Изотопы плутония

Искусственные нуклиды с атомным номером 94, но с разными массовыми числами.

Плутоний ( ₉₄ Pu) является искусственным элементом , за исключением следовых количеств, образующихся в результате захвата нейтронов ураном, поэтому стандартный атомный вес не может быть указан. Как и все искусственные элементы, он не имеет стабильных изотопов . Он был синтезирован задолго до того, как был обнаружен в природе: первым изотопом, синтезированным в 1940 году, был ²³⁸ Pu. Охарактеризовано двадцать радиоизотопов плутония. Наиболее стабильными являются плутоний-244 с периодом полураспада 80,8 млн лет, плутоний-242 с периодом полураспада 373 300 лет и плутоний-239 с периодом полураспада 24 110 лет. Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 7000 лет. Этот элемент также имеет восемь метасостояний ; все они имеют период полураспада менее одной секунды.

Атомный вес изотопов плутония варьируется от 228,0387  u ( ²²⁸ Pu) до 247,074 u ( ²⁴⁷ Pu). Первичными модами распада до наиболее стабильного изотопа ²⁴⁴ Pu являются спонтанное деление и альфа-излучение ; основной режим после — бета-излучение . Первичными продуктами распада до ²⁴⁴ Pu являются изотопы урана и нептуния (не считая продуктов деления ), а первичными продуктами распада после — изотопы америция .

Список изотопов

1. ^m Pu – Возбужденный ядерный изомер .
2. ( ) – Неопределенность (1 σ ) указывается в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
3. # - Атомная масса, отмеченная #: значение и неопределенность получены не на основе чисто экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе трендов поверхности массы (TMS).
4. Способы распада:
5. жирный курсив — дочерний продукт почти стабилен.
6. Жирный символ в виде дочернего продукта — дочерний продукт стабилен.
7. ( ) значение вращения — указывает на вращение со слабыми аргументами присваивания.
8. # - Значения, отмеченные #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе тенденций соседних нуклидов (TNN).
9. Продукт двойного бета-распада ²³⁸ U
10. ^ делящийся нуклид
11. Самый полезный изотоп для ядерного оружия.
12. Продукт нейтронного захвата ²³⁸ U
13. Промежуточный продукт распада ²⁴⁴ Pu.
14. Межзвездный, некоторые из них также могут быть первобытными , но такие утверждения оспариваются.

Актиниды против продуктов деления

Известные изотопы

• Плутоний-238 имеет период полураспада 87,74 года ^[11] и испускает альфа-частицы . Чистый ²³⁸ Pu для радиоизотопных термоэлектрических генераторов , которые приводят ^в действие некоторые космические корабли , производится путем захвата нейтронов на нептунии-237, но плутоний из отработанного ядерного топлива может содержать до нескольких процентов ²³⁸ Pu, происходящего из ²³⁷ Np, альфа-распад 242 Cm, или ( n,2n) реакции.
• Плутоний-239 является наиболее важным изотопом плутония ^{с периодом} полураспада 24 100 лет ^{. 239} Pu и ²⁴¹ Pu являются делящимися , а это означает, что ядра их атомов могут распадаться при бомбардировке медленно движущимися тепловыми нейтронами, высвобождая энергию, гамма-излучение и большее количество нейтронов . Таким образом, он может поддерживать цепную ядерную реакцию , что приведет к его использованию в ядерном оружии и ядерных реакторах . ²³⁹ Pu синтезируется путем облучения урана-238 нейтронами в ядерном реакторе, а затем извлекается путем ядерной переработки топлива. Дальнейший захват нейтронов производит последовательно более тяжелые изотопы.
• Плутоний-240 имеет высокую скорость спонтанного деления, что повышает фоновое нейтронное излучение содержащего его плутония. Плутоний классифицируется по доле ²⁴⁰ Pu: оружейный (<7%), топливный (7–19%) и реакторный (>19%). Более низкие сорта менее подходят для ядерного оружия и тепловых реакторов , но могут служить топливом для быстрых реакторов .
• Плутоний-241 делится, но также бета-распадает с периодом полураспада 14 лет до америция-241 .
• Плутоний-242 не делится, не очень плодороден (требуется еще 3 нейтронных захвата, чтобы стать делящимся), имеет низкое сечение захвата нейтронов и более длительный период полураспада, чем любой из более легких изотопов.
• Плутоний-244 — наиболее стабильный изотоп плутония с периодом полураспада около 80 миллионов лет. Он не производится в ядерных реакторах, поскольку ²⁴³ Pu имеет короткий период полураспада, но некоторое его количество образуется в результате ядерных взрывов. Плутоний-244 был обнаружен в межзвездном пространстве ^[12] и имеет второй по продолжительности период полураспада среди всех непервичных радиоизотопов.

