Изотопы плутония

Плутоний ( ₉₄ Pu) является искусственным элементом , за исключением следовых количеств, образующихся в результате захвата нейтронов ураном , и 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 синтезированным изотопом был плутоний-238 в 1940 году. Было охарактеризовано двадцать радиоизотопов плутония. Наиболее стабильными являются плутоний-244 с периодом полураспада 80,8 миллионов лет; плутоний-242 с периодом полураспада 373 300 лет; и плутоний-239 с периодом полураспада 24 110 лет; и плутоний-240 с периодом полураспада 6 560 лет. Этот элемент также имеет восемь метасостояний ; все они имеют период полураспада менее одной секунды.

Изотопы плутония имеют атомный вес от 228,0387  u ( ²²⁸ Pu) до 247,074 u ( ²⁴⁷ Pu). Основными видами распада до самого стабильного изотопа ²⁴⁴ Pu являются спонтанное деление и альфа-распад ; основным видом распада после него является бета-излучение . Основными продуктами распада до ²⁴⁴ Pu являются изотопы урана и нептуния (не считая продуктов деления ), а основными продуктами распада после него являются изотопы америция .

Список изотопов

1. ^m Pu – Возбужденный ядерный изомер .
2. ( ) – Неопределенность (1 σ ) приводится в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
3. # – Атомная масса, отмеченная #: значение и неопределенность получены не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из тенденций от поверхности массы (TMS).
4. Способы распада:
5. Жирный курсивный символ как дочерний – Дочерний продукт почти стабилен.
6. Жирный символ как дочерний – Дочерний продукт стабилен.
7. ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.
8. # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).
9. Теоретически также может претерпевать β ⁻ β ⁻ ​​распад до ²³⁶ U
10. Двойной бета- продукт распада ²³⁸ U
11. делящийся нуклид
12. Самый полезный изотоп для ядерного оружия
13. Продукт захвата нейтронов ²³⁸ U
14. Промежуточный продукт распада ²⁴⁴ Pu
15. Интерстеллар, некоторые из них также могут быть первичными , но такие утверждения оспариваются.

Актиниды против продуктов деления

Известные изотопы

• Плутоний-238 имеет период полураспада 87,74 года ^[10] и испускает альфа-частицы . Чистый ²³⁸ Pu для радиоизотопных термоэлектрических генераторов , которые питают некоторые космические аппараты, производится путем захвата нейтронов на нептунии-237, но плутоний из ^{отработанного} ядерного топлива может содержать до нескольких процентов ²³⁸ Pu, образующегося из ²³⁷ Np, альфа-распада 242 Cm или реакций (n,2n).
• Период полураспада плутония-239 составляет 24 100 лет. ²³⁹ Pu и ²⁴¹ Pu являются делящимися ; это означает, что их ядра могут расщепляться при бомбардировке медленными тепловыми нейтронами, высвобождая энергию, гамма-излучение и больше нейтронов . Поэтому он может поддерживать ядерную цепную реакцию , что приводит к применению в ядерном оружии и ядерных реакторах . ²³⁹ Pu синтезируется путем облучения урана-238 нейтронами в ядерном реакторе, а затем восстанавливается путем ядерной переработки топлива. Дальнейший захват нейтронов производит последовательно более тяжелые изотопы.
• Плутоний-240 имеет высокую скорость спонтанного деления, что повышает фоновое нейтронное излучение плутония. Плутоний классифицируется по пропорции ²⁴⁰ Pu: оружейный (<7%), топливный (7–19%) и реакторный (>19%). Более низкие сорта менее подходят для бомб и тепловых реакторов , но могут использоваться в качестве топлива для быстрых реакторов .
• Плутоний-241 делится, но бета-распадается с периодом полураспада 14 лет до америция-241 .
• Плутоний-242 не является делящимся и не обладает высокой фертильностью (для того, чтобы стать делящимся, требуется еще 3 захвата нейтронов); имеет низкое сечение захвата нейтронов и более длительный период полураспада, чем любой из более легких изотопов.
• Плутоний-244 — самый стабильный изотоп плутония с периодом полураспада около 80 миллионов лет. Он не производится в значительных количествах в ядерных реакторах, поскольку ²⁴³ Pu имеет короткий период полураспада, но некоторое его количество производится в ядерных взрывах. ²⁴⁴ Pu был обнаружен в межзвездном пространстве ^[11] и имеет второй по продолжительности период полураспада среди всех непервичных радиоизотопов.

Производство и использование

Таблетка ²³⁸ Pu, светящаяся от собственного тепла, используемая для радиоизотопных термоэлектрических генераторов .

Поток трансмутации между ²³⁸ Pu и ²⁴⁴ Cm в LWR . ^[12]
Скорость трансмутации не показана и сильно различается в зависимости от нуклида. ²⁴⁵ Cm– ²⁴⁸ Cm являются долгоживущими с незначительным распадом.

