الأكتينيدات في البيئة

سلسلة الأكتينيدات هي مجموعة من العناصر الكيميائية ذات الأعداد الذرية التي تتراوح بين 89 و102، ^{[ ملاحظة 1 ]} وتشمل عناصر بارزة مثل اليورانيوم والبلوتونيوم . توجد نظائر الثوريوم -232 واليورانيوم -235 واليورانيوم -238 في الطبيعة ، بينما توجد كميات ضئيلة من الأكتينيوم والبروتاكتينيوم والنبتونيوم والبلوتونيوم نتيجةً للتحلل الإشعاعي ، وفي حالة النبتونيوم والبلوتونيوم، نتيجةً لالتقاط اليورانيوم للنيوترونات. ^{[ ملاحظة 2} ] تتميز هذه العناصر بفترات نصف عمر أقصر بكثير من الثوريوم واليورانيوم الموجودين في الطبيعة، وبالتالي فهي أكثر إشعاعًا. ^أما العناصر ذات الأعداد الذرية الأكبر من 94 فلا توجد بشكل طبيعي على الأرض، ويجب إنتاجها في مفاعل نووي . ^{[ 2 ]} مع ذلك، لا تزال بعض نظائر العناصر حتى الكاليفورنيوم (العدد الذري 98) لها تطبيقات عملية تستفيد من خصائصها الإشعاعية. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

على الرغم من أن جميع الأكتينيدات مشعة، إلا أنها ومركباتها تشكل جزءًا كبيرًا من قشرة الأرض. ^{[ 5 ]} يتوفر من الثوريوم واليورانيوم كميات كافية للتعدين التجاري، حيث يبلغ تركيز الثوريوم في قشرة الأرض حوالي أربعة أضعاف تركيز اليورانيوم. ^{[ 6 ]} تجاوز الإنتاج العالمي لليورانيوم في عام 2021 ستة ملايين طن، وكانت أستراليا المورد الرئيسي. ^{[ 7 ]} يُستخرج الثوريوم كمنتج ثانوي من التيتانيوم والزركونيوم والقصدير والعناصر الأرضية النادرة من المونازيت ، الذي غالبًا ما يكون الثوريوم ناتجًا ثانويًا منه. على الرغم من وفرته في قشرة الأرض، إلا أن انخفاض الطلب على الثوريوم مقارنةً بالمعادن الأخرى المستخرجة معه أدى إلى فائض عالمي. ^{[ 8 ]}

يُعدّ النشاط الإشعاعي الخطر الرئيسي المرتبط بالأكتينيدات ، مع أنها قد تُسبب أيضًا التسمم بالمعادن الثقيلة في حال امتصاصها في مجرى الدم . ^{[ 9 ]} عمومًا، تمر مركبات الأكتينيدات غير القابلة للذوبان عند تناولها ، مثل ثاني أكسيد اليورانيوم ووقود الأكسيد المختلط (MOX) ، عبر الجهاز الهضمي دون تأثير يُذكر نظرًا لطول عمرها النصفي وعدم قدرتها على الذوبان والامتصاص في مجرى الدم. ^{[ 10 ]} أما مركبات الأكتينيدات المستنشقة، فتكون أكثر ضررًا لأنها تبقى في الرئتين وتُشعّع أنسجة الرئة.

يوجد الأكتينيوم بشكل طبيعي بكميات ضئيلة في خام اليورانيوم على هيئة نظير ^227Ac ، وهو نظير باعث لأشعة ألفا وبيتا، ويبلغ عمر النصف له 21.773 سنة. يحتوي خام اليورانيوم على حوالي 0.2 ملغ من الأكتينيوم لكل طن من اليورانيوم. ويُصنع عادةً بكميات ضئيلة (بالمليغرام) عن طريق تشعيع الراديوم ²²⁶ بالنيوترونات في مفاعل نووي. يتكون الأكتينيوم الطبيعي بشكل شبه حصري من نظير واحد، هو 227Ac ^{، مع وجود آثار ضئيلة فقط من} نظائر أخرى أقصر عمراً ( ^225Ac و ²²⁸ Ac) في سلاسل تحلل أخرى. ^{[ 11 ]}

