12 - 11 - 2019

Duurste element op aarde

Man made element nr. 98, californium, ontdekt explosieven

Vanwege 150 jaar periodiek systeem besteedt Chemie Magazine dit jaar aandacht aan een aantal bijzondere elementen. Deze keer element nr. 98, californium. Je kunt er een bloem in een dichte zware kluis mee zichtbaar maken en er een kernreactor veilig mee opstarten. De toepassingen van het kunstmatige element californium zijn even exotisch als het element zelf. Er wordt jaarlijks nog geen halve gram van gemaakt.

Tekst: Marga van Zundert

Het zwaarste element dat je op aarde van nature aantreft, is element nummer 92: uranium. Alle elementen daarboven zijn man made. Ze ontstaan wanneer atomen met grote kracht op elkaar botsen of beschoten worden met deeltjes. De superzware elementen die daarbij ontstaan zijn meestal instabiel en radioactief, en kennen – op plutonium na –geen echte toepassingen. Het exotische en zelf gevaarlijke element californium, nr. 98, vindt wel praktische toepassing. Het wordt vooral ingezet voor veiligheid, bijvoorbeeld om (oude) explosieven te onderzoeken, om kerncentrales veilig op te starten en pijpleidingen en tanks te controleren op zwakke plekken. Veel californium is daarvoor niet nodig, sterker nog: een paar microgram is genoeg. Maar goed ook, want het is ook het duurste element op aarde. 1 gram zou zo’n slordige 20 miljoen euro kosten, maar wereldwijd wordt er jaarlijks nog geen halve gram geproduceerd.
 

Neutronen

Het gaat dan om californium-252, een radioactieve isotoop die neutronen uitstraalt (ongeladen kerndeeltjes, zie kader). 1 microgram Cf-252 produceert 170 miljoen neutronen per minuut. “Cf-252 vervalt door spontane kernsplijting”, vertelt Peter Bode, voormalig universitair hoofddocent nucleaire chemie van de TU Delft. “De kern is instabiel door het grote aantal neutronen ten opzichte van het aantal protonen. Dat speelt bij bijna alle synthetische superzware elementen, maar die hebben meestal een zeer korte halveringstijd, waardoor ze onbruikbaar zijn voor praktische doeleinden. Cf-252 is daarop een uitzondering, dat heeft een halfwaardetijd van 2,6 jaar. Bovendien komen er per splijting relatief veel neutronen vrij, anderhalf maal meer dan bij bijvoorbeeld uranium.” “Californium is vooral geschikt voor als je echt het veld in moet”, vervolgt Bode. “Er bestaat geen lichtere, compactere neutronenbron. Het wordt daarom gebruikt in boorputten, bij mijnbouw of om landmijnen op te sporen. Is gewicht en omvang niet zo belangrijk, dan kies je snel voor een andere neutronenbron. Een versneller bijvoorbeeld. Die kan je aan- en uitzetten, dat is veiliger. En die is niet na 2,5 jaar ‘op’.
 


Astronomisch onderzoek heeft uitgewezen dat californium wel voorkomt in restanten van supernova’s.


Minimale productie

Er zijn maar twee plekken op de wereld waar californium-252 wordt geproduceerd. Dat zijn het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee, VS (jaarlijks circa 0,25 gram) en het Research Institute of Atomic Reactors (RIAR) in Dimitrovgrad, Rusland (jaarlijks circa 0,025 gram). Dit zijn ook de enige plaatsen waar een High Flux Isotope Reactor (HFIR) staat, een kernreactor ontworpen om isotopen te produceren en bestuderen. In het midden van een HFIR is plek om materialen te plaatsen, om ze zo langdurig aan neutronen en radioactieve straling bloot te stellen. Cf-252 wordt gemaakt door curium maandenlang in de HFIR te plaatsen (zie kader). In een gespecialiseerd chemisch laboratorium (hot cell) wordt het zo geproduceerde Cf-252 met op afstand bestuurbare apparatuur geïsoleerd en op een palladiumdraad aangebracht. Die wordt op de gewenste lengte geknipt en verpakt voor vervoer. Eerst in een stalen capsule, daaromheen zit een box waarvan de binnenzijde is bekleed met polyethyleen met 5 tot 10 procent boor, dat neutronen goed absorbeert. Omdat er bij de absorptie gammastraling vrijkomt, is de buitenzijde bekleed met lood.
 


Californium wordt vooral ingezet voor veiligheid, bijvoorbeeld om pijpleidingen te controleren op zwakke plekken en om explosieven te onderzoeken, zoals munitie uit WO I die mogelijk chloor- of mosterdgas bevat.
 