Производство и использование

Таблетка плутония-238 , светящаяся от собственного тепла, используется для радиоизотопных термоэлектрических генераторов .

Поток трансмутации между ²³⁸ Pu и ²⁴⁴ Cm в LWR . ^[13]
Скорость трансмутации не показана и сильно зависит от нуклида.
²⁴⁵ Cm– ²⁴⁸ Cm долгоживущие с незначительным распадом.

²³⁹ Pu, делящийся изотоп, который является вторым наиболее часто используемым ядерным топливом в ядерных реакторах после урана-235 и наиболее часто используемым топливом в делящейся части ядерного оружия , производится из урана-238 путем захвата нейтронов с последующими двумя бета-распадами.

²⁴⁰ Pu, ²⁴¹ Pu и ²⁴² Pu производятся путем дальнейшего захвата нейтронов. Изотопы нечетной массы ²³⁹ Pu и ^{241 Pu имеют вероятность} деления при захвате теплового нейтрона примерно 3/4 и вероятность сохранить нейтрон и стать следующим более тяжелым изотопом примерно 1/4. Изотопы четной массы являются воспроизводящим материалом , но не делящимися, а также имеют более низкую общую вероятность ( сечение ) захвата нейтронов; поэтому они имеют тенденцию накапливаться в ядерном топливе, используемом в тепловом реакторе, который сегодня является конструкцией почти всех атомных электростанций . В плутонии, который вторично использовался в тепловых реакторах в МОХ-топливе , ²⁴⁰ Pu может быть даже наиболее распространенным изотопом. Однако все изотопы плутония и другие актиниды расщепляются быстрыми нейтронами . ²⁴⁰ Pu действительно имеет умеренное сечение поглощения тепловых нейтронов, так что производство ²⁴¹ Pu в тепловом реакторе становится значительной долей, такой же большой, как производство ²³⁹ Pu.

Период полураспада ^{241 Pu составляет 14 лет, а сечение тепловых нейтронов немного выше, чем у 239} Pu, как при делении, так и при поглощении. Пока ядерное топливо используется в реакторе, ядро ^​​241 Pu с гораздо большей вероятностью разделится или захватит нейтрон, чем распадется. ²⁴¹ Pu составляет значительную долю делений в топливе тепловых реакторов, которое используется в течение некоторого времени. Однако в отработавшем ядерном топливе , которое не подвергается быстрой ядерной переработке, а вместо этого охлаждается в течение многих лет после использования, большая часть или большая часть ²⁴¹ Pu будет бета-распадом до америция-241 , одного из второстепенных актинидов , сильного альфа-излучателя и сложного для использования в тепловых реакторах.

²⁴² Pu имеет особенно низкое сечение захвата тепловых нейтронов; и требуется три поглощения нейтрона, чтобы стать еще одним делящимся изотопом ( кюрий -245 или ²⁴¹ Pu) и деление. Даже в этом случае есть шанс, что любой из этих двух делящихся изотопов не сможет делиться, а вместо этого поглотит четвертый нейтрон, превратившись в кюрий-246 (на пути к еще более тяжелым актиноидам, таким как калифорний , который является излучателем нейтронов в результате спонтанного деления и его трудно расщепить). ручка) или снова становится ²⁴² Pu; поэтому среднее число нейтронов, поглощенных до деления, даже превышает 3. Таким образом, ²⁴² Pu особенно непригоден для переработки в тепловом реакторе, и его лучше использовать в быстром реакторе , где его можно расщеплять напрямую. Однако низкое поперечное сечение ²⁴² Pu означает, что относительно небольшое его количество будет трансмутировано за один цикл в термическом реакторе. Период полураспада ²⁴² Pu примерно в 15 раз превышает период полураспада ²³⁹ Pu; следовательно, он составляет 1/15 радиоактивности и не является одним из крупнейших источников радиоактивности ядерных отходов . Гамма- излучение ²⁴² Pu также слабее, чем у других изотопов. ^[14]

