Про торий
Добрый день, уважаемые читатели. Сегодня мы поговорим с вами о таком химическом элементе как торий, некоторых его свойствах и применении.
Итак, торий — это химический элемент 3-й группы седьмого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (по устаревшей классификации — третьей группы побочной подгруппы). Атомный номер — 90. Относится к семейству актиноидов. Своё название торий получил в честь бога грома из скандинавской мифологии — Тора.
Физически торий представляет из себя мягкий, ковкий радиоактивный металл серебристо-белого цвета. Температура плавления — 1754 градуса Цельсия, температура кипения — 4786 градусов Цельсия, плотность — 11,78 г/см³. Внешний вид тория представлен на рисунке ниже.
На момент 2012 года было известно 30 изотопов тория. Тем не менее практически весь природный торий состоит из одного изотопа — тория-232 т.к. он обладает достаточно большим периодом полураспада (около 14 миллиардов лет). Наиболее долгоживущими изотопами помимо тория-232 являются следующие: торий-230 (период полураспада 75 380 лет), торий-229 (период полураспада 7340 лет) и торий-228 (период полураспада 1.91 года).
В целом торий находит относительно широкое применение в науке и технике. Так, например, ещё совсем недавно торий массово применялся при производстве электровакуумных приборов (при изготовлении торированных катодов — для повышения эмиссионной способности); добавка 0.8-1% оксида тория к вольфраму в нитях ламп накаливания ощутимо повышает их срок службы; добавка 1-2% тория к вольфраму в сварочных электродах повышает стабильность горения электрической дуги; до сих пор выпускаются газокалильные сетки, содержащие оксид тория; металлический торий применяется в качестве геттера (газопоглотителя); иногда торий используется в качестве легирующей добавки к лёгким металлам (например, магнию) для повышения их жаропрочности и т.д.
Использование тория-232 в энергетике несколько затруднено т.к. он является чётно-чётным изотопом (чётное число протонов и четное число нейтронов) и не способен напрямую делиться тепловыми нейтронами и быть ядерным горючим. При захвате же теплового нейтрона торий-232 через цепочку превращений переходит в уран-233, который является основой уран-ториевого топливного цикла.
Сам же торий-232 распадается по следующей схеме:
Претерпевая цепочку альфа-распадов и бета-распадов торий-232 в итоге распадается до стабильного свинца-208. При этом вековое равновесие в ряду тория-232 наступает достаточно быстро — примерно за 50-60 лет т.к. периоды полураспада всех членов ряда (за исключением родительского) не превышают нескольких лет (наибольший период полураспада у Радия-228 — 5.7 лет).
Но может ли нам где-то попасться торий в каком-то виде в домашних условиях? — оказывается вполне может. Некоторые из применений тория мы уже рассматривали выше. В качестве наглядного примера рассмотрим только один образец: медальон из ториевого стекла. Внешний вид медальона представлен в подборке фото ниже.
Хорошо видно, что при освещении УФ-лампой ториевое стекло имеет слабую флуоресценцию. Характер флуоресценции похож на таковую у уранового стекла. С некоторой вероятностью данное слабое свечение связано с небольшими примесями урана в стекле (информацию о флуоресценции ториевого стекла в общедоступных источниках мне найти не удалось. Что бы достоверно установить причину нужен хороший спектрометр).
Но безопасны ли такие образцы в принципе? — что бы ответить на данный вопрос проведём ряд измерений. Для проведения измерений будем использовать дозиметр-радиометр МКС-01СА1М.
В подборке фото ниже на первом фото показан естественный фон в квартире по гамме в мкЗв/час, а на втором фото — уровень фона по гамме возле медальона вплотную в мкЗв/час (фактически это сумма гамма-излучения от медальона и фонового гамма-излучения). Измерение уровня гамма-излучения производится с закрытым гамма-фильтром.
Хорошо видно, что уровень гамма-излучения возле медальона значительно выше фонового. Фактически, уровень гамма-излучения от медальона равен разнице показаний, что соответствует 1.15 мкЗв/час. Допустимым уровнем гамма-излучения считается уровень не более 0.3 мкЗв/ч. Таким образом имеем превышение по гамма-излучению грубо в 3.8 раза.
Но что же является основным источником гамма-излучения в ториевом стекле? Согласно литературным данным, основной вклад в гамма-излучение в ряде тория вносят Актиний-228, Свинец-212 и Таллий-208, являющиеся дочерними продуктами распада (ДПР).
Основные характеристики распада актиния-228, а также спектр гамма-излучения представлены в подборке фото ниже (данные взяты из базы данных JANIS).
Хорошо видно, что с вероятностью 26.2% при распаде актиния-228 выделяется гамма-квант с энергией грубо равной 911 кэВ, а с вероятностью 15.9% — 968 кэВ. Это уже ощутимая энергия, но давайте посмотрим какова ситуация с остальными двумя ДПР.
Основные характеристики распада свинца-212, а также спектр гамма-излучения представлены в подборке фото ниже (данные взяты из базы данных JANIS).
