Plutoniumin isotoopit ovat kemiallisen alkuaineen plutoniumin atomien (ja ytimien ) lajikkeita, joiden ytimessä on erilainen neutronipitoisuus . Plutoniumilla ei ole stabiileja isotooppeja. Luonnostaon löydetty jäämiä plutonium-244 :stä. Pisin isotooppi on 244 Pu, jonka puoliintumisaika on 80 miljoonaa vuotta.
Plutoniumin isotoopeista tiedetään tällä hetkellä sen 20 nuklidin olemassaolosta massaluvuilla 228-247 [1] . Vain 4 heistä on löytänyt sovelluksensa [2] . Isotooppien ominaisuuksilla on jokin tunnusomainen piirre, jonka perusteella voidaan arvioida niiden jatkotutkimusta - jopa isotooppien puoliintumisajat ovat pidempiä kuin parittomilla (tämä oletus pätee kuitenkin vain sen vähemmän tärkeille nuklideille).
Yhdysvaltain energiaministeriö jakaa plutoniumseokset kolmeen tyyppiin [3] :
Termiä "ultrapuhdas plutonium" käytetään kuvaamaan plutonium-isotooppien seosta, joka sisältää 2-3 prosenttia 240 Pu :ta [3] .
Vain kaksi tämän alkuaineen isotooppia ( 239 Pu ja 241 Pu) kykenevät ydinfissioon paremmin kuin muut; Lisäksi nämä ovat ainoita isotooppeja, jotka läpikäyvät ydinfission lämpöneutronien vaikutuksesta [3] . Lämpöydinpommien räjähdyksen tuotteista löydettiin myös 247 Pu ja 255 Pu [4] , joiden puoliintumisajat ovat suhteettoman lyhyitä.
Nuklidi symboli |
Z ( p ) | N( n ) | Isotooppimassa [5] ( a.u.m. ) |
Puoliintumisaika [ 6] (T 1/2 ) |
Decay kanava | Hajoamistuote | Ytimen spin ja pariteetti [6] |
Isotoopin esiintyvyys luonnossa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Herätysenergia | ||||||||
228 Pu | 94 | 134 | 228.03874(3) | 1,1(+20−5) s | α (99,9 %) | 224 U | 0+ | |
β + (0,1 %) | 228 Np _ | |||||||
229 Pu | 94 | 135 | 229.04015(6) | 120(50) s | α | 225 U | 3/2+# | |
230 Pu | 94 | 136 | 230.039650(16) | 1,70 (17) min | α | 226 U | 0+ | |
β + (harvinainen) | 230 Np _ | |||||||
231 Pu | 94 | 137 | 231.041101(28) | 8,6 (5) min | β + | 231 Np _ | 3/2+# | |
α (harvinainen) | 227 U | |||||||
232 Pu | 94 | 138 | 232.041187(19) | 33,7 (5) min | EZ (89 %) | 232 Np _ | 0+ | |
α (11 %) | 228 U | |||||||
233 Pu | 94 | 139 | 233.04300(5) | 20,9 (4) min | β + (99,88 %) | 233 Np _ | 5/2+# | |
α (0,12 %) | 229 U | |||||||
234 Pu | 94 | 140 | 234.043317(7) | 8.8(1) h | EZ (94 %) | 234 Np _ | 0+ | |
α (6 %) | 230 U | |||||||
235 Pu | 94 | 141 | 235.045286(22) | 25,3 (5) min | β + (99,99 %) | 235 Np _ | (5/2+) | |
α (0,0027 %) | 231 U | |||||||
236 Pu | 94 | 142 | 236.0460580(24) | 2 858(8) vuotta | α | 232 U | 0+ | |
SD (1,37⋅10 -7 %) | (eri) | |||||||
CR (2⋅10 -12 %) | 208 Pb 28 Mg | |||||||
β + β + (harvinainen) | 236 U | |||||||
237 Pu | 94 | 143 | 237.0484097(24) | 45.2(1) päivää | EZ | 237 Np _ | 7/2− | |
α (0,0042 %) | 233 U | |||||||
237m1 Pu | 145,544(10)2 keV | 180(20) ms | IP | 237 Pu | 1/2+ | |||
237m2 Pu | 2900(250) keV | 1,1 (1) µs | ||||||
238 Pu | 94 | 144 | 238.0495599(20) | 87,7(1) vuotta | α | 234 U | 0+ | |
SD (1,9⋅10 -7 %) | (eri) | |||||||
CR (1,4⋅10 -14 %) | 206 Hg 32 Si | |||||||
CR (6⋅10 -15 %) | 180 Yb 30 Mg 28 Mg | |||||||