²⁴³ Pu имеет период полураспада всего 5 часов, бета-распад до америция-243 . Поскольку ^{у 243} Pu мало возможностей захватить дополнительный нейтрон перед распадом, ядерный топливный цикл не производит долгоживущий ²⁴⁴ Pu в значительных количествах.

²³⁸ Pu обычно не производится в таких больших количествах в рамках ядерного топливного цикла, но часть его производится из нептуния-237 путем захвата нейтронов (эту реакцию также можно использовать с очищенным нептунием для получения ²³⁸ Pu, относительно свободного от других изотопов плутония, для использования в радиоизотопные термоэлектрические генераторы ), (n,2n)-реакцией быстрых нейтронов на ²³⁹ Pu или альфа-распадом кюрия -242, который образуется при захвате нейтронов из ²⁴¹ Am. Он имеет значительное сечение деления тепловых нейтронов, но с большей вероятностью захватит нейтрон и превратится в ²³⁹ Pu.

Производство

Плутоний-240, -241 и -242

Сечение деления 239 Pu составляет 747,9 барн для тепловых нейтронов, а сечение активации — 270,7 барн (отношение приближается к 11 делениям на каждые 4 нейтронных захвата) ^. Высшие изотопы плутония образуются при длительном использовании уранового топлива. Для отработанного топлива с высоким выгоранием концентрации изотопов плутония с более высоким выгоранием будут выше, чем для топлива с низким выгоранием, которое перерабатывается для получения плутония оружейного качества .

Плутоний-239

Плутоний-239 — один из трех расщепляющихся материалов, используемых для производства ядерного оружия и в некоторых ядерных реакторах в качестве источника энергии. Другими делящимися материалами являются уран-235 и уран-233 . Плутоний-239 практически не существует в природе. Его получают путем бомбардировки урана-238 нейтронами в ядерном реакторе. Уран-238 присутствует в большом количестве в реакторном топливе; следовательно, в этих реакторах постоянно производится плутоний-239. Поскольку плутоний-239 сам по себе может расщепляться нейтронами с выделением энергии, плутоний-239 обеспечивает часть выработки энергии в ядерном реакторе.

Кольцо из электрорафинированного оружейного плутония чистотой 99,96%. В этом кольце массой 5,3 кг плутония достаточно для использования в эффективном ядерном оружии. Форма кольца должна отличаться от сферической и избегать критичности .

Плутоний-238

Небольшие количества ²³⁸ Pu содержатся в плутонии обычных реакторов по производству плутония. Однако разделение изотопов было бы довольно дорогим по сравнению с другим методом: когда атом ²³⁵ U захватывает нейтрон, он переходит в возбужденное состояние ²³⁶ U. Некоторые из возбужденных ядер ²³⁶ U подвергаются делению, но часть распадается до основного состояния. 236 U путем испускания гамма-излучения ^. При дальнейшем захвате нейтронов образуется ²³⁷ U, период полураспада которого составляет 7 дней, и поэтому он быстро распадается до ²³⁷ Np. Поскольку почти весь нептуний производится таким способом или состоит из быстро распадающихся изотопов, путем химического разделения нептуния получают почти чистый ²³⁷ Np. После химического разделения ²³⁷ Np снова облучается нейтронами реактора и превращается в ²³⁸ Np, который распадается до ²³⁸ Pu с периодом полураспада 2 дня.

Плутоний-240 как препятствие созданию ядерного оружия

Плутоний-240 подвергается спонтанному делению в качестве вторичного распада с небольшой, но значительной скоростью (5,8 × 10–6 ^% ). ^[1] Наличие ²⁴⁰ Pu ограничивает использование плутония в ядерной бомбе , поскольку поток нейтронов от спонтанного деления преждевременно инициирует цепную реакцию , вызывая раннее высвобождение энергии, которая физически рассеивает ядро ​​до того, как будет достигнут полный взрыв . Это предотвращает участие большей части активной зоны в цепной реакции и снижает мощность бомбы.

