2011/05/06

【3月・4月末報告版】高崎に設置されたCTBT放射性核種探知観測所における放射性核種探知状況/核分裂についての解説

CTBTによる3末・4末の報告書がWEB上に掲載されていたので転載。
(尚、以下のファイルは掲載上の制約からPDFからJPGへ変換を行ったもの))

以下の報告によると、3月15日(火曜日)・20日(日曜日)(ヨウ素は22日(火曜日)まで)に相当量(13日以降平常時の1,000倍前後(オーダー))の放射性物質(セシウム・ヨウ素・テルル(・テクネチウム))が観測されていることが判る。

観測点が高崎のため、どのような経路、時間で物質がたどり着き観測されたか詳細は不明であるが、上記前後で福島第一原発になんかの異変が起こっていたと考えられる。

尚、本報告ではウランの核分裂反応により生成されると物質のうち、健康被害の強いストロンチウム(ストロンチウム90)やジルコニウムについては計測されていないが、以下の収率表を勘案するに、相当量が飛散しているものと考えられるので、ストロンチウム90が揮発性化合物を作りにくく、原発事故で放出される量はセシウム137と比較すると少ないとはいえ、注意が必要と思われる。

よって今後、ストロンチウムの追跡調査を広範囲に渡って行い、拡散状況について公表するべきではないかと思われる。

>>1.核分裂について

地球上で採掘されるウランには、核分裂を起こしやすいウラン235と、そうでないウラン234、ウラン238が含まれる。一般にウラン鉱山では,ウランを含む鉱石を採掘した後に粉砕し,化学処理によってウランを分離する。分離した後の残渣は tailing と呼ばれ,ウラン抽出後に残った化学薬品や溶液とともに粉砕製錬した鉱石が含まれる。残渣中にはラジウムをはじめ多くの放射性物質が含まれており,このような残渣物を野外に放置したままにしておくと,放射性物質が風雨や地下への浸透によって流出・飛散することも考えられる。
ウラン235に中性子を一つ吸収させると、ウラン原子は不安定になり、二つの原子核と幾つかの高速中性子に分裂する。代表的な核分裂反応としては下記のようなものがある。




実際の原子核の質量は一般に陽子と中性子の質量の総和よりも小さい。この質量差を質量欠損と呼ぶ。質量欠損の実体は、原子核内部の核子の結合エネルギーに他ならない。よって、分裂前と分裂後の質量の差は結合エネルギーの差であり、核分裂を起こすとこの質量の差に相当するエネルギーが外部に放出される。
ウランの核分裂反応で放出されるエネルギーはウラン原子一つあたり約200MeVとなり、ジュールJに換算すると3.2×10-11Jとなる。1グラムのウラン235の中には、2.56×1021個の原子核を含むので、1グラムのウラン235が全て核分裂を起こすとおよそ8.2×1010Jのエネルギーが生まれる事になる。
このウラン235は、天然ウランに0.72%、原子炉で使用するウラン燃料に3%-5%(所謂劣化ウラン)、原子爆弾に使用する高濃縮ウランには90%以上がそれぞれ含まれている。

核分裂の過程で原子核が分裂してできた核種を核分裂生成物という。核分裂生成物がどの核種になるかはある確率で決まるが、この確率を収率という。核分裂する核種によって異なる収率分布をもっているので、核分裂生成物を分析すれば核反応を起こした核種が判る。核分裂生成物は様々な核種の混合物であるが、総じて陽子数と中性子数との均衡を欠いており放射能を持つ。これらの放射性同位体は、陽子と中性子の均衡が保てるところまで放射壊変(主にベータ崩壊)を繰り返す。
これらの崩壊速度は様々で、数秒から数ヶ月でほぼ崩壊しつくす短寿命の核種、100年単位の中寿命の核種、そして半減期すら20万年を超える長寿命の核種がある。 短・中寿命核種は盛んに放射線を放って崩壊するため少量でも放射能が大きく、例えば1945年に原子爆弾で攻撃された広島市と長崎市では、被爆者だけでなく家族や知人の行方を捜すため爆心地周辺に後日立ち入った人々が重篤な放射線障害を受けている。
一方、長寿命核種は放射能は小さいが、原子炉の使用済み核燃料のように大量に存在すると、人間社会の尺度では半永久的に放射線を放ち続けるやっかいな廃棄物となり、半減期の数倍から数十倍(つまり100万年単位)の期間、厳重に遮蔽して保管し続けなければならない。

