トリウム (Th, Z = 90)：豊富な原子力エネルギー源

トリウムの簡易原子モデル — 画像の説明：トリウム原子の簡易原子モデル。最も豊富な同位体は \(\,^{232}\mathrm{Th}\,\) で、90個の陽子、90個の電子、142個の中性子を持っています。
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天体物理学と宇宙化学における役割

トリウムは、他の重いアクチノイドと同様に、主に極端な天体物理現象、特にr過程（急速中性子捕獲過程）によって形成されます。この過程は、中性子星の合体や特定の超新星で発生します。太陽系では、非常に長い半減期のために現在も存在しています。同位体 \(\,^{232}\mathrm{Th}\)（半減期140.5億年）は、地球化学と天体物理学において宇宙時計として機能します。トリウム/ウラン（Th/U）比とトリウム/他の重元素比は、地球の地殻、隕石の年代測定、銀河の年齢推定に使用されます。短寿命の放射性元素とは異なり、トリウム-232は岩石惑星に恒常的で長期的な熱流を提供し、地質学的時間スケールでの内部地質活動の維持に貢献しています。

トリウムの発見の歴史

トリウムは1828年にスウェーデンの化学者ヨンス・ヤコブ・ベルセリウス（1779-1848）によって発見されました。彼はノルウェーの牧師でありアマチュア鉱物学者であるハンス・モルテン・トラネ・エスマルクから送られた黒っぽい岩石のサンプル（トリウムのケイ酸塩であるトール石）からトリウムを単離しました。ベルセリウスは新元素を北欧神話の雷神トールにちなんで「トリウム」と名付けました。1世紀近くにわたり、トリウムは主に実験室での珍品であり、ガスランプの白熱マントル（トール石）に限定的な応用がありました。トリウムの真の重要性は、放射能と核分裂の発見によって明らかになりました。1941年、グレン・T・シーボーグとその同僚は、トリウムから派生した最初の核分裂性同位体であるウラン-233 (\(\,^{233}\mathrm{U}\)) を同定し、トリウムサイクルの概念への道を開きました。

N.B.：
トリウムは長らく原子力の「忘れられた星」でした。20世紀の原子力プログラムは軍事（爆弾）および民生用途のためにウランとプルトニウムに集中していたため、トリウムは武器用核分裂物質の生産に適さないと考えられ、ほとんど無視されてきました。核拡散、長寿命の核廃棄物、ウラン資源の枯渇への懸念が高まるにつれ、21世紀に入ってトリウムはより安全で持続可能な原子炉の燃料として世界的な関心を再び集めています。

トリウムの構造と基本的な性質

トリウム（記号Th、原子番号90）はアクチノイドで、アクチニウムに続く2番目の元素です。一般的に肥沃な金属と考えられており、核分裂性ではありません。天然に存在する主な同位体は \(\,^{232}\mathrm{Th}\) で、非常に長い半減期（140.5億年）のアルファ放出体です。純粋なトリウム金属は銀灰色で柔らかく、展性と延性に富んでいます。室温では面心立方晶構造を示します。空気中で比較的安定で、薄い保護酸化物層（ThO₂、トリア）を形成します。これはウランの酸化物層よりもはるかに安定しています。密度は11.7 g/cm³で、優れた電気伝導体です。
融点：2023 K（1750 °C）。
沸点：5061 K（4788 °C）。
トリウムは地殻中でウランの約3〜4倍豊富に存在します。

トリウムの主な同位体

トリウムの重要な同位体（性質と役割）
同位体 / 表記	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	主な崩壊モード / 備考
トリウム-232 — \(\,^{232}\mathrm{Th}\,\)	90	142	232.038055 u	〜100 %	140.5億年	α (100%)。原始的な肥沃同位体。中性子を捕獲して核分裂性ウラン-233への連鎖を開始。地熱源。
トリウム-228 — \(\,^{228}\mathrm{Th}\)	90	138	228.028741 u	微量（崩壊生成物）	1.913年	α (100%)。トリウム-232の崩壊系列におけるラジウム-228の娘核種。海洋学と地球化学でトレーサーとして使用。
トリウム-230 — \(\,^{230}\mathrm{Th}\)	90	140	230.033134 u	非天然（崩壊生成物）	75,380年	α (100%)。イオニウムとも呼ばれる。ウラン-238の娘核種。炭酸塩、サンゴ、海洋堆積物の年代測定に重要（ウラン系列）。
トリウム-229 — \(\,^{229}\mathrm{Th}\)	90	139	229.031762 u	非天然（合成）	7,917年	α (100%)。これまでに測定された中で最も低いエネルギーの核異性体準位（〜8 eV）を持ち、核時計の開発への道を開く。