239 Pu | 94 | 145 | 239.0521634(20) | 2.411(3)⋅10 4 vuotta | α | 235 U | 1/2+ | |
SD (3,1⋅10–10 % ) | (eri) | |||||||
239m1 Pu | 391.584(3) keV | 193(4)ns | 7/2− | |||||
239m2 Pu | 3100(200) keV | 7,5 (10) µs | (5/2+) | |||||
240 Pu | 94 | 146 | 240.0538135(20) | 6.561(7)⋅10 3 vuotta | α | 236 U | 0+ | |
SD (5,7⋅10 -6 %) | (eri) | |||||||
CR (1,3⋅10 -13 %) | 206 Hg 34 Si | |||||||
241 Pu | 94 | 147 | 241.0568515(20) | 14 290(6) vuotta | β − (99,99 %) | klo 241 | 5/2+ | |
α (0,00245 %) | 237 U | |||||||
SD (2,4⋅10–14 % ) | (eri) | |||||||
241m1 Pu | 161,6(1) keV | 0,88 (5) µs | 1/2+ | |||||
241m2 Pu | 2200(200) keV | 21(3) ms | ||||||
242 Pu | 94 | 148 | 242.0587426(20) | 3,75(2)⋅10 5 vuotta | α | 238 U | 0+ | |
SD (5,5⋅10 -4 %) | (eri) | |||||||
243 Pu | 94 | 149 | 243.062003(3) | 4.956(3) h | β − | klo 243 | 7/2+ | |
243 m Pu | 383,6(4) keV | 330(30)ns | (1/2+) | |||||
244 Pu | 94 | 150 | 244.064204(5) | 8.00(9)⋅10 7 vuotta | α (99,88 %) | 240 U | 0+ | |
SD (0,123 %) | (eri) | |||||||
β − β − (7,3⋅10 −9 %) | 244 cm_ | |||||||
245 Pu | 94 | 151 | 245.067747(15) | 10.5(1) h | β − | klo 245 | (9/2−) | |
246 Pu | 94 | 152 | 246.070205(16) | 10.84(2) päivää | β − | 246m Am | 0+ | |
247 Pu | 94 | 153 | 247.07407(32)# | 2.27(23) päivää | β − | klo 247 | 1/2+# |
Plutoniumista tunnetaan noin 20 isotooppia , jotka kaikki ovat radioaktiivisia. Pisin elävät isotoopit ovat plutonium-244 , joiden puoliintumisaika on 80,8 miljoonaa vuotta; plutonium-242 - 372 300 vuotta; plutonium-239 - 24 110 vuotta, plutonium-240 - 6560 vuotta, plutonium-238 - 87 vuotta, plutonium-241 - 14 vuotta. Kaikkien muiden isotooppien puoliintumisajat ovat alle 3 vuotta. Tällä alkuaineella on 8 metastabiilia tilaa , näiden isomeerien puoliintumisajat eivät ylitä 1 s [7] .
Alkuaineen tunnettujen isotooppien massaluku vaihtelee välillä 228-247. Ne kaikki kokevat yhden tai useamman tyyppisen radioaktiivisen hajoamisen:
Plutoniumin kevyimpien isotooppien (228 - 231) tärkein hajoamiskanava on alfahajoaminen, vaikka elektronien sieppauskanava on myös avoin niille. Pääasiallinen hajoamiskanava plutoniumin kevyille isotoopeille (232–235 mukaan lukien) on elektronien sieppaus; alfahajoaminen kilpailee sen kanssa. Tärkeimmät kanavat isotooppien radioaktiiviselle hajoamiselle, joiden massaluvut ovat välillä 236-244 (paitsi 237 [8] , 241 [8] ja 243), ovat alfahajoaminen ja (vähemmän todennäköisempää) spontaani fissio . Pääasiallinen hajoamiskanava plutonium-isotoopeille, joiden massaluvut ovat yli 244 (sekä 243 Pu ja 241 Pu), on beeta-miinus -hajoaminen americium - isotoopeiksi (95 protonia). Plutonium-241 kuuluu "sukupuuttoon kuolleeseen" radioaktiiviseen neptuniumsarjaan [9] [10] [7] .
Beeta-stabiileja (eli vain hajoamisia, joissa massaluku muuttuu) ovat isotoopit, joiden massaluvut ovat 236, 238, 239, 240, 242, 244.
Plutoniumia saadaan teollisessa mittakaavassa kahdella tavalla [3] :
Molemmissa tapauksissa plutonium erotetaan säteilytyksen jälkeen kemiallisesti uraanista, transuraanialkuaineista ja fissiotuotteista.
