137 gamma ray sources can lead to release of this radioisotope and radiation injuries. Perhaps the best-known case is the Goiânia accident of 1985, in which an improperly-disposed-of radiation therapy system from an abandoned clinic in the city of Goiânia, Brazil, was scavenged from a junkyard, and the glowing caesium salt sold to curious, uneducated buyers. This led to four deaths and serious injuries from radiation exposure.[13]
Caesium gamma-ray sources that have been encased in metallic housings can be mixed-in with scrap metal on its way to smelters, resulting in production of steel contaminated with radioactivity.[14]
One notable example was the Acerinox accident of 1998, when the Spanish recycling company Acerinox accidentally melted down a mass of radioactive caesium-137 that came from a gamma-ray generator.[15]
In 2009, a Chinese cement company (in Tongchuan, Shaanxi Province) was demolishing an old, unused cement plant and did not follow standards for handling radioactive materials. This caused some caesium-137 from a measuring instrument to be included with eight truckloads of scrap metal on its way to a steel mill, where the radioactive caesium was melted down into the steel.[16]

[edit]See also

Medium-lived
fission products
Prop:
Unit:
t½
a
Yield
%
Q *
keV
βγ
*
155Eu4.76.0803252βγ
85Kr10.76.2180687βγ
113mCd14.1.0008316β
90Sr28.94.5052826β
137Cs30.236.3371176βγ
121mSn43.9.00005390βγ
151Sm90.531477β

[edit]References

  1. ^ a b National Institute of Standards and Technology. "Radionuclide Half-Life Measurements". Retrieved 2011-11-07.
  2. ^ The Lund/LBNL Nuclear Data Search. "Nuclide Table". Retrieved 2009-03-14.
  3. ^ http://www-nds.iaea.org/sgnucdat/c1.htm Chain Fission Yields, IAEA
  4. ^ "NIST Nuclide Half-Life Measurements". NIST. Retrieved 13 March 2011.
  5. ^ http://www.bt.cdc.gov/radiation/isotopes/cesium.asp
  6. ^ "High levels of caesium in Fukushima beef". Independent Online. 9 July 2011.
  7. ^ Michael Sandelson; Lyndsey Smith (21st May, 2012). "Higher radiation in Jotunheimen than first believed". The Foreigner. Retrieved 2012-05-21.
  8. ^ Takeshi Okumura (October 21, 2003). "The material flow of radioactive cesium-137 in the U.S. 2000". http://www.epa.gov/. US Environmental Protection Agency.
  9. ^ http://www.winespectator.com/webfeature/show/id/42436
  10. ^ R. Nave. "Biological Half-life". Hyperphysics.
  11. ^ H.C. Redman et al. (1972). "Toxicity of 137-CsCl in the Beagle. Early Biological Effects". Radiation Research 50 (3): 629–648.DOI:10.2307/3573559. JSTOR 3573559. PMID 5030090.
  12. ^ http://www.bt.cdc.gov/radiation/prussianblue.asp
  13. ^ The Radiological Accident in Goiânia. IAEA. 1988.
  14. ^ "Radioactive Scrap Metal". NuclearPolicy.com. Nuclear Free Local Authorities. October 2000.
  15. ^ J.M. LaForge (1999). "Radioactive Caesium Spill Cooks Europe". Earth Island Journal (Earth Island Institute) 14 (1).
  16. ^ "Chinese 'find' radioactive ball". BBC News. 27 March 2009.

[edit]External links



2011年9月1日木曜日

環境中の放射性セシウム

環境中の放射性セシウム [編集]

セシウム137のγスペクトル:660 keV γ- と 30 keV Ba Kα線
ネバダ核実験場でのアメリカの核実験後での堆積物のうち、最もセシウム137が含まれていた10回の爆発。SimonとHarryという爆発実験は1953年のアップショット・ノットホール作戦のもので、GeorgeとHowは1952年のタンブラー・スナッパー作戦のものである。
現在環境中に存在しているセシウム137などの多くは、1940年代〜1960年代の核実験や核事故で放出された。ただしセシウム134は、半減期の関係で数十年前に放出されたものは殆ど残っていない。1960年代前半に日本人は1日に1 Bq以上を摂取していたと推定されている。チェルノブイリ原子力発電所事故も例外ではなく、2005年現在、セシウム137はチェルノブイリ原子力発電所周辺の放射線汚染地域での、主な放射線源である。原子炉がメルトダウンしたとき、セシウム134、ヨウ素131、ストロンチウム90、プルトニウムとともに、セシウム137は健康への影響が最も大きい同位体の1つである。
チェルノブイリ事故以後のドイツ全土について平均してみると、セシウム137による汚染は、平均で2000-4000 Bq/m2となっている。これは1 mg/km2に相当し、500 gのセシウム137がドイツ全土にばらまかれたことになる。
セシウム137は人為的に生成された核種である。極めて低い確率で起こる天然ウランの自発核分裂で痕跡量が生成する程度である。他の大半の放射性同位体は安定同位体から生成され得るのに対し,セシウム137はウランから生成される。そのため核実験が 始まる以前には自然環境中に殆ど存在していなかった。この同位体から放出される特性γ線を観測することにより、密封容器の内容物が核実験の幕開け以前に製 造されたものかどうか判別することができる。この手順は、高級ワインが偽物であるかどうかの鑑定のため、特に「ジェファーソン・ボトル」事件などで用いら れた。
ウラン235の熱中性子核分裂において直接生成する場合の核分裂収率は、 セシウム137は0.06 %に過ぎないが、ヨウ素137(半減期24.5秒)は2.6 %、キセノン137(半減期3.82分)は3.2 %生成し、そ の他テルル137(半減期2.5分、0.39 %)なども含めて、これら短寿命核種がベータ崩壊してセシウム137となるため、累積の核分裂収率は 6.2 %となる[4]。

