Americi-241 (Am-241) là đồng vị phóng xạ đóng vai trò quan trọng nhất của nguyên tố americi. Am-241 được tạo ra trong các nhà máy điện hạt nhân từ phản ứng kích hoạt Pu-239 và Pu-240 bằng neutron và sau đó là phân rã beta của Pu-241 (T1/2 = 14,35 năm). Điều này có nghĩa là Am-được tạo ra do sự phân rã của Pu-241 trong một thời gian dài sau khi nhiên liệu được lấy ra khỏi lò phản ứng hạt nhân. Sự tạo thành Am-241từ Pu-241 tối đa lên tới 70 năm. Am-241có thể được phát hiện trên Bắc bán cầu do kết quả của các cuộc thử nghiệm vũ khí hạt nhân vào những năm 1950 và đầu những năm 1960. Ngày nay, Am-241 đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp, nghiên cứu và đào tạo.
Việc phát hiện ra nguyên tố Am được công bố trên một chương trình phát thanh dành cho trẻ em của Mỹ có tên là Quiz Kids vào tháng 11/1945 bởi Glenn Seaborg, nhà hóa học làm việc trong Dự án Manhattan (đồng phát hiện ra mười nguyên tố khác bao gồm plutoni). Mẫu americi đầu tiên được tạo ra bằng cách bắn phá plutoni-239, một đồng vị của plutoni bằng neutron năng lượng cao. Plutoni-240 được tạo ra và biến đổi thành plutoni-241, sau đó phân rã thành americi-241 thông qua phân rã beta. Công trình này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Luyện kim của Đại học Chicago, nay được gọi là Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. Americi, ký hiệu Am, có số hiệu nguyên tử 95 và trọng lượng nguyên tử 243. Americi là một kim loại màu bạc, bị xỉn màu dần trong không khí và tan trong axit. Đồng vị ổn định nhất của americi là Am-243, có chu kỳ bán rã hơn 7.500 năm. Am-241 có khối lượng nguyên tử là 241,056823, chủ yếu phát xạ hạt α, nhưng cũng phát xạ hạt γ năng lượng thấp, chu kỳ bãn rã là 432.2 năm. Hỗn hợp Am-241 và Beryllium có khả năng phát ra neutron. Điểm sôi của đồng vị này là 2607°. Điểm nóng chảy là 1176°. Mật độ của vật liệu này là 13,67 g/cm3.
Americi tập trung ở các khu vực được sử dụng thử nghiệm vũ khí hạt nhân tiến hành từ năm 1945 đến 1980, hay tại các địa điểm xảy ra sự cố hạt nhân, như thảm họa Chernobyl năm 1986. Các cặn thủy tinh còn sót lại trên nền sa mạc nơi thử nghiệm bom nguyên tử ở Alamogordo, New Mexico, Kazakhstan và sa mạc Maralinga ở Úc đều có dấu vết của Am-241. Mức americi tăng cao cũng được phát hiện tại địa điểm máy bay ném bom B-52 của Mỹ, mang theo 4 quả bom hydro, rơi vào năm 1968 ở Thule, Greenland và tại địa điểm xảy ra sự cố tương tự ở Palomares, Tây Ban Nha. Những địa điểm xây dựng cơ sở phát triển vũ khí hạt nhân ở cả Hoa Kỳ và Nga cũng có hàm lượng Am-241 tăng cao trong đất và trong sol khí.
Am-241
Có nhiều đồng vị khác nhau của Am, nhưng Am-241 là đồng vị quan trọng và hữu ích nhất. Am-241 là một thành phần của máy dò khói và được sử dụng cho các nghiên cứu khác nhau. Am-241 khi trộn với berili được sử dụng làm nguồn neutron trong các loại máy kiểm tra chất lượng và máy đo độ dày sử dụng trong ngành công nghiệp thủy tinh. Americi cũng được sử dụng làm nguồn bức xạ trong các thiết bị chẩn đoán y tế và trong nghiên cứu. Am-241 rất hữu ích trong việc đo độ dày (đo độ dày của vật liệu như nhựa, kim loại và giấy), cũng được sử dụng trong đo mật độ chất lỏng, cụ thể là được sử dụng trong Máy đo nhiên liệu máy bay (Một thiết bị để chỉ mức nhiên liệu). Am-241 cũng được sử dụng trong các thiết bị cảm biến khoảng cách khác nhau.
Các con đường phơi nhiễm chính từ Am-241 là hít phải và nuốt phải. Am-241 l có khả năng gây nguy hiểm nếu đưa vào cơ thể ở dạng hòa tan. Nó phân rã alpha và phát xạ gamma, tập trung ở xương và gan. Tuy nhiên, nuốt phải Am-241 từ máy dò khói sẽ không có sự hấp thụ đáng kể, vì Am-241 ở dạng điôxit không hòa tan. Chất này sẽ đi qua đường tiêu hóa mà không gây ra liều bức xạ đáng kể nào.