يوجد الثوريوم بنسب منخفضة في معظم الصخور والتربة ، حيث يفوق تركيزه تركيز اليورانيوم بثلاثة أضعاف تقريبًا ، ويُقارب تركيز الرصاص . تحتوي التربة عادةً على حوالي 6 أجزاء في المليون من الثوريوم. ^{[ 12 ]} يوجد الثوريوم في العديد من المعادن ؛ وأكثرها شيوعًا هو معدن المونازيت ، وهو فوسفات من العناصر الأرضية النادرة والثوريوم ، ويحتوي على ما يصل إلى 12% من أكسيد الثوريوم، الذي تمتلك العديد من الدول رواسب كبيرة منه. يتحلل الثوريوم ^-232 ببطء شديد، حيث يبلغ عمر النصف له 14 مليار سنة، أي ما يُعادل ثلاثة أضعاف عمر الأرض تقريبًا . توجد نظائر أخرى للثوريوم في سلاسل تحلل الثوريوم واليورانيوم . هذه النظائر أقصر عمرًا، وبالتالي فهي أكثر إشعاعًا من الثوريوم ^-232 ، على الرغم من أنها ضئيلة جدًا من حيث الكتلة.

ارتبط الثوريوم بسرطان الكبد . في الماضي، استُخدم الثوريا ( ثاني أكسيد الثوريوم ) كعامل تباين في التصوير الطبي بالأشعة السينية، وكان يُباع تحت اسم ثوروتراست . وقد توقف استخدامه منذ ذلك الحين. في الهند ، توجد كميات كبيرة من خام الثوريوم على شكل مونازيت في رواسب غرينية في رمال الكثبان الساحلية الغربية والشرقية ، وخاصة في المناطق الساحلية لولاية تاميل نادو . ويتعرض سكان هذه المنطقة لجرعة إشعاعية طبيعية أعلى بعشر مرات من المتوسط ​​العالمي. ^{[ 13 ]}

البروتاكتينيوم أحد أندر العناصر الطبيعية وأغلاها ثمناً. يوجد على شكل نظيرين، ²³¹ Pa و ²³⁴ Pa، حيث يوجد النظير ²³⁴ Pa في حالتين طاقيتين مختلفتين. معظم البروتاكتينيوم الطبيعي هو ²³¹ Pa. وهو باعث لأشعة ألفا ، ويتكون من تحلل اليورانيوم-235 ، بينما ينتج ^{234 Pa} ، الذي يشع أشعة بيتا، نتيجة تحلل اليورانيوم-238 . يتحلل معظم اليورانيوم-238 (99.8%) أولاً إلى نظير ^234m Pa الأقصر عمراً . ^{[ 14 ]}

يوجد البروتاكتينيوم في اليورانينيت (البيتشبلند) بتراكيز تتراوح بين 0.3 و3 أجزاء من البروتاكتينيوم ^-231 لكل مليون جزء من الخام. في حين أن المحتوى المعتاد أقرب إلى 0.3 جزء في المليون ^{[ 15 ]} (كما هو الحال في ياخيموف ، جمهورية التشيك ^{[ 16 ]} )، فإن بعض الخامات من جمهورية الكونغو الديمقراطية تحتوي على حوالي 3 أجزاء في المليون. ^{[ 17 ]} ينتشر البروتاكتينيوم بشكل متجانس في معظم المواد الطبيعية وفي الماء، ولكن بتراكيز أقل بكثير في حدود جزء واحد لكل تريليون، وهو ما يعادل نشاطًا إشعاعيًا قدره 0.1 بيكوكوري/غرام. يوجد حوالي 500 ضعف كمية البروتاكتينيوم في جزيئات التربة الرملية مقارنةً بالماء، حتى عند مقارنتها بالماء الموجود في نفس عينة التربة. تُقاس نسب أعلى بكثير تصل إلى 2000 وما فوق في التربة الطينية والتربة الطينية، مثل البنتونيت . ^{[ 14 ] [ 18 ]}

يوجد اليورانيوم في جميع أنواع التربة تقريبًا. وهو أكثر وفرة من الأنتيمون والبريليوم والكادميوم والذهب والزئبق والفضة والتنغستن ، ويُقارب وفرته وفرة الزرنيخ أو الموليبدينوم . وتوجد تراكيز كبيرة من اليورانيوم في بعض المواد مثل رواسب صخور الفوسفات ، ومعادن مثل الليغنيت ، ورمال المونازيت في الخامات الغنية باليورانيوم ، حيث يُستخرج منها تجاريًا أيضًا.