ウラン235の核分裂によるおもな核分裂生成物は以下の通り。



<参考・アクチノイドとその核分裂生成物>
>>2.良く報道される化学物質について

◆セシウム(Cs)


セシウム (英: caesium) は原子番号55の元素で、元素記号は Cs である。軟らかく、黄色がかった銀色のアルカリ金属である。融点は28 °Cで、常温付近で液体状態をとる5つの金属元素のうちの1つ。
セシウムの化学的・物理的性質は、他のアルカリ金属のルビジウムやカリウムと似ている。この金属は水と-116 °Cで反応するほど反応性に富み、自然発火する。安定同位体を持つ元素の中で、最小の電気陰性度を持つ。
セシウムの安定同位体はセシウム133のみである。セシウムのほとんどはポルックス石(英語)(ポルサイト)から得られるが、セシウム137などの放射性同位体は原子炉の廃棄物から抽出される。

セシウム(Cs)は少なくとも39種類の同位体を持つ。

133Cs:唯一天然に生成し、また唯一の安定同位体である。核分裂反応によっても作られる。

134Cs:半減期が2年で、133Csの中性子捕獲によって作られる。

135Cs:半減期が230万年で、7つある長寿命核分裂生成物の1つ。多くの原子炉では、前駆体の135Xeが極めて強い核毒物であるため生成が抑えられるか、または135Csに崩壊する前に安定な136Xeに変換される。

137Cs:半減期が30.17年で、90Srとともに2つの主要な中寿命核分裂生成物の1つである。使用後数百年間の使用済み核燃料中の放射能の大部分を占める。また、チェルノブイリ原子力発電所事故から放出された放射性物質の大部分であった。137Csは短寿命の核異性体である137mBaにベータ崩壊し、すぐに非放射性の137Baにガンマ崩壊する。137Csは中性子捕獲はめったに行わない。137Csはトリチウムの代わりに、水文学の実験のトレーサーとして使われることがある。137Csは塩化セシウムの形で放射線治療の放射線源として用いられる。

その他の同位体は数日から1秒程度の半減期を持つ。

核分裂により生成するほぼ全てのセシウムは、より中性子の多い原子から、ヨウ素の同位体かキセノンの同位体を経由して、ベータ崩壊により生成される。これらの元素は揮発性で核燃料中や大気中に分散するので、セシウムはしばしば遠く離れた場所でも観測される。
核実験が始まった1945年初頭から、セシウムの同位体は大気中に放出され、液体に溶けたり、放射性降下物として湖底や地層に積もったりするようになった。この地層中に堆積したセシウムなどを検出し堆積速度の[1]計算に用いられることがある。
標準原子量は132.9054519(2) u。

◆ヨウ素(I)

ヨウ素 (ヨウそ、沃素。英: iodine、英語発音: /ˈaiəˌdain/ アイアダイン、/ˈaiəˌdiːn/ アイアディーン) は原子番号 53 の元素。元素記号は I。あるいは分子式が I2 と表される二原子分子であるヨウ素の単体の呼称。
ハロゲン元素の一つ。ヨード (沃度) ともいう。融点は113.6 °Cであるが、昇華性がある。固体の結晶構造は紫黒色の斜方晶で、反応性は塩素、臭素より弱い。水にはあまり溶けないが、ヨウ化カリウム水溶液にはよく溶ける。これは下式のように、ヨウ化物イオンとの反応が起こることによる。
I− + I2 → I3−
単体のヨウ素は、毒劇法により医薬用外劇物に指定されている。

ヨウ素(I)の同位体は37種類が知られ、127Iのみが安定である。
129Iは多くの点で36Clと類似している。可溶性のハロゲンであり、ほぼ反応性がなく、主に吸着性のアニオンとして存在し、宇宙線と地球表面との相互作用によって生じる。ハロゲンの研究では、ヨウ素全体に対する129Iは常に報告される。36Cl/Clと比べ、129I/Iは極めて小さく、10-14から10-10である。一方、36Clと異なる点は、半減期が30万1000年に対して1570万年と長いこと、生体親和性が高いこと、I-やIO33-等、複数のイオンの形で存在することである。このことから、129Iは植物、土壌、ミルク、動物組織等の生物圏に組み込まれている。
標準原子量は126.90447(3) u。

◆ストロンチウム(Sr)