海洋中の分布 [編集]

海洋中では水深約200 m付近にある水温躍層(温度変化の急激な変化点)より浅い海域に多く存在し、濃度は比較的均一である。つまり、水温躍層が一種のバリヤ的機能を果たしている。生物濃縮により魚食性の高い魚種での高い濃縮度を示すデータが得られている[5]。

放射性セシウムの危険性 [編集]

アクチノイドと、その核分裂生成物
崩壊系列 半減期(年) 核分裂収率
4n 4n+1 4n+2 4n+3 >7% >5% >1% >0.1%
244Cm 241Pu 250Cf 243Cm 10~30 137Cs 90Sr 85Kr
232U
238Pu
60~90

151Sm

249Cf 242Am
100~400

241Am
251Cf 400~900
240Pu 229Th 246Cm 243Am 5~7千

245Cm 250Cm 239Pu 8千~3万

233U 230Th 231Pa 3万~16万


234U
20~30万 99Tc
126Sn 79Se
248Cm
242Pu
30~40万 この7核種が長寿命核分裂生成物

237Np

1~2百万 93Zr 135Cs

236U

247Cm 6百万~3千万
107Pd 129I
244Pu


8千万
232Th
238U 235U 7~140億
太字の核種は核分裂性
太字の核種は中性子毒
セシウム137に限らず、セシウムの化合物は多くが水溶性であり、生体内での振る舞いはカリウムやルビジウムに似ている。体内に入るとセシウムは体中に分配され、ベータ線による内部被ばくを起こす。濃度は骨組織で低く、筋組織で高い。生体内での半減期は70日以下であるという報告もあるが[6]、100-200日と言われることが一般的である。犬を使った実験では、3800 µCi/kg(ベクレルに換算すると 1.4×108 Bq/kg、約44 µg/kgのセシウム137、人間の実効線量で換算すれば1.82 Sv/kg)を服用したものは3週間以内に死亡した[7]。
事故でセシウム137を摂取してしまった場合、プルシアンブルーで治療される。これはセシウムやカリウムに結合し、体外への排出を促進する[8]。

生体に対する影響 [編集]

経口で10000 Bqを摂取した時の実効線量は0.13 mSvとされ、1 mの距離に1.00 MBqの線源があった場合、ガンマ線によって1日に1.9 µSvの外部被曝を受ける[9]。
世界保健機関 (WHO) の飲料水中の放射性核種のガイダンスレベルは、平常時の値は10 Bq/Lで原子力危機時の誘導介入レベル(介入レベルを超えないように環境汚染物質や汚染食品の摂取、流通を制限するため、二次的に設定される制限レベル、「暫定規制値」とも言う)であり、国際原子力機関は介入レベル(敷地外の一般公衆が過度の被ばくを生ずる恐れのある場合は、実行可能な限り被ばく低減のための対策をとることが必要となるため、その判断の基礎となる線量)を3,000 Bq/Lとしているが平常時の値や誘導介入レベルは定めていない[10]。日本では一定の基準は無く WHO の基準相当[11]を守っていた。しかし2011年東北地方太平洋沖地震における福島第一原子力発電所事故の影響から、放射性セシウムの飲料水中及び牛乳・乳製品中の暫定規制値を WHO 基準の20倍以上に相当する200 Bq/kgと定めた[12][13]。

生物濃縮 [編集]

詳細は「セシウム#生物濃縮」を参照

事故例 [編集]

一般に、放射性物質を不適切に管理すると、外部へ持ち出される恐れがある。その際に一般市民が被曝した事故としてゴイアニア被曝事故がある。
また、原料に混入すると、放射性物質を含む製品を生産することになる。アセリノックス事故(英語)では、スペインのアセリノックスというリサイクル会社が、γ線発生器のセシウム137を溶融してしまった[14][15]。 2009年には、中国陝西省のセメント会社が、古い使われていないセメント工場を取り壊し、放射性物質取り扱いの基準に則らなかった。それにより測定機器 に使われていたセシウム137が、トラック8台分の金属片とともに製鉄所に送られた。そうして、放射性セシウムが鋼鉄に混入することになった[16]。