يحتوي ماء البحر على حوالي 3.3 جزء في المليار من اليورانيوم وزناً ^{[ 19 ]} على شكل يورانيوم سداسي التكافؤ، والذي يشكل مركبات كربونات قابلة للذوبان . وقد تم النظر في استخلاص اليورانيوم من ماء البحر كوسيلة للحصول على هذا العنصر. ونظراً لانخفاض النشاط الإشعاعي النوعي لليورانيوم، فإن تأثيراته الكيميائية على الكائنات الحية غالباً ما تفوق تأثيرات إشعاعه. وقد أُضيف المزيد من اليورانيوم إلى البيئة في بعض المواقع نتيجة لدورة الوقود النووي واستخدام اليورانيوم المنضب في الذخائر.

يوجد النبتونيوم طبيعيًا بتراكيز منخفضة في خام اليورانيوم ، حيث تلتقط ذرات اليورانيوم-238 النيوترونات وتخضع لتفاعلات تحويل نووي ، مما ينتج عنه النبتونيوم-237 والنبتونيوم-239. يتميز النبتونيوم بميل كبير للتربة. ^{[ 20 ]} على الرغم من ذلك، فهو متحرك نسبيًا على المدى الطويل، ويُعد انتشار النبتونيوم ^-237 في المياه الجوفية مشكلة رئيسية في تصميم مستودع جيولوجي عميق للتخزين الدائم للوقود النووي المستهلك . يبلغ عمر النصف للنبتونيوم ^-237 حوالي 2.144 مليون سنة، ولذلك فهو يمثل مشكلة طويلة الأمد؛ إذ أن عمر النصف له أقصر بكثير من أعمار النصف لليورانيوم-238 واليورانيوم -235 واليورانيوم -236 ، وبالتالي يتمتع النبتونيوم ^-237 بنشاط إشعاعي نوعي أعلى من تلك النظائر. لا يُستخدم إلا في صنع البلوتونيوم-238 عند قصفه بالنيوترونات في المختبر.

يوجد البلوتونيوم طبيعيًا بتراكيز منخفضة في خام اليورانيوم . البلوتونيوم-238 هو ناتج عن التحلل المزدوج بيتا لليورانيوم -238 ، والبلوتونيوم-239 هو ناتج تحلل النبتونيوم-239 ، الذي يحدث عندما يخضع اليورانيوم ^{-238 لتفاعل} تحول نووي نتيجة لالتقاط النيوترونات . كما يوجد البلوتونيوم-240 والبلوتونيوم -244 في الطبيعة، وقد دفع عمر النصف للأخير، البالغ 81.3 مليون سنة، إلى اقتراحه كنظير مشع بدائي ، على الرغم من عدم تأكيد التقارير الأولية عن اكتشافه. للبلوتونيوم استخدامات عديدة، ومن خلال هذه الاستخدامات، تم إطلاق كميات ضئيلة منه في البيئة. تشمل استخدامات البلوتونيوم ما يلي:

• البطاريات الذرية في الأقمار الصناعية والمركبات الجوالة وأجهزة تنظيم ضربات القلب
• تفجيرات القنابل الذرية وتجارب السلامة
• جريمة نووية
• دورة الوقود النووي
• محطات الطاقة النووية

غالباً ما يدخل الأمريسيوم إلى مكبات النفايات من أجهزة كشف الدخان المهملة . وتُعدّ قواعد التخلص من أجهزة كشف الدخان متساهلة للغاية في معظم البلديات. فعلى سبيل المثال، في المملكة المتحدة ، يُسمح بالتخلص من جهاز كشف الدخان الذي يحتوي على الأمريسيوم بوضعه في سلة المهملات مع النفايات المنزلية العادية، ولكن يُسمح بوضع جهاز واحد فقط في كل سلة مهملات. كما أن تصنيع المنتجات التي تحتوي على الأمريسيوم، بالإضافة إلى المفاعلات النووية والانفجارات، قد يُؤدي إلى إطلاق الأمريسيوم في البيئة. ^{[ 22 ]}