ストロンチウム (Strontium)は原子番号38の元素で、元素記号はSrである。軟らかく銀白色のアルカリ土類金属で、化学反応性が高い。空気にさらされると、表面が黄味を帯びてくる。天然には天青石やストロンチアン石などの鉱物中に存在する。放射性同位体の90/38Srは放射性降下物に含まれ、その半減期は28.90年である。ストロンチウムやストロンチアン石といった名は、最初に発見された場所であるストロンチアンというスコットランドの村に因んでいる。

常温、常圧で安定な結晶構造は、面心立方構造(FCC、α-Sr)。銀白色の金属で、比重は 2.63、融点は 777℃、沸点は1382℃。炎色反応で赤を呈する。空気中では灰白色の酸化物被膜を生じる。水とは激しく反応し水酸化ストロンチウムを生成する。
Sr + 2 H2O → Sr(OH)2 + H2
生理的にはカルシウムに良く似た挙動を示し、骨格に含まれる。
酸化ストロンチウムのアルミニウムによる還元、および塩化ストロンチウムなどの溶融塩電解により金属単体が製造され、蒸留により精製される。
4 SrO + 2 Al → 3 Sr + SrAl2O4

ウランの核分裂生成物など、人工的に作られる放射性同位体としてセシウム137と共にストロンチウム90がある。ストロンチウム90は、半減期が28.8年でベータ崩壊を起こして、イットリウム90に変わる。原子力電池の放射線エネルギー源として使われる。体内に入ると電子配置・半径が似ているため、骨の中のカルシウムと置き換わって体内に蓄積し長期間に亘って放射線を出し続ける。このため大変危険であるが、揮発性化合物を作りにくく原発事故で放出される量はセシウム137と比較すると少ない。

骨に吸収されやすいという性質を生かして、別の放射性同位体であるストロンチウム89は、骨腫瘍の治療に用いられる。ストロンチウム89の半減期は50.52日と短く比較的短期間で消滅するため、ストロンチウム90に比べ被曝のリスクは少ない。

ストロンチウム90の崩壊により生成されるイットリウム90は高エネルギーのベータ線(228万電子ボルト)を放出する。このベータ線は水中で10㎜まで届き、ストロンチウム90はベータ線を放出する放射性物質としては健康影響が大きい。 経口で10000Bqのストロンチウム90を摂取した時の実効線量は0.28mSvで、内部被曝が大きくなる恐れがある。皮膚表面の1cm2に100万Bqが付着した場合は、その近くで1日に100mSv以上の被曝を受けると推定される。

1957年から北海道で行われた調査では、1960年代から1970年代に北海道のウシやウマの骨に蓄積されていた放射性ストロンチウム(90Sr)は、2000~4000 mBq/g を記録していたが、大気圏内核実験の禁止後は次第に減少し、現在では 100mBq 以下程度まで減少している。また、ウシとウマではウマの方がより高濃度で蓄積をしていて加齢と蓄積量には相関関係があるとしている。屋外の牧草を直接食べるウシとウマは、放射能汚染をトレースするための良い生物指標となる。



ストロンチウム(Sr)の同位体のうち天然に存在するものは、84Sr(0.56%)、86Sr(9.86%)、87Sr(7.0%)、88Sr(82.58%)の4種類がある。
このうち87Srは、天然放射性同位体である半減期4.88×1010年の87Rbの崩壊により生成する場合と、84Sr、86Sr、88Srとともに宇宙の元素合成の際にできたものと2つの起源がある。そのため、87Sr/86Srの比は、地質学の論文ではしばしば報告されるパラメータであり、鉱物や岩石での値はおおよそ0.7から4.0以上をとる。ストロンチウムはカルシウムと似た電子配置であるため、鉱物の中でカルシウムの代わりに入ることがある。

ストロンチウムには16種類の不安定同位体が存在することが知られている。その中で最も重要なのは半減期が28.78年の90Srである。核分裂反応の副産物として核爆発の放射性降下物の中に見られるが、ストロンチウムは揮発性化合物をつくり難いため、通常運転中の原子炉からの排気中には含まれないとされている。カルシウムの代わりに骨に蓄積されて健康被害を引き起こす。90Srは電子と反ニュートリノを放出しながらベータ崩壊し、90Yとなる。

90Srは高エネルギーの電子を放出する同位体の中で最も寿命が長いものの一つであることから、原子力補助動力装置(SNAP)に使われている。この装置は、軽量、長寿命という特徴を持つことから、宇宙船や遠隔気象ステーション等に使われることになっている。1986年のチェルノブイリ原子力発電所事故では、広範囲が90Srに汚染された。
標準原子量は87.62(1) u。