トリウムの電子配置と化学

N.B.：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか（新しいウィンドウ）。

トリウムは90個の電子を持ちます。その基底状態の電子配置は [Rn] 6d² 7s² です。ウランやその後のアクチノイドとは異なり、基底状態では5f電子を持ちません。この配置により、トリウムは化学的にハフニウム（第4族）と、ある程度セリウムに似ています。主に+4酸化状態（Th⁴⁺）を示し、非常に安定しています。Th⁴⁺イオンは比較的大きく、高い電荷を持つため、強いルイス酸として機能し、炭酸塩、リン酸塩、有機物など多様な配位子と安定な錯体を形成します。トリウムは水溶液中で+3酸化状態をほとんど示しません。これは他の軽いアクチノイドとは異なります。

化学反応性と主な化合物

トリウム金属はかなり反応性が高いです。空気中でゆっくりと酸化し、燃焼してトリア（ThO₂）を形成します。トリアは非常に難融性の白色セラミック（融点〜3390 °C）です。トリウムは高温でハロゲン、水素、窒素、炭素、硫黄と反応します。溶液中ではTh⁴⁺が唯一の安定なイオンです。容易に加水分解し、中性または塩基性pHでTh(OH)₄として沈殿します。酸化物ThO₂と硝酸塩Th(NO₃)₄は工業的に最も重要な化合物です。硝酸塩は水と有機溶媒に非常に溶けやすく、トリウム燃料の抽出と再処理プロセスに不可欠です。

トリウムの応用

原子力エネルギー（トリウムサイクル）：トリウム-232は肥沃です。原子炉内で中性子を捕獲してトリウム-233を形成し、これがプロトアクチニウム-233を経て核分裂性ウラン-233に崩壊します。このサイクルは、資源の豊富さ、長寿命廃棄物の少なさ、核拡散抵抗性などの利点を提供します。液体フッ化物トリウム原子炉（LFTR）や溶融塩原子炉などの概念は、このサイクルを利用するために特別に設計されています。
耐火材料：トリウム酸化物（トリア、ThO₂）は、その非常に高い融点と化学的安定性のため、実験室用るつぼ、炉のライニング、高性能白熱電球のフィラメントに使用されます。
合金：マグネシウムやタングステンに少量（約2%）のトリウムを添加すると、機械的性質と高温クリープ抵抗が大幅に向上します（航空宇宙用Mg-Th合金、トリウム入りタングステンフィラメント）。
触媒：トリアは石油のクラッキングと有機化学物質の合成に触媒として使用されます。
地質学的年代測定：ウラン-トリウム崩壊系列（ \(\,^{238}\mathrm{U}\) → \(\,^{230}\mathrm{Th}\) ）の不均衡は、炭酸塩（サンゴ、鍾乳石）や海洋堆積物の年代測定（約50万年まで）に不可欠な方法です。
基礎研究：トリウム-229の非常に低エネルギーの核異性体（ \(\,^{229m}\mathrm{Th}\) ）は、現在の光学原子時計よりも安定で精密な核時計の開発に研究されています。

生産、資源、経済

トリウムは地殻中で比較的豊富な元素で、平均濃度は約9.6 ppmと推定され、ウランの3〜4倍です。天然の金属としては存在しません。主な鉱石はモナザイトで、これは希土類のリン酸塩で、通常3%から12%のトリウム酸化物（ThO₂）を含みます。他の鉱物にはトール石とトリアナイトがあります。主な埋蔵量はインド（世界最大の埋蔵量）、ブラジル、オーストラリア、アメリカ、ノルウェーにあります。トリウムの抽出は通常、希土類またはチタンの採掘の副産物です。現在、トリウムを核燃料として使用する世界的な市場はほとんどなく、生産は他の応用（耐火材料、合金）の需要にリンクしています。価格は主に希土類鉱石からの分離と精製のコストによって決まります。

安全性と放射線防護の観点

天然トリウム（ほぼすべてTh-232）は、非常に長い半減期のため比放射能が低い放射性元素です。その外部放射線（主にアルファ粒子と娘核種からの弱いガンマ線）は紙一枚や皮膚の死んだ層で容易に遮蔽されます。主なリスクは内部被ばくです：粉塵やエアロゾルとして吸入または摂取された場合、トリウムは肺、骨、臓器に沈着し、数十年にわたって残留し、周囲の組織を照射します。トリウムは化学的および放射線的な発がん物質として認識されています。トリウム粉末や短寿命の娘核種をほとんど含まない新鮮なトリウムの取り扱いには、粉体化学の標準的な予防措置（フード）が必要です。大量の長期保管には、トリウム系列の非常に短寿命（55.6秒）の放射性ガスであるラドン-220（トロン）の蓄積を避けるため、制御された換気が必要です。