Thiết bị phát hiện khói sử dụng Am
Hiện nay, trên thế giới có hai loại thiết bị phát hiện khói phổ biến là thiết bị quang điện sử dụng cảm biến quang học (optical sensor) và thiết bị ion hóa sử dụng buồng ion có chứa chất phóng xạ. Thiết bị ion hiện nay hầu hết chứa khoảng 0.33 µg Americi có hoạt độ 1 µCi. Buồng ion hóa trong thiết bị phát hiện khói về cơ bản bao gồm hai tấm kim loại có mức điện áp khác nhau. Các phân tử khí chuyển động trong không gian giữa hai tấm kim loại, bị ion hóa bởi nguồn phóng xạ. Các ion âm và ion dương bị hút về hai cực của buồng ion hóa từ đó sinh ra nguồn điện ổn định có thể đo được.
Nếu trong không khí có lẫn phân tử khói, lực hút tĩnh điện sẽ làm cho các phân tử khói bị bám vào các ion trong buồn ion hóa. Các ion này không bị thay đổi về điện tích nhưng vì các phân tử khói có khối lượng lớn so với các phân tử không khí, do đó khối lượng trung bình của các hạt mang điện đó trong buồng ion hóa tăng lên. Các phân tử này vẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt với không khí xung quanh, vì vậy chúng phải có cùng giá trị nhiệt năng trung bình. Nhiệt năng trong một chất khí tỉ lệ với động năng, khi khối lượng trung bình của ion này tăng lên, tốc độ trung bình phải giảm xuống để đảm bảo điều kiện cân bằng nhiệt. Độ giảm trong vận tốc trung bình sẽ được thể hiện bởi độ sụt giảm cường độ dòng điện, điều này sẽ kích hoạt chuông báo của thiết bị phát hiện khói. Cũng bằng cách này, các thiết bị phát hiện khói buồng ion có thể phát hiện các phân tử khói có kích thước rất nhỏ, đây là một trong những ưu điểm hơn so với các thiết bị phát hiện khói quang điện.
Thiết bị phát hiện khói loại buồng ion
Am-241 phát các hạt alpha với năng lượng 5.4 MeV, với mức năng lượng này chỉ có thể di chuyển vài cm trong không khí và bị chặn bởi một tờ giấy, không thể xâm nhập vào lớp biểu bì của con người. Có rất ít nguy hại từ phóng xạ alpha trừ khi chúng ta hít phải hoặc “ăn dính” Americi. Tuy nhiên, Am-241 cũng phân rã gama, có khả năng đâm xuyên mạnh hơn các hạt alpha, do vậy mà thiết bị phát hiện khói loại buồn ion lắp đặt trong nhà sẽ gây ra một suất liều chiếu từ 9-50 nSv trong một năm. So với các nguồn phóng xạ từ môi trường khác như ăn một quả chuối, con người sẽ nhận một suất liều khoảng 100 nSv, hay suất liều gây bởi nguồn tự nhiên hoặc nhân tạo khoảng 3.6 mSv, thì suất liều gây ra bởi thiết bị phát hiện khói là không đáng kể, vì vậy chúng được coi là an toàn.
Máy phát điện RTG (nhiệt điện)
Am-241 được nghiên cứu như một đồng vị phóng xạ sử dụng cho máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) để sử dụng trong tàu vũ trụ. Mặc dù Am-241 tạo ra ít nhiệt và điện năng hơn Pu-238 (114,7 mW/g so với 570 mW/g Pu-238) và bức xạ gây ra mối đe dọa lớn hơn đối với con người do phát xạ gamma và neutron, nhưng Am-241 có lợi thế cho các nhiệm vụ có thời gian dài với chu kỳ bán rã dài hơn Pu-238. Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đang nghiên cứu RTG dựa trên Am-241 cho các tàu thăm dò không gian do tình trạng thiếu Pu-238 trên toàn cầu và khả năng tiếp cận dễ dàng của Am-241 ở Châu Âu từ quá trình tái chế chất thải hạt nhân. Yêu cầu che chắn của Am-241 trong RTG thấp thứ hai trong tất cả các đồng vị có thể có. Một lợi thế hơn Pu-238 là Am-241 được sản xuất từ chất thải hạt nhân và gần như tinh khiết. Thiết kế nguyên mẫu của Am-241 là RTGs tạo ra 2–2,2 We/kg cho 5–50 We.
Máy quang phổ
Am-241 được sử dụng như một nguồn di động của tia gamma và hạt alpha cho một số mục đích trong y tế và công nghiệp. Lượng phát xạ tia gamma từ Am-241 là 59,5409 keV, có thể được sử dụng để phân tích gián tiếp vật liệu trong quang phổ huỳnh quang và tia X, cũng như để kiểm soát chất lượng trong máy đo mật độ hạt nhân. Đồng vị này đã được sử dụng để đo độ dày của kính nhằm giúp tạo ra kính phẳng. Am-241 cũng phù hợp để hiệu chuẩn máy quang phổ tia gamma trong dải năng lượng thấp, vì phổ của nó bao gồm gần như đỉnh Compton đơn và liên tục không đáng kể.
Từ khóa: Am-241; máy phát hiện khói; máy quang phổ; chất thải hạt nhân;
– CMD&DND –