Delftse reactor

Neutronenstraling veroorzaakt schade in weefsels en aan DNA. Kopers van Cf-252 hebben, net als bij alle andere radioactieve materialen, speciale toestemming nodig om californium te mogen aanschaffen en gebruiken. “In Nederland heb je een vergunning nodig van de Autoriteit Nucleaire Veiligheid en Stralingsbescherming”, vertelt Jan Okx, hoofd Stralingsbescherming bij het Reactor Instituut Delft. Dit Delftse onderzoeksinstituut heeft zo’n vergunning, want het gebruikt een Cf-252-bron voor het opstarten van hun kleine reactor (2 megawatt). Een kernreactor levert energie dankzij de hitte die vrijkomt bij de kernsplitsing van uranium. Die splitsing gebeurt eens in honderden miljoenen jaren spontaan, maar wordt sterk versneld door de neutronen die erbij vrijkomen. Het is een kettingreactie die goed gecontroleerd moet worden om een runaway zoals in Tsjernobyl te voorkomen. Neutronenstraler Cf-252 is erg geschikt om een kernreactor gecontroleerd op gang te brengen. Okx: “Als de reactor een tijd heeft stilgelegen voor onderhoud, halen we onze californiumbron tevoorschijn. Je moet je een capsule ter grootte van een vingerhoed voorstellen. Die hangen we een tijdje dicht bij de reactor, zeg maar. Is alles ingeregeld, dan bergen we de bron weer netjes op.” De Delftse reactor genereert overigens geen elektriciteit, maar neutronen en positronen voor een reeks onderzoeksinstrumenten.
 



Een belt analyzer boven de lopende band controleert op basis van NAA neutronenactiveringsanalyse) het zwavelgehalte van bijvoorbeeld het kolenerts of het kalkgehalte van mergel, de grondstof voor cement.
 

Elementendetectie

De olie- en mijnindustrie gebruikt Cf-252-bronnen om boorputten en gedolven erts, maar ook pijpleidingen en opslagvaten te onderzoeken. “Veel atoomkernen absorberen trage neutronen”, vertelt Menno Blaauw, hoofd van het INAA-laboratorium van het Delftse Reactor Instituut. “Daarbij komt gammastraling vrij die karakteristiek is voor het element. Een extra neutron maakt een atoomkern ook vaak instabiel: de isotoop vervalt, snel of langzaam, waarbij ook karakteristieke gammastraling vrijkomt. Beide processen kun je gebruiken om met een gammadetector een indruk te krijgen van de atomaire samenstelling. Dat heet neutronenactiveringsanalyse, NAA. In het veld waar Cf-252 wordt gebruikt, gaat het bijna altijd om het snelle eerste proces: prompte neutronenactiveringsanalyse.” Met NAA kun je zeker veertig verschillende elementen identificeren, tegelijkertijd, en ook kwantitatief, weet Blaauw. De gevoeligheid verschilt per element. Lood en zuurstof zijn niet goed waar te nemen, kwik, nikkel en goud juist prima. “Op een open dag hebben we weleens nekharen van bezoekers geanalyseerd met NAA, waarna we konden vertellen wie er een gouden ketting droeg.” In mijnen wordt NAA bijvoorbeeld gebruikt om vanuit een smal boorgat het kopergehalte te onderzoeken van het omringende erts. In diepe, smalle olieboorputten kan met een compacte californiumbron ter plekke de aangeboorde laag worden onderzocht. Bode: “En een belt analyzer, een NAA-apparaat boven de lopende band, controleert zo bijvoorbeeld continu het zwavelgehalte van je kolenerts of het kalkgehalte van mergel, de grondstof voor cement.”
 



Er zijn maar twee plekken op de wereld waar californium-252 wordt geproduceerd. Een daarvan is het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee, VS. Foto: ORNL /Jason Richards
 

Landmijnen

NAA kan ook worden gebruikt om door materialen heen te kijken of de dikte ervan te onderzoeken. Blaauw: “Metalen houden röntgenstraling en licht tegen, maar met neutronenanalyse kun je een bloem in een stalen kluis zien liggen. Door doorzichtig plastic heen kijken lukt met NAA weer niet.” Olie- en gasleidingen en voorraadtanks kunnen zo worden gecontroleerd. Dunne plekken in de wanden worden zichtbaar, en je kunt van buiten controleren hoe vol een tank is en waarmee gevuld. Omdat neutronenstraling doordringend is, kunnen ook ondergrondse buizen of opslagtanks worden geïnspecteerd. Ook de beveiligingsbranche is geïnteresseerd in NAA. Er is draagbare en op afstand bestuurbare apparatuur ontwikkeld om landmijnen op te sporen en meteen een idee te krijgen van de lading. Zeker als het gaat om oude munitie uit de Eerste Wereldoorlog die mogelijk chloor- of mosterdgas bevat, is dat belangrijk. NAA-apparatuur is ook geschikt om bijvoorbeeld bagage of containers te scannen. Of dat momenteel op locatie gebeurt met californium-252 blijft onduidelijk. Maar logisch lijkt het natuurlijk wel om een zo breed mogelijk palet aan detectiemethoden in te zetten op risicoplaatsen. En NAA kan explosieven opsporen die onzichtbaar blijven voor klassieke metaaldetectoren, röntgenapparatuur, bodyscanners en andere detectiemethoden.

 

Omdat er geen lichtere en compactere neutronenbron bestaat, wordt californium veel gebruikt in het veld, bijvoorbeeld om landmijnen op te sporen.

 

 

 

 

 


Prestigestrijd VS - Sovjet-Unie

Californium werd in 1950 ontdekt midden in de Koude Oorlog. Het vinden van elementen zwaarder dan uranium was een prestigestrijd tussen de VS en de Sovjet-Unie. Ze hoopten materialen te ontdekken met nuttige eigenschappen voor hun kernenergie en kernwapenprogramma’s en streden om de eer nieuwe elementen een naam te mogen geven. Een Amerikaans team van nucleaire fysici bestaande uit Stanley Thompson, Kenneth Street Jr., Albert Ghiorso en Glenn Seaborg lukte het om in 1950 zo’n vijfduizend atomen californium te maken door heliumkernen (alfadeeltjes) te schieten op het element curium. Zo ontstond de isotoop californium-245, met een halfwaardetijd van 44 minuten, net genoeg om het element ook onomstotelijk aan te tonen. Het team vernoemde het nieuwe element naar de plek waar het was gemaakt: University of California. In de jaren erna bleven Ghiorso en Seaborg zeer succesvol, alle volgende elementen tot nr. 104 maakten ze als eersten.

Harry Bowman (boven) en Stanley Thompson experimenteren met californium. 


Productie vraagt veel geduld

Om californium te maken wordt het element curium in een speciale reactor gebombardeerd met neutronen. Curium (Cm), element nr. 96, is zelf ook een synthetisch element, een product van de bestraling van plutonium (nr. 94), dat weer ontstaat bij bestraling van uranium (nr. 92). De productie van californium is dus een lang proces. Alleen al het curium zit 12 tot 15 maanden in de reactor. In die periode vangen curiumkernen soms een rondvliegend neutron in. Dit neutron kan door bètaverval uiteenvallen in een proton en een elektron. Het extra proton maakt dat curium berkelium wordt (nr. 97), en wanneer dit zich herhaalt uiteindelijk californium. Californium maken is niet alleen een lang proces, de opbrengst is gering, maar 1 procent van de beginstof plutonium wordt omgezet in het gewenste product Cf-252.


Gerichte bestraling bij kanker

Het radioactieve californium-252 is sporadisch getest in de strijd tegen kanker. Het gaat dan om directe, inwendige bestraling van tumoren ontstaan door baarmoederhalskanker of darmkanker vlak bij de anus. Californium wordt op het eind van een dun staafje aangebracht, dat vervolgens dicht bij de tumor(en) wordt ingebracht. Achterliggend idee is dat de neutronenstraling het tumorweefsel snel beschadigt en de destructieve straling niet (zoals bij andere bestralingstechnieken) door ander, gezond weefsel heen moet dringen, waarbij het onbedoelde schade kan aanrichten. De gerapporteerde resultaten zijn bemoedigend, maar tot een reguliere behandeling heeft het nog niet geleid.


Radioactief verval

De kern van elementen bestaat uit een verzameling positief geladen protonen, ‘bijeen geplakt’ door ongeladen neutronen. Deze kernen kunnen instabiel zijn, radioactief. Dat komt vooral voor bij isotopen, varianten van elementen met meer of minder neutronen dan gebruikelijk. Een instabiele kern kan spontaan ‘vervallen’: het element verandert in een andere atoomsoort, waarbij schadelijke, ioniserende straling vrijkomt. Dat kan alfa-, bèta- en gammastraling zijn, maar ook neutronenstraling. Neutronenstraling bestaat zoals de naam zegt uit neutronen, ongeladen kerndeeltjes. Alfastraling bestaat uit heliumkernen (twee protonen en twee neutronen). Bètastraling bestaat uit elektronen. Gammastraling bestaat niet uit deeltjes, maar is diepdoordringende elektromagnetische straling met een nog hogere energie dan uv- en röntgenstraling.


Lees meer over dit onderwerp via de tag(s):
Periodiek Systeem

Onderdeel van dossier(s):