^239Pu , делящийся изотоп, который является вторым по частоте использования ядерным топливом в ядерных реакторах после урана-235 и наиболее используемым топливом в процессе деления 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 с нечетной массой ²³⁹ Pu и ²⁴¹ Pu имеют около 3/4 шанса подвергнуться делению при захвате теплового нейтрона и около 1/4 шанса удержать нейтрон и стать следующим более тяжелым изотопом. Изотопы с четной массой являются фертильными , но не делящимися, а также имеют более низкую вероятность ( сечение ) захвата нейтронов; поэтому они имеют тенденцию накапливаться в ядерном топливе, используемом в тепловом реакторе, конструкция почти всех атомных электростанций сегодня. В плутонии, который был использован второй раз в тепловых реакторах в топливе MOX , ²⁴⁰ Pu может быть даже наиболее распространенным изотопом. Однако все изотопы плутония и другие актиниды делятся быстрыми нейтронами . У ²⁴⁰ Pu умеренное сечение поглощения тепловых нейтронов, поэтому производство ²⁴¹ Pu в тепловом реакторе становится значительной долей, равной по величине производству ²³⁹ Pu.

Период полураспада ^{241 Pu составляет 14 лет, а сечение тепловых нейтронов немного выше, чем у 239} Pu, как для деления, так и для поглощения. Пока ядерное топливо используется в реакторе, ядро ^​​241 Pu с гораздо большей вероятностью будет делиться или захватывать нейтрон, чем распадаться. ²⁴¹ Pu составляет значительную часть делений в топливе тепловых реакторов, которое использовалось в течение некоторого времени. Однако в отработанном ядерном топливе , которое не подвергается быстрой ядерной переработке, а вместо этого охлаждается в течение многих лет после использования, большая часть ²⁴¹ Pu будет бета-распадаться до америция-241 , одного из младших актинидов , сильного альфа-излучателя, и его трудно использовать в тепловых реакторах.

²⁴² Pu имеет особенно низкое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов; и требуется три поглощения нейтронов, чтобы стать другим делящимся изотопом (кюрий - 245 или ²⁴¹ Pu) и делением. Даже в этом случае есть вероятность, что любой из этих двух делящихся изотопов не разделится, а вместо этого поглотит четвертый нейтрон, превратившись в кюрий-246 (на пути к еще более тяжелым актинидам, таким как калифорний , который является излучателем нейтронов путем спонтанного деления и с которым трудно обращаться) или снова превратившись в ²⁴² Pu; поэтому среднее число нейтронов, поглощенных до деления, даже выше 3. Поэтому ²⁴² Pu особенно не подходит для переработки в тепловом реакторе и лучше будет использоваться в быстром реакторе , где его можно будет делить напрямую. Однако низкое поперечное сечение ²⁴² Pu означает, что относительно небольшое его количество будет трансмутировано в течение одного цикла в тепловом реакторе. Период полураспада ²⁴² Pu примерно в 15 раз длиннее периода полураспада ^{239 Pu; следовательно, он в 1/15 раз менее радиоактивен и не является одним из основных источников радиоактивности} ядерных отходов . Гамма- излучение ²⁴² Pu также слабее, чем у других изотопов. ^[13]

Период полураспада ^{243 Pu составляет всего 5 часов, бета-распад происходит 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 таком большом количестве в ядерном топливном цикле, но некоторое его количество производится из нептуния-237 путем захвата нейтронов (эта реакция также может использоваться с очищенным нептунием для получения ²³⁸ Pu, относительно свободного от других изотопов плутония, для использования в радиоизотопных термоэлектрических генераторах ), путем реакции (n,2n) быстрых нейтронов на ²³⁹ Pu или путем альфа-распада кюрия -242, который получается путем захвата нейтронов ²⁴¹ Am. Он имеет значительное сечение тепловых нейтронов для деления, но с большей вероятностью захватит нейтрон и станет ²³⁹ Pu.

Производство

Плутоний-240, -241 и -242

Сечение деления для ²³⁹ Pu составляет 747,9 барн для тепловых нейтронов, тогда как сечение активации составляет 270,7 барн (соотношение приблизительно равно 11 делениям на каждые 4 захвата нейтронов). Высшие изотопы плутония образуются при длительном использовании уранового топлива. Для отработанного топлива с высоким выгоранием концентрации высших изотопов плутония будут выше, чем в топливе с низким выгоранием, которое перерабатывается для получения оружейного плутония.

Плутоний-239

Кольцо весом 5,3 кг из оружейного электроочищенного плутония, чистотой 99,96%. Этого плутония достаточно для эффективного ядерного оружия. Форма кольца необходима для отхода от сферической формы и избежания критичности .

Плутоний-239 — один из трех расщепляющихся материалов, используемых для производства ядерного оружия и в некоторых ядерных реакторах в качестве источника энергии. Другими расщепляющимися материалами являются уран-235 и уран-233 . ²³⁹ Pu практически не существует в природе. Он производится путем бомбардировки урана-238 нейтронами. Уран-238 присутствует в большом количестве в большинстве реакторных топлив; следовательно, ²³⁹ Pu непрерывно производится в этих реакторах. Поскольку ²³⁹ Pu сам по себе может расщепляться нейтронами с высвобождением энергии, ²³⁹ Pu обеспечивает часть выработки энергии в ядерном реакторе.

Плутоний-238

В плутонии из обычных реакторов содержится небольшое количество ^{238 Pu. Однако изотопное разделение было бы довольно дорогим по сравнению с другим методом: когда 235} U захватывает нейтрон, он преобразуется в возбужденное состояние ²³⁶ U. Некоторые из возбужденных ядер