Information

インフォメーション

99番元素アインスタイニウム
Einsteinium: Element 99

西尾勝久 重元素核科学研究グループ

Katsuhisa Nishio

Research Group for Heavy Element Nuclear Science

概要

Abstract

重元素核科学研究グループは、米国オークリッジ国立The research group

研究所（米国エネルギー省 DOE 管轄、以下 ORNL）とfor heavy element nuclear science has obtainedの協力で、アインスタイニウム（Es）0.5 μ g を特別にan einsteinium isotope (half micro-gram) under入手した。Es の抽出は ORNL でも 2003 年以来のこと

collaboration with Oak Ridge National Laboratory,となり、日本がこれを入手するのは初めてである。ここでは入手の経緯とEs を用いた研究について簡単に紹介する。

USA (ORNL, under the jurisdiction of DOE). After the
production of Es, Einsteinium extraction was recently
performed at ORNL, which has not been performed for
14 years since 2003. The circumstances under which

1. アインスタイニウムとその生成方法

Es was obtained and our research plans for Es are

アインスタイニウム（原子番号 Z = 99、元素記号 Es）

briefly introduced in this paper.

は、1952 年に水爆実験の放射性降下物の中から発見された。現在では、研究用原子炉内での材料照射で生成される。今回利用するアインスタイニウム 254（254Es、半減期 276 日）は、
ORNL のアイソトープ生成用原子炉（HighFlux Isotope Reactor, HFIR）で生成された。HFIR は中252

Einsteinium (Es, atomic number Z = 99) was
discovered in 1952 from the radioactive falloutproduced by the hydrogen bomb. Nowadays, thisisotope can be produced by irradiating seed nuclides

性子線源として利用されるカリホルニウム 252（ Cf、Zwith neutrons in a nuclear reactor. Einsteinium-254= 98）などを生成しているが、今回の 254Es は、この 252Cf(254Es, half-life = 276 days), obtained recently by JAEA,を生成する際の副産物として図１のような経路をたどりwas generated in the High Flux Isotope Reactor生成された。密封容器に入れられた数十 g の Am/Cm 試料を炉心の中心に入れ、一か月単位の照射を何回か繰り返すことによってようやく

254

Es が生成される。

今回の運転も 252Cf を生成するのが目的で、運転当初、Es を抽出する計画はなかった。一方、計算によれば、254Es が 1 μ g（1g の 100 万分の 1）生成されることが

29

1. Einsteinium and its production

基礎科学ノート Vol. 24

No.1

March 2018(HFIR) at ORNL. HFIR is used to produce actinide
isotopes such as Californium-252 (252Cf, Z = 98) as well
as a neutron source. In the present case, 254Es wasproduced as a by-product of 252Cf. The formation paths
from the seed to 254Es is shown in Fig. 1. Several tensof grams of americium (Am, Z = 95) and curium (Cm,Z = 96) were enclosed in an air-tight container, which

インフォメーション見込まれた。そこで当グループは ORNL/DOE と交渉を

was then irradiated by neutrons in the reactor core to

重ね、計画外であった Es 抽出作業を実現した。“どうaccumulate 254Es.
ORNL had no plan to extract einsteinium during

して入手できるようになったのか？”とよく聞かれるが、252

背景を簡単に述べたい。

Cf production. However, our calculation estimatedthe produced amount of 254Es to reach one micro-gramduring the irradiation. Thus, our group negotiated with

2. 国際協力・ユニークな研究・技術の継承
Es を入手するためには、まず原子力機構が開発し、ここでしかできないユニークな実験技術を有すること、

ORNL/DOE to allow the extraction of the produced
Es for our experimental studies, which was then finallyrealized.

しかも 0.1 μ g 程度の試料で実現できることが重要であった。さらに、Es を投資することで期待される結果が議論された。具体的には、タンデム加速器からの重イオンビームを用いた核分裂研究である。あわせて、
SPring-8 の放射光を利用し、物質科学研究センターが進

2. International collaboration, Unique Research
Program, and Succession of Technical Skills
For the negotiation to obtain 254Es, it was important
to be able to conduct unique experiments with originaltechniques developed by JAEA and to realize such

める研究に活用することを JAEA 内で議論した。

experiments with only approximately 0.1 μ g of 254Es.

(1) ORNL との国際協力

We concluded that, in-beam fission measurements,ORNL との協力研究は、先端基礎研究センターの黎明研究制度から始まったもので、核分裂とは異なるが、同
じく JAEA タンデム加速器を用いた研究を進めていた。
一方、当グループは核分裂に関する新たな測定方法を開using heavy-ion beams from the JAEA tandem
accelerator is possible. Furthermore, EXAFS
measurement of hydrated Es complex at the SPring-8
synchrotron radiation facility using a setup developed
at JAEA was contemplated.