Хорошо видно, что с вероятностью 43.6% при распаде свинца-212 выделяется гамма-квант с энергией грубо равной 238 кэВ, что ощутимо меньше энергии гамма-квантов при распаде актиния-228.
Основные характеристики распада таллия-208, а также спектр гамма-излучения представлены в подборке фото ниже (данные взяты из базы данных JANIS).
Хорошо видно, что с вероятностью 99.7% при распаде таллия-208 выделяется гамма-квант с энергией грубо равной 2.6 МэВ… …и это достаточно большая энергия. Самая большая среди приведённых ДПР. Такие гамма-кванты должны обладать хорошей проникающей способностью.
Давайте проведём пару экспериментов и проверим это?
В подборке фото ниже на первом фото показан уровень фона по гамме возле медальона вплотную в мкЗв/час с закрытым гамма-фильтром и дополнительным стальным листом толщиной 1 мм; а на втором фото — ещё с одним дополнительным стальным листом толщиной 1.5 мм (т.е. суммарная толщина равна 2.5 мм).
Хорошо видно, что уровень гамма-излучения возле медальона через дополнительные стальные листы несколько снизился, но тем не менее, даже закрытого гамма фильтра и 2.5 мм стали недостаточно для полноценного экранирования. Наиболее вероятно отсеклось только гамма-излучение свинца-212 с энергией 238 кэВ. В принципе это ожидаемый результат, учитывая энергию гамма-квантов таллия-208. И как же хорошо, что в ториевом стекле самого тория микроскопические количества.
Ну что же, с гамма-излучением вроде разобрались, идем дальше…
В подборке фото ниже на первом фото показан фон по бете (плотность потока бета-частиц) от медальона с закрытым гамма-фильтром, а на втором — с открытым гамма-фильтром, но через 2 толстых листа бумаги.
Фактически первое измерение — это ни что иное как сумма фонового гамма-излучения и гамма-излучения медальона. Второе измерение — это сумма фонового гамма-излучения, гамма-излучения образца, фонового бета-излучения и бета-излучения образца. Таким образом, фон по бете (плотность потока бета частиц) будет равен разности показаний двух измерений т.е. примерно 295 частиц/(мин*см²). При этом фоновой плотностью потока бета-частиц можно пренебречь и условно считать, что все бета-частицы испускает медальон.
Допустимой плотностью потока бета-частиц считается 20 частиц/(мин*см²) т.е. имеем грубо превышение в 15 раз вплотную.
Ну что же, гамма-излучение и плотность потока бета-частиц мы уже рассмотрели — осталось рассмотреть только плотность потока альфа-частиц.
Вообще у альфа-частиц достаточно низкая проникающая способность. Если взять альфа-частицы с энергией 10 МэВ, то длина пробега такой частицы в воздухе всего 10 см, в биологической ткани — 0.1-0.2 мм, в алюминии около 0.07 мм… Все ДПР в ряду тория-232 не дают при распаде альфа-частиц с энергиями выше примерно 9 МэВ. Таким образом, учитывая микроскопическое количество тория в стекле все альфа-частицы должны быть задержаны самим стеклом и не вылетать наружу (так было, например, при измерении альфа-излучения от уранового стекла) т.к. торий находится в объёме стекла, а его доля у поверхности практически стремится к нулю. Это с одной стороны.
А с другой стороны, всё же энергии практически в 9 МэВ может и хватить в случае со стеклом (в ранее рассмотренном урановом стекле был использован при производстве очищенный уран, у которого энергия альфа-частиц лежит в районе 4 МэВ, что более чем в 2 раза ниже. Но этой энергии было не достаточно. А ДПР там практически отсутствовали из-за длительного времени установления векового равновесия).
Давайте проверять как обстоит дело в реальности…
В подборке фото ниже на первом фото показан фон по альфе (плотность потока альфа-частиц) от медальона с открытым гамма-фильтром через 2 толстых листа бумаги, а на втором — с открытым гамма-фильтром без листов бумаги.
Фактически первое измерение — это ни что иное как сумма фонового гамма-излучения, гамма-излучения медальона, фонового бета-излучения и бета-излучения медальона. Второе измерение — это сумма фонового гамма-излучения, гамма-излучения образца, фонового бета-излучения, бета-излучения образца, фонового альфа-излучения и альфа-излучения образца.
Таким образом, фон по альфе (плотность потока альфа-частиц) будет равен разности показаний двух измерений т.е. примерно 353 частицы/(мин*см²). При этом фоновой плотностью потока альфа-частиц и бета-частиц можно пренебречь и условно считать, что все альфа-частицы и бета-частицы испускает медальон.
Интересный результат. Видимо всё же какой-то части альфа-частиц от ДПР тория-232 достаточно энергии для преодоления слоя стекла.
В общем, думаю результаты измерений получились достаточно наглядными — я бы точно не стал на себе носить подобный медальон, хотя он и не представляет какой-то катастрофической опасности для жизни и здоровья.
А на этом на сегодня всё. Спасибо, что дочитали до конца!