◆テルル(Te)

金属テルルと無定形テルルがあり、金属テルルは銀白色の結晶(半金属)で、六方晶構造である。にんにく臭がある。
金属テルルの比重は、6.24、融点は450℃、沸点は1390℃(融点、沸点とも異なる実験値あり)。酸化力のある酸には溶ける。ハロゲン元素とは激しく反応する。酸化数は、-2, +2, +4, +6価をとる。また、化学的性質はセレンや硫黄に似ている。燃やすと二酸化テルルになる。天然に元素鉱物として単体で存在することがある(自然テルル、native tellurium)。
また、テルル単体及びその化合物には毒性があることが知られている。また、これらが体内に取り込まれると、代謝されることによってジメチルテルリドになり、呼気がニンニクに似た悪臭(テルル呼気)を帯びるようになる。

用途としては、ガラスなどの着色剤として、ビスマスとの合金は、熱電変換素子として実用化されている。
用途が狭く、偏在性が高く、需要量・埋蔵量ともに少ないが、太陽電池や各種電子部品の材料になるなど先端工業に欠かせない存在であり、レアメタルの一種である。鉱業便覧によると、テルルの埋蔵量(資源量)は3万8000トンである。上位からアメリカ合衆国(6000トン)、ペルー(1600トン)、カナダ(1500トン)。いずれもズリなどを含まないテルルの純分量である。2000年時点の年間生産量は322トン。上位からカナダ(80トン)、ベルギー(60トン)、アメリカ合衆国(50トン)、ペルー(39トン)、日本(36トン)であり、上位5カ国で生産量の82.3%をまかなう。1998年時点の年間消費量は145トン、そのうち日本が48トンを消費している。テルルの2000年時点の総輸入量は2万0247kg、このうちベルギーが1万1197トンを占める。
日本が全世界の埋蔵量の64%を占める。産出としては北海道手稲鉱山の青色の美しい手稲石や静岡県河津鉱山のマックスアルパイン石が有名。

◆テクネチウム(Tc)

テクネチウム(Technetium)は原子番号 43 の元素。元素記号は Tc。マンガン族元素の一つで、遷移元素である。天然では、テクネチウムは地球上では非常にまれな元素で、ウラン238の自発核分裂によりウラン鉱などの中で生じるが、生成量は少ない。安定同位体が存在せず、全ての同位体が放射性である。最も半減期の長いテクネチウム98でおよそ420万年。

周期表中でモリブデンとルテニウムの中間に空欄があったことから、1800年代から1900年代初頭にかけて、多くの研究者がこの43番元素を発見するのに熱中した。この43番元素は他の未発見元素と比べると簡単に発見できるだろうと思われていたが、1936年にサイクロトロンで合成されるまで得られなかった。

テクネチウムがプロメチウムと同じく、比較的軽い元素でありながら不安定なのは、陽子数の割に中性子数が少ないからである。したがってこの元素には、比較的安定している同位体2つを含めても、22種類の放射性同位体しか存在しない。
白金に似た外観を持つ銀白色の放射性の金属で、比重は 11.5、融点は 2172℃(異なる実験値あり)。沸点は4000℃以上。安定な結晶構造は六方晶系。化学的性質はレニウムに類似する。フッ化水素酸、塩酸には不溶で、酸化力のある硝酸、濃硫酸、王水には溶ける。 単体は、湿った空気ではゆっくりと曇る。粉状のテクネチウムは、酸素中で炎を出して燃える。わずかに磁性を持っており11.3K以下にすると強磁性を示す。

β線を放出せず適量のγ線のみを放つ99mTcの特性を活かし、核医学という医療の一分野を支える重要な元素で、骨・腎臓・肺・甲状腺・肝臓・脾臓など身体各部に対するシンチグラムに用いる。利用例としては、血流測定剤、骨イメージング剤、腫瘍診断剤の放射線診断薬など。 テクネチウムを含む物質を放射性医薬品として投与した場合の体内動態などは充分解明されている上、検査目的に応じた多種の注射剤が供給されている。日本ではテクネチウムを含む薬剤を用いた緊急検査も行えるほどの利用ノウハウが蓄積されているが、国産化されておらず、全量を輸入している。

