キセノン133

キセノン133 (Xenon-133・¹³³Xe) とは、キセノンの同位体の1つ。

キセノン133
核種の一覧
概要
名称、記号	キセノン133,133Xe
中性子	79
陽子	54
核種情報
天然存在比	0
半減期	5.2475 ± 0.0005 日
親核種	133mXe (IT) 133I (β-)
崩壊生成物	133Cs
同位体質量	132.9059107(26) u
スピン角運動量	3/2+
余剰エネルギー	−87643.6± 2.4 keV
崩壊モード	崩壊エネルギー
β-	0.346 MeV

概要

¹³³Xeはキセノンの主要な放射性同位体の1つである。¹³³Xeは5.248日の半減期をもち、ベータ崩壊によって427keVのエネルギーを放出し、安定同位体である¹³³Csに崩壊する^[1]。

${\displaystyle \mathrm {^{133}_{\ 54}Xe\ {\xrightarrow[{5.248\ days}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 55}^{133}Cs} }$

¹³³Xeは、一部の長寿命の半減期を持つと推定されている安定同位体を除けば、¹²⁷Xeの36.35日、^131mXeの11.9日に次いで半減期の長い放射性同位体である。また、¹³³Xeには核異性体の^133mXeがあり、2.2日の半減期をもって核異性体転移をして¹³³Xeになる。また、核分裂生成物の1つである¹³³Iは半減期21時間のベータ崩壊によって¹³³Xeになる^[1]。

¹³³Xeは通常自然界には存在しない同位体であるが、後述するとおり人為的な行動によって大気中に極微量含まれていることがある。

核分裂との関連

核燃料として燃えた際の²³³U、²³⁵U、²³⁹Puの核分裂生成物の収率のグラフ。¹³³Xeは²³⁵Uおよび²³⁹Puの熱中性子における核分裂では¹³³Csと共に最も生じやすい核種である。

¹³³Xeは核分裂反応で生じる主要な核種であり、原子力事故の際に放出される放射性物質のかなりの量を占める。

¹³³Xeは原子力発電所や核兵器における核分裂反応をする核燃料である²³⁵Uや²³⁹Puの主要な核分裂生成物である^[2]。核分裂反応の条件によって生じる核種の種類や割合には若干の差が生ずるが、¹³³Xeは¹³⁷Csや¹³¹Iと同じくらい圧倒的な量が生成され、しかもキセノンは希ガスのためにほとんど化学反応をせず、単原子分子のために狭い隙間も通り抜けて大気中に容易に放出・拡散する。また、半減期が若干長いため時間が経っても残りやすく、原子力事故や核実験の際には測定の対象となりやすい核種である^[3]。

例えば、福島第一原子力発電所事故の際には、原子力安全・保安院の推定で1.1×10¹⁹Bq^[4]、NILU（英語版）のA. Stohlらの推定では1.24×10¹⁹Bq^[5]、ZAMG（ドイツ語版）の推定で1.67×10¹⁹Bq^[6]もの¹³³Xeが放出されたと推定されている。¹³³Xeは風によって数日で世界中へと拡散した^[5]。このように多量に放出・拡散されやすい¹³³Xeであるが、原子力事故の際に放射性物質による汚染や内部被曝などの影響を考慮する核種に¹³³Xeは挙げられない。それは、¹³³Xeが希ガスとしての性質を持つため、¹³⁷Cs、¹³¹I、⁹⁰Srなどのような核種とは異なり、体内に蓄積しにくいためである。

過去の原子力事故・核兵器における¹³³Xeの放出量

	×1017Bq
福島第一原子力発電所事故	110[4]
チェルノブイリ原子力発電所事故	65[7]
広島市への原子爆弾投下	1.4[8]
ウィンズケール原子炉火災事故	1.2[9]

福島第一原子力発電所から放出された主要な放射性同位体の量^[4]

核種	×1015Bq
137Cs	15
133Xe	11000
134Cs	18
131I	160
90Sr	0.14
132Te	88

また、北朝鮮のような一部の国に対して、核実験を行ったかどうかの監視に¹³⁵Xeと共に測定対象となっている^[3]。2013年の北朝鮮の核実験では、当初はもれ出た放射性物質の検出がされなかったが、実験から55日後に包括的核実験禁止条約機関が日本の高崎市およびロシアのウスリースクに設置した検出器で、非常に微量であるが北朝鮮の核実験由来と推定される¹³³Xeと^131mXeを検出している。その同位体比は実験から検出日までの日時と一致するものであった^[10][11]。核兵器では燃料にウランとプルトニウムのどちらを用いるかによって若干放射性同位体の割合が変化し、その割合も良く知られているため、検出された¹³³Xeと¹³⁵Xeの量から、間接的にどの種類の核兵器を用いたかを推定する事が出来る^[3]。

医学的用途

¹³³Xeは主に81.0keVのガンマ線を放出するため、肺の換気機能や脳血流の機能をシンチグラフィ化するための検査用吸引ガスとして用いられる。肺から吸引した場合、体内を循環した¹³³Xeの95%が肺から体外へと抜け出る。また、健常者5例による3.70×10⁸Bqの¹³³Xeの吸入における空気による洗い出しの生物学的半減期は平均21秒である^[12][13]。先述の通り¹³³Xeは原子力発電所で大量に生成されるため、この用途のために原子炉から回収されている^[14]。