في عام 1999، أفادت التقارير أن شاحنة تنقل 900 جهاز كشف دخان في فرنسا اشتعلت فيها النيران؛ ويُزعم أن ذلك أدى إلى تسرب الأمريسيوم إلى البيئة. ^{[ 23 ]} وفي الولايات المتحدة، تمكن ديفيد هان، الملقب بـ"الكشاف المشع"، من شراء آلاف أجهزة كشف الدخان بأسعار مخفضة واستخلاص الأمريسيوم منها.

سُجّلت حالات تعرّض فيها البشر للأمريسيوم. وكانت أسوأ هذه الحالات حالة هارولد ماكلوسكي ، الذي تعرّض لجرعة عالية للغاية من الأمريسيوم-241 إثر حادثة في صندوق القفازات . وخضع لاحقًا للعلاج بالاستخلاب . ومن المرجّح أن الرعاية الطبية التي تلقّاها أنقذت حياته؛ فعلى الرغم من تشابه التوزيع الحيوي والسمية مع البلوتونيوم، إلا أن العنصرين المشعين يختلفان في تركيبهما الكيميائي في المحلول. ^{[ 24 ]} يكون الأمريسيوم مستقرًا في حالة الأكسدة +3 ، بينما يمكن أن تتكوّن حالة الأكسدة +4 للبلوتونيوم في جسم الإنسان. ^{[ 25 ]}

يتحلل نظير الأمريسيوم-241 الأكثر شيوعاً بنصف عمر يبلغ 432 عاماً إلى النبتونيوم-237 . وعلى المدى البعيد، تنطبق المشكلات المذكورة أعلاه فيما يتعلق بالنبتونيوم. ^{[ 26 ]}

يميل الأمريسيوم المنطلق في البيئة إلى البقاء في التربة والمياه على أعماق ضحلة نسبيًا، وقد تمتصه الحيوانات والنباتات أثناء نموها؛ إذ تمتص المحار، مثل الروبيان، الأمريسيوم-241 في أصدافها، وقد تتلوث أجزاء من نباتات الحبوب نتيجة التعرض له. ^{[ 27 ]} في ورقة بحثية نُشرت عام 2021، أفاد جيه دي تشابلن وآخرون عن تطورات في تقنية التدرجات الانتشارية في الأغشية الرقيقة ، والتي وفرت طريقة لقياس الأمريسيوم المتاح بيولوجيًا في التربة، وكذلك في المياه العذبة ومياه البحر. ^{[ 28 ]}

مركبات الكوريوم الجوية قليلة الذوبان في المذيبات الشائعة، وتلتصق في الغالب بجزيئات التربة. وكشف تحليل التربة عن تركيز للكوريوم في جزيئات التربة الرملية أعلى بنحو 4000 مرة من تركيزه في الماء الموجود في مسام التربة. وسُجّلت نسبة أعلى، بلغت حوالي 18000، في التربة الطينية . ^{[ 29 ]}

يُعد الكاليفورنيوم غير قابل للذوبان في الماء إلى حد كبير، ولكنه يلتصق جيداً بالتربة العادية، ويمكن أن تكون تركيزاته في التربة أعلى بمقدار 500 مرة من تركيزاته في الماء المحيط بجزيئات التربة. ^{[ 30 ]}

• اليورانيوم في البيئة
• الراديوم في البيئة
• الإشعاع الخلفي
• طب الأشعة

• هالا، جيري، وجيمس د. نافراتيل. النشاط الإشعاعي، الإشعاع المؤين، والطاقة النووية . كونفوي: برنو، جمهورية التشيك، 2003. ISBN 80-7302-053-X.

• "لماذا تُعدّ الآليات مهمة في إدارة النفايات المشعة؟" - الجمعية الملكية للكيمياء
• "التحليل الطيفي للدراسات البيئية لأنواع الأكتينيدات" - اتحاد العلماء الأمريكيين