Plutonium-238, jota käytetään radioisotooppisähkögeneraattoreissa , voidaan syntetisoida laboratoriossa uraani-238:n vaihtoreaktiossa (d, 2n):
Tässä prosessissa deuteroni tulee uraani-238:n ytimeen, jolloin muodostuu neptunium-238 ja kaksi neutronia. Seuraavaksi neptunium-238 käy läpi beeta-miinushajoamisen plutonium-238:ksi. Tässä reaktiossa plutonium saatiin ensimmäisen kerran (1941, Seaborg). Se ei kuitenkaan ole taloudellista. Teollisuudessa plutonium-238 saadaan kahdella tavalla:
Yhden kilogramman plutonium-238 hinta on noin miljoona Yhdysvaltain dollaria [11] .
Plutonium-239, ydinaseissa ja ydinvoimassa käytettävä halkeamiskykyinen isotooppi, syntetisoidaan teollisesti [12] ydinreaktoreissa (mukaan lukien voimalaitokset sivutuotteena) käyttämällä seuraavaa reaktiota uraanin ytimien ja neutronien osallistuessa beeta-miinusta käyttäen. hajoaminen ja neptunium-isotoopit osallistuvat hajoamisvälituotteena [13] :
Uraani-238 vangitsee uraani-235 :n fissiosta vapautuvat neutronit uraani -239 :n muodostamiseksi ; sitten kahden β - -hajoamisen ketjun kautta muodostuu neptunium-239 ja sitten plutonium-239 [14] . Salaisen brittiryhmän Tube Alloysin työntekijät , jotka tutkivat plutoniumia toisen maailmansodan aikana, ennustivat tämän reaktion olemassaolon vuonna 1940.
Raskaampia isotooppeja tuotetaan reaktoreissa 239 Pu:sta peräkkäisten neutronien sieppausketjun kautta, joista jokainen lisää nuklidin massalukua yhdellä.
Plutoniumin isotoopit hajoavat radioaktiivisesti , mikä vapauttaa lämpöenergiaa . Eri isotoopit lähettävät eri määriä lämpöä. Lämpöteho on yleensä kirjoitettu W/kg tai mW/kg. Tapauksissa, joissa plutoniumia on suuria määriä eikä jäähdytyselementtiä ole, lämpöenergia voi sulattaa plutoniumia sisältävän materiaalin.
Kaikki plutonium-isotoopit pystyvät fissioon (altistuessaan neutronille ) [15] ja lähettävät γ-hiukkasia .
Plutonium-isotooppien lämmön vapautuminen [16] | |||||
---|---|---|---|---|---|
Isotooppi | Hajoamisen tyyppi | Puoliintumisaika (vuosina) |
Lämmön hajoaminen (W/kg) |
Spontaanifissioneutronit (1/( g s ) ) |
Kommentti |
238 Pu | alfa 234 U :ssa | 87,74 | 560 | 2600 | Erittäin korkea hajoamislämpötila. Pienetkin määrät voivat johtaa itsekuumenemiseen. Käytetään RTG :ssä . |
239 Pu | alfa 235 U | 24100 | 1.9 | 0,022 | Tärkein ydintuote. |
240 Pu | alfa 236 U :ksi, spontaani fissio | 6560 | 6.8 | 910 | Se on plutonium-239:n pääepäpuhtaus. Suuri spontaanin fissionopeus ei salli sen käyttöä ydinteollisuudessa. |
241 Pu | beta klo 241 | 14.4 | 4.2 | 0,049 | Hajoaa americium-241:ksi; sen kerääntyminen uhkaa saatuja näytteitä. |
242 Pu | alfa 238 U :ssa | 376 000 | 0.1 | 1700 | — |
Joidenkin aktinidien isotooppien kriittiset massat | |||
---|---|---|---|
Nuklidi | Kriittinen massa, kg | Halkaisija cm | Lähde |
Uraani-233 | viisitoista | yksitoista | [17] |
Uraani-235 | 52 | 17 | [17] |
Neptunium-236 | 7 | 8.7 | [kahdeksantoista] |
Neptunium-237 | 60 | kahdeksantoista | [19] |
Plutonium-238 | 9.04-10.07 | 9.5-9.9 | [kaksikymmentä] |
Plutonium-239 | kymmenen | 9.9 | [17] [20] |
Plutonium-240 | 40 | viisitoista | [17] |
Plutonium-241 | 12 | 10.5 | [21] |
Plutonium-242 | 75-100 | 19-21 | [21] |
Plutonium-236 löytyi luonnonuraanista saadusta plutoniumfraktiosta, jonka radioemissio osoitti α-hiukkasalueen 4,35 cm (vastaa 5,75 MeV). Havaittiin, että tämä ryhmä viittaa isotooppiin 236 Pu, joka muodostui reaktion 235 U(α,3n) 236 Pu seurauksena. Myöhemmin havaittiin, että seuraavat reaktiot ovat mahdollisia: 237 Np(a, p4n) 236 Pu; 237 Np(α,5n) 236 Am → ( EZ ) 236 Pu. Tällä hetkellä se saadaan deuteronin vuorovaikutuksesta uraani-235- ytimen kanssa . Isotooppi muodostuu α-emitterin ansiosta240 96cm(T ½ 27 päivää) ja β-emitteri236 93Np(T ½ 22 h). Plutonium-236 on alfasäteilijä , joka kykenee spontaanisti fissioon . Spontaanin fission nopeus on 5,8⋅10 7 fissiota 1 g/h kohti, mikä vastaa tämän prosessin puoliintumisaikaa 3,5⋅10 9 vuotta [22] .