Плутоний, состоящий более чем на 90% ^{из 239} Pu, называется оружейным плутонием ; плутоний из отработанного ядерного топлива коммерческих энергетических реакторов обычно содержит не менее 20% ²⁴⁰ Pu и называется плутонием реакторного качества . Однако в современном ядерном оружии используется термоядерный ускоритель , который смягчает проблему преддетонации; если яма может генерировать ядерное оружие мощностью хотя бы в доли килотонны , чего достаточно, чтобы начать синтез дейтерия и трития , возникающий всплеск нейтронов приведет к расщеплению достаточного количества плутония, чтобы обеспечить выход в десятки килотонн.

Загрязнение ²⁴⁰ Pu является причиной того, что плутониевое оружие должно использовать метод имплозии . Теоретически чистый ²³⁹ Pu можно было бы использовать в ядерном оружии пушечного типа , но достичь такого уровня чистоты непомерно сложно. Загрязнение плутонием-240 оказалось неоднозначным благом для разработки ядерного оружия . Хотя это вызвало задержки и головную боль во время Манхэттенского проекта из-за необходимости разработки технологии имплозии, те же самые трудности в настоящее время являются препятствием для распространения ядерного оружия . Имплозивные устройства также по своей сути более эффективны и менее склонны к случайной детонации, чем оружие огнестрельного типа.

Рекомендации

• Массы изотопов из:
  • Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Блашо, Жан; Вапстра, Аалдерт Хендрик (2003), «Оценка NUBASE свойств ядра и распада», Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729....3A, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11. 001
• Изотопный состав и стандартные атомные массы из:
  • де Лаэтер, Джон Роберт ; Бёлке, Джон Карл; Де Бьевр, Поль; Хидака, Хироши; Пейзер, Х. Штеффен; Росман, Кевин-младший; Тейлор, Филип Д.П. (2003). «Атомные массы элементов. Обзор 2000 г. (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 75 (6): 683–800. дои : 10.1351/pac200375060683 .
  • Визер, Майкл Э. (2006). «Атомные массы элементов 2005 г. (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 78 (11): 2051–2066. дои : 10.1351/pac200678112051 .
• «Новости и уведомления: пересмотренные стандартные атомные веса». Международный союз теоретической и прикладной химии . 19 октября 2005 г.
• Данные о периоде полураспада, спине и изомерах выбраны из следующих источников.
  • Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Блашо, Жан; Вапстра, Аалдерт Хендрик (2003), «Оценка NUBASE свойств ядра и распада», Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729....3A, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11. 001
  • Национальный центр ядерных данных . «База данных NuDat 2.x». Брукхейвенская национальная лаборатория .
  • Холден, Норман Э. (2004). «11. Таблица изотопов». В Лиде, Дэвид Р. (ред.). Справочник CRC по химии и физике (85-е изд.). Бока-Ратон, Флорида : CRC Press . ISBN 978-0-8493-0485-9.

1. Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
2. Магурно и Перлштейн 1981, стр. 835 и далее.
3. Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (1 марта 2021 г.). «Оценка ядерно-физических свойств NUBASE2020*». Китайская физика C, физика высоких энергий и ядерная физика . 45 (3): 030001. Бибкод : 2021ЧФК..45с0001К. дои : 10.1088/1674-1137/abddae . ISSN  1674-1137. ОСТИ  1774641. S2CID  233794940.
4. Уилсон, Г.Л.; Такеяма, М.; Андреев А.Н.; Андель, Б.; Анталич, С.; Кэтфорд, Западная Нью-Йорк; Гиз, Л.; Хаба, Х.; Хессбергер, ФП; Хуанг, М.; Кадзи, Д.; Каланинова З.; Моримото, К.; Морита, К.; Мураками, М.; Нисио, К.; Орланди, Р.; Смит, АГ; Танака, К.; Вакабаяси, Ю.; Ямаки, С. (13 октября 2017 г.). «β-замедленное деление Am 230». Физический обзор C . 96 (4): 044315. doi : 10.1103/PhysRevC.96.044315 . ISSN  2469-9985.
5. Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (1 марта 2021 г.). «Оценка ядерно-физических свойств NUBASE2020*». Китайская физика C, физика высоких энергий и ядерная физика . 45 (3): 030001. Бибкод : 2021ЧФК..45с0001К. дои : 10.1088/1674-1137/abddae . ISSN  1674-1137. ОСТИ  1774641. S2CID  233794940.
6. Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле он является субактинидом, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным интервалом нестабильности после полония (84), где ни один нуклид не имеет период полураспада, по крайней мере, четыре года (самый долгоживущий нуклид в пробеле - радон-222 с периодом полураспада менее четырех суток ). Таким образом, самый долгоживущий изотоп радия, имеющий возраст 1600 лет, заслуживает включения этого элемента в этот список.
7. В частности, в результате деления урана-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
8. Милстед, Дж.; Фридман, AM; Стивенс, CM (1965). «Альфа-период полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248». Ядерная физика . 71 (2): 299. Бибкод : 1965NucPh..71..299M. дои : 10.1016/0029-5582(65)90719-4.
   «Изотопный анализ выявил вид с массой 248 в постоянном количестве в трех образцах, анализированных в течение периода около 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk ²⁴⁸ с периодом полураспада более 9 [лет]. Никакого роста Cf ²⁴⁸ , а нижний предел периода полураспада β- ^можно установить примерно на уровне 10 ⁴ [лет]. Никакой альфа-активности, приписываемой новому изомеру, обнаружено не было; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет] ]."
9. Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до « моря нестабильности ».
10. За исключением « классически стабильных » нуклидов с периодом полураспада, значительно превышающим ²³² Th; например, период полураспада ^{113m Cd составляет всего четырнадцать лет, а период полураспада 113} Cd составляет почти восемь квадриллионов лет.
11. Махиджани, Арджун; Сет, Анита (июль 1997 г.). «Использование оружейного плутония в качестве реакторного топлива» (PDF) . Энергетика и безопасность . Такома Парк, Мэриленд: Институт энергетических и экологических исследований . Проверено 4 июля 2016 г.
12. Валлнер, А.; Фастерманн, Т.; Файги, Дж.; Фельдштейн, К.; Кни, К.; Корщинек, Г.; Кучера, В.; Офан, А.; Пол, М.; Куинто, Ф.; Ругель, Г.; Штайер, П. (2015). «Обилие живого 244Pu в глубоководных резервуарах Земли указывает на редкость нуклеосинтеза актинидов». Природные коммуникации . 6 : 5956. arXiv : 1509.08054 . Бибкод : 2015NatCo...6.5956W. doi : 10.1038/ncomms6956. ISSN  2041-1723. ПМК 4309418 . ПМИД  25601158. 
13. Сасахара, Акихиро; Мацумура, Тецуо; Николау, Гиоргос; Папайоанну, Дмитрий (апрель 2004 г.). «Оценка источников нейтронов и гамма-излучения отработавшего UO2 и МОКС-топлива LWR с высоким выгоранием». Журнал ядерной науки и технологий . 41 (4): 448–456. дои : 10.3327/jnst.41.448 .
14. «Результаты измерения изотопов плутония в известных образцах с использованием кода анализа Snap гамма-спектроскопии и процедуры подбора спектра Робвина» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 августа 2017 г. Проверено 15 марта 2013 г.
15. Интерактивная карта нуклидов Национального центра ядерных данных. Архивировано 21 июля 2011 г. в Wayback Machine.
16. Майнер 1968, с. 541

Источники

• Магурно, бакалавр; Перлштейн, С., ред. (1981). Материалы конференции по методам и процедурам оценки ядерных данных. БНЛ-NCS 51363 (PDF) . Том. II. Аптон: Брукхейвенская национальная лаборатория . Архивировано (PDF) из оригинала 8 марта 2021 г. Проверено 6 августа 2014 г.
• Майнер, Уильям Н.; Шонфельд, Фред В. (1968). «Плутоний» . В Клиффорде А. Хэмпеле (ред.). Энциклопедия химических элементов . Нью-Йорк (Нью-Йорк): Reinhold Book Corporation. стр. 540–546. LCCN  68029938.