発し、ネプツニウムやキュリウムなど様々なアクチノイ(1) International Collaboration with ORNL

ド同位体の新しい核分裂データを次々に取得していたBased on the Reimei research program, we have been

[1-3]。ORNL とは広く核物理に関する様々な議論を行い、

collaborating with ORNL for nuclear physics programs

254

at the JAEA tandem facility. This relationship createdEs を標的試料として用いればかつてユニークな核分裂様式が発見されたフェルミウム（Fm、Z = 100）領域の核分裂を調べることができるという結論を得て、最終的に今回の入手へと至った。すなわち、このような取り組みがなければ(2) 技術の継承

254

Es の入手の実現はなかった。

a wide discussion on potential collaborative nuclear
physics experiments, including fission physics. Ourgroup developed a fission-measurement setup thatallowed us to obtain new data for various actinide
isotopes such as neptunium and curium [1-3]. The
discussion concluded that 254Es, which will be produced

基礎科学ノート Vol. 24

No.1

March 201830

冒頭でも述べたが、今回の Es の抽出は ORNL にとっin the HFIR campaign in 2016–2017, would offer aても 14 年ぶりであった。Es はマクロ量の試料を用いる

unique opportunity to study the fission of fermium

事ができる究極に重い元素である。ORNL からは、この取り扱い技術を継承させる意義があると伝えられており、実際にこの作業を行うため彼らは技術者を１年間雇用している。当グループも化学分離技術を有しているが、その技術がなければ実験戦略が立たず、本プログラ(Z = 100) isotopes, in which case a sudden change inthe fission-fragment mass distributions was found forneutron-rich isotopes. The unique setup and novel
technique developed at JAEA was essential to create
the einsteinium program.
(2) Succession of Technical Skills

ムは成立しない。半減期の短い 254Es はわずか 2 ヶ月でAs mentioned before, Es was extracted after an

14％が壊変して他の元素に変わってしまうため、高純度

interval of 14 years at ORNL. Es is the heaviest

254

Es を用いた実験の前には分離精製が必須となるから

element among those of which a macro amountis available for chemical studies. In ORNL, it wasである。

considered an important subject to hand down thenecessary skills of chemical separation and purify such

3. まとめheavy actinide elements to the next generation, andアインスタイニウムの話題は、分野を超え、重い元素

thus, they employed technical staff to carry out theの物理や化学への興味を再び駆り立てることになった。

separation. Our group, too, has the skills to chemically

フェルミウムで起こる核分裂様式の変化、アインスタイ

separate actinide elements. Chemical purification of

ニウムの水和状態など、ここで得られる知見が、各分野における重元素科学の理解や発展につながることを期待したい。

254

Es is necessary at intervals of 1 or 2 months for use

in experiments using highly purified 254Es; 14% of 254Es
decays to its daughter nuclide only in 2 months. Thus,
this technique is essentially required to perform all ourexperiments using purified 254Es.

参考文献

References[1] R. Léguillon et al., Phys. Lett. B, 761, 125 (2016).
[2] K. Hirose et al., Phys. Rev. Lett. 119, 222501 (2017).
[3] A.N. Andreyev, K. Nishio, K.-H. Schmidt, Rep. on
Prog. Phys. 81, 016301 (2018).

3. Summary
The production of the rare 254Es reinvigorated a greatinterest in the physics and chemistry of the heaviest
elements and nuclei. In nuclear physics, this finding
provides us an opportunity to attack the open question
about fission in the fermium region. From the EXAFS
measurement, we can obtain information on hydrated
complexes of Es, such as hydrated radius, for thefirst time. I hope that the program can help promoteresearch activities related to the heaviest actinides.

31

基礎科学ノート Vol. 24

No.1March 2018

図1
原子炉内でアインスタイニウムが生成される経路。Cm 同位体を種として、次々に中性子を捕獲して質量数が大きな同位体が生成されるとともに、特定の同位体がβ- 崩壊して原子番号が 1 つ大きな同位体（元素）が生成される。Es だけでなく Fm もナノグラム（1 ｇの 1 億分の 1）程度は生成できる。なお、Fm 同位体はβ- 崩壊をしないので、原子炉ではこれより重い元素を生成することはできない。
Fig.1
Paths to produce einsteinium in a high-flux reactor. Neutron capture and β- decay processes are repeated to reach254
Es. Through the reaction and decay network, a few nanograms of fermium isotopes, the heaviest element that canbe produced in the reactor, will be generated.

基礎科学ノート Vol. 24

No.1

March 201832