Plutonium-238 :n spontaani fissionopeus on 1,1⋅106 fissiota /(s·kg), joka on 2,6 kertaa suurempi kuin 240 Pu, ja erittäin korkea lämpöteho 567 W/kg. Isotooppi sisältää erittäin voimakasta alfasäteilyä (altistuessaan neutroneille [9] ), joka on 283 kertaa vahvempaa kuin 239 Pu, mikä tekee siitä vakavamman neutronien lähteen α → n -reaktiossa . Plutonium-238:n pitoisuus on harvoin yli 1 % plutoniumin kokonaiskoostumuksesta, mutta neutronisäteily ja kuumennus tekevät siitä erittäin hankalan käsitellä [23] . Sen ominaisradioaktiivisuus on 17,1 Ci /g [24] .
Plutonium-239 :llä on suuremmat sironta- ja absorptiopoikkileikkaukset kuin uraanilla , suurempi määrä neutroneja fissiota kohti ja pienempi kriittinen massa [23] , joka on 10 kg alfa-faasissa [16] . Plutonium-239:n ydinhajoamisen aikana, neutronien vaikutuksesta, tämä nuklidi hajoaa kahdeksi fragmentiksi (suunnilleen yhtä suureksi kevyemmäksi atomiksi), jolloin vapautuu noin 200 MeV energiaa. Tämä on noin 50 miljoonaa kertaa enemmän energiaa, joka vapautuu palamisen aikana (C + O 2 → CO 2 ↑). Ydinreaktorissa "palava" isotooppi vapauttaa 2⋅10 7 kcal [2] . Puhtaan 239 Pu:n keskimääräinen neutronipäästö spontaanista fissiosta on noin 30 neutronia/s·kg (noin 10 fissiota sekunnissa kilogrammaa kohti). Lämpöteho on 1,92 W/kg (vertailun vuoksi: aikuisen aineenvaihduntalämpö on pienempi kuin lämpöteho), mikä tekee siitä lämpimän kosketettaessa. Spesifinen aktiivisuus on 61,5 mCi/g [23] .
Plutonium-240 on tärkein aseita saastuttava isotooppi 239 Pu. Sen pitoisuuden taso on tärkeä lähinnä spontaanin fission nopeuden vuoksi, joka on 415 000 fissiota/s·kg, mutta noin 1⋅10 6 neutronia/(s·kg) vapautuu, koska jokainen fissio tuottaa noin 2,2 neutronia, mikä noin 30 000 kertaa enemmän kuin 239 Pu. Lämpöteho on suurempi kuin plutonium-239, 7,1 W/kg, mikä pahentaa ylikuumenemisongelmaa. Spesifinen aktiivisuus on 227 mCi/g [23] .
Plutonium-241 :llä on matala neutronitausta ja kohtalainen lämpöteho, joten se ei vaikuta suoraan plutoniumin käytettävyyteen (lämpöteho on 3,4 W/kg). Kuitenkin puoliintumisajalla 14 vuotta se muuttuu americium-241:ksi, joka on huonosti halkeavaa ja jolla on korkea lämpöteho, mikä heikentää aselaatuisen plutoniumin laatua. Siten plutonium-241 vaikuttaa aselaatuisen plutoniumin ikääntymiseen. Ominaisaktiivisuus - 106 Ci/g [23] .
Plutonium-242 :n neutronipäästöjen intensiteetti on 840 000 fissiota/(s·kg) (kaksi kertaa niin korkea kuin 240 Pu), se on huonosti alttiina ydinfissiolle. Huomattavassa pitoisuudessa se lisää vakavasti vaadittua kriittistä massaa ja neutronitaustaa. Pitkän elinkaaren ja pienen talteenottopoikkileikkauksen ansiosta nuklidi kerääntyy uudelleen käsiteltyyn reaktoripolttoaineeseen. Spesifinen aktiivisuus on 4 mCi/g [23] .