テクネチウム(Tc)は、原子番号82番までのうち、プロメチウムとともに安定同位体を持たない元素である。ゆえに、総ての同位体が放射性同位体であるため、標準原子量を定めることができない。最も安定な放射性同位体は98Tcで半減期は420万年、97Tcの半減期は260万年、99Tcの半減期は21万1100年である。
その他、原子量87.933(88Tc)から112.931(113Tc)の範囲に22種類の放射性同位体が見つかっていて、93Tc(半減期2.75時間)、94Tc(半減期4.883時間)、95Tc(半減期20時間)、96Tc(半減期4.28日)を除き、そのほとんどが半減期1時間以下である。
また、多くの核異性体も存在する。97mTcは最も安定で、半減期は90.1日(0.097MeV)である。これに続くのが95mTc(半減期61日、0.038MeV)、99mTc(半減期6.01時間、0.143MeV)である。99mTcは唯一β線を出さず、核異性体転移によって99Tcになる。その際放出するγ線は体外から測定しやすく、半減期も適当に短いので、画像診断に用いられる。
99mTcは99Moの娘核種で、99MoをMoO42-の形でアルミナカラムに吸着させて1日放置することで99mTcと過渡平衡を成立する。生理的食塩水で溶出すると99mTcO4-が得られることから、このアルミナカラムを99mTcジェネレータという。
最も安定な98Tcよりも軽い同位体は電子捕獲により崩壊し、モリブデンを生成する。98Tcよりも重い同位体はベータ崩壊し、ルテニウムになる。100Tcは電子捕獲もベータ崩壊も起こす。
99Tcはウラン235の分裂から生成し、最も手に入りやすい同位体の一つである。1グラムの99Tcは1秒間に6.2×108回の分裂(0.62GBq/g)を起こす。


4月27日付報告
【冒頭抜粋】

今般、CTBTの検証制度の下で、我が国の高崎(群馬県)に設置されている放射性核種探知観測所において、福島原子力発電所の事故に起因すると思われる複数の人工放射性核種が探知されたとする報告書が、CTBTO準備委員会技術事務局の国際データセンターによって取り纏められました。本報告書の概要は以下のとおりです。

なお、この概要を活用される場合には、以下の点にご留意願います。

①CTBTの観測施設は、国外での核兵器の地下爆発的実験によって大気中に漏れ出す極々微量の放射性核種の種類とその濃度を検出することを目的としており、その検出能力は、今般の福島原発の事故によって生じた放射性核種の濃度の水準の何桁も下のレベルの放射性核種を検出することが可能な極めて感度の高いものであること。

②この観測は人体への影響についての測定を目的とするものではなく、人体への影響については、高崎付近(前橋市)の放射線量の計測値が、文科省等の関連ホームページに掲載されておりますので、そちらをご参照願います。

1.高崎観測所において3月12日から14日にかけて捕集された大気の測定値をCTBTO事務局が解析した結果、通常検出されない複数の粒子状放射性核種、即ち、セシウム(Cs)-134、136及び137、ヨウ素(I)-131~133、ランタン(La)-140、テルル(Te)-129、129m及び132、テクネチウム(Tc)-99m、等が検知され、それらが非常に高い濃度を示した。
これらの放射性核種は、福島原子力発電所事故を起源とするものと考えられるが、3月12~14日の間に捕集された大気中に含まれていたかどうかは不確かであり、大気捕集後の測定中(同15日以降)に飛来して検出器及びその周辺を汚染し、検知されたものではないかと見られる。したがって、観測された放射性核種は定性的には正しいが、その濃度については正確な測定値を示していない。

2.高崎観測所において3月15日以降に捕集された大気の測定値の解析結果については、福島原発から飛来したこれら粒子状放射性核種の種類については、上記1.の放射性核種に加えて、バリウム(Ba)-140等が新たに検知されている。これら放射性核種の放射能濃度は、3月15日~16日の測定値を最も
高いピークとし、同20日~21日を第二番目のピーク1、さらに同29日~30日を第三番目のピーク2として、それ以外はより低い値で推移していることが示されている。

3.高崎観測所では、希ガス状の放射性核種(キセノン)の測定も行われているが、3月15日以降の測定値においてキセノン(Xe)-133等も検出され、同21日3にピークが観測されている。なお、これも福島原発から放出されたものと考えられるが、通常より非常に高い濃度の希ガスが検出器材料内にしみこんだため、正確な濃度の計測ができない状態にあり、推定値のみを示している。
(粒子状及び希ガス状放射性核種の測定値の推移については、別添を参照願います。)

















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