トリウムは、元素記号Th、原子番号90の弱い放射性金属化学元素である。トリウムは銀色で、空気に触れると黒く変色し、二酸化トリウムを形成する。適度に柔らかく可鍛性で、高い融点を持つ。トリウムは電気陽性アクチノイドで、その化学的性質は+4酸化状態が支配的です。非常に反応性が高く、細かく分割すると空気中で発火することがあります。
トリウムの同位体はすべて不安定です。最も安定な同位体である232Thの半減期は140億5000万年で、これは宇宙の年齢とほぼ同じです。アルファ崩壊によって非常にゆっくりと崩壊し、トリウム系列と呼ばれる崩壊連鎖が始まり、安定な208Pbに終わります。地球上では、トリウムとウランは、原始元素として現在も大量に自然界に存在する唯一の著しく放射性の高い元素である。トリウムは地殻中にウランの3倍以上存在すると推定され、主に希土類金属を抽出する際の副産物としてモナザイト砂から精製される。
トリウムは1828年にノルウェーのアマチュア鉱物学者Morten Thrane Esmarkによって発見され、スウェーデンの化学者Jöns Jacob Berzeliusが同定し、北欧神話の雷神トールから命名された。19世紀後半に最初の用途が開発された。トリウムの放射能は、20世紀の最初の数十年間は広く認められていました。20世紀後半には、トリウムの放射能への懸念から、多くの用途でトリウムに取って代わられました。
トリウムは現在もTIG溶接の電極の合金元素として使われていますが、現場では徐々に異なる組成のものに置き換えられています。また、高級光学機器や科学機器の材料、一部の放送用真空管に使用され、ガスマントルの光源としても使用されていましたが、これらの用途は限界にきています。ウランに代わる原子炉の核燃料として提案されており、いくつかのトリウム原子炉が建設されている。トリウムは、マグネシウムの強化、電気機器のタングステン線のコーティング、電気スタンドのタングステンの粒度調整、高温るつぼ、カメラや科学機器のレンズなどのガラスにも使われている。その他、耐熱陶器、航空機のエンジン、電球などにも使用されている。海洋科学では、231Pa/230Th同位体比を利用して、古代の海洋を理解しています。
トリウムの基本情報
| 和名 | トリウム |
|---|---|
| 英名 | Thorium |
| 語源 | スカンジナビア神話の軍神・雷神トール (Thor) |
| 元素記号 | Th |
| 原子番号 | 90 |
| 原子量 | 232.0 |
| 常温（25℃）での状態 | 固体（金属） |
| 色 | 銀白色 |
| 臭い | – |
| 密度 | 11.720 g/cm3 (20℃) |
| 融点 | 1750℃ |
| 沸点 | 4787℃ |
| 発見者 | ベルセーリウス（スウェーデン）[1828年] |
| 含有鉱物 | トール石 |
| 項目 | トリウム (Th) | ウラン (U) |
|---|---|---|
| 原子番号 | 90 | 92 |
| 主な天然同位体 | Th-232（ほぼ100%） | U-238（約99.3%）、U-235（約0.7%） |
| 天然存在量 | ウランの約3～4倍 | トリウムより少ない |
| 放射能 | 弱い（Th-232の半減期：約140億年） | 強い（U-238：約45億年、U-235：約7億年） |
| 核分裂性 | 自発的には分裂しない（核変換が必要） | U-235は直接核分裂性 |
| 燃料としての利用 | Th-232 → U-233に変換して使用（増殖型） | U-235はそのまま核燃料に利用可能 |
| 核兵器への利用性 | 困難（U-233は濃縮が難しく高放射線） | U-235は濃縮で核兵器利用可能 |
| 廃棄物の放射性寿命 | 比較的短命な核分裂生成物が多い | 長寿命アクチニドが多く含まれる |
| 現在の商用利用 | 研究段階（主にインド、中国など） | 広く使用（軽水炉、加圧水型炉など） |
| 安全性 | 増殖炉や溶融塩炉での高い安全性が期待される | 実績はあるが、高圧・冷却材管理が必要 |
トリウムの主な特徴
- 弱い放射性を持つ金属元素
- 銀白色の柔らかい金属で、空気中では徐々に酸化して黒ずむ
- 自然界には主にトリウム-232（半減期 約140億年）として存在し、地殻中にウランよりも多く含まれる
- 化学的には+4価で安定し、酸化トリウム（ThO₂）として存在することが多い
放射性
- トリウムは放射性元素であり、その同位体の中には安定なものもありますが、多くは放射性崩壊を起こします。
- トリウムはアルファ崩壊を起こすことがあり、これは周囲の物質に対する影響が比較的小さいため、取り扱いが比較的安全です。
環境への影響
トリウムは天然に存在する元素であり、地殻中に広く分布しています。一般的に、環境への影響は限られていますが、トリウム鉱山や処理施設などでの放射性物質の排出により、地域の環境に影響を与えることがあります。
トリウムの歴史
発見
トリウムは1828年、スウェーデンの化学者イェンス・ベルセリウスによって、ノルウェー産の鉱石トーライト（ThSiO₄）から発見されました。
名前の由来
元素名「トリウム（Thorium）」は、北欧神話の雷神「トール（Thor）」にちなんで名付けられました。
ベルセリウスが命名したもので、神話的な威力を象徴しています。
トリウムの主な用途
トリウムは歴史的には一部で使用されてきましたが、現在は将来の原子力燃料としての可能性が注目されています。
- ガスマントル： 酸化トリウムは強く光るため、かつてキャンプ用ランプなどで使用
- 光学レンズ： ThO₂は高屈折率・低分散性を持つが、現在は使用が減少
- マグネシウム合金の添加材： 耐熱性と強度を高める
- 原子炉燃料（研究段階）： トリウム-232は中性子捕獲によりウラン-233に変換され、核燃料として使用可能
トリウムの生成方法
トリウムは以下の鉱石から採掘・抽出されます：
- トーライト（ThSiO₄）： 主な資源鉱物
- モナザイト砂： リン酸塩鉱物で、希土類元素とともに含まれる
抽出方法は、酸処理（硫酸・塩酸など）によって溶解し、溶媒抽出により不純物と分離して得られます。
トリウムを含む化合物
トリウムの化学的性質は比較的単純で、+4価の化合物が主です：
- 酸化トリウム（ThO₂）： 安定で高融点（3300℃以上）。セラミックスや核燃料に使用可能
- 硝酸トリウム（Th(NO₃)₄）： 水に溶けやすく、再処理中間体
- 塩化トリウム（ThCl₄）： 高温合成で得られ、有機金属合成にも使用
- トリウム錯体： 新しい触媒や分離材の候補として研究されている
トリウムの研究事例
トリウムは将来のクリーンな原子力燃料として、また材料科学・放射化学分野での研究対象となっています：
- トリウム溶融塩炉（MSR）： 液体燃料型炉として安全性と経済性を兼ね備えると期待されている
- 核拡散防止： トリウム燃料は兵器級核物質を生成しにくいため、核拡散リスクが低い
- トリウム錯体触媒： 有機合成反応への応用が模索されている
- トリウム系新素材： 耐熱性セラミックスや放射線耐性材料としての応用が検討されている
- トリウムの核データ評価： 核変換効率、崩壊系列、中性子断面積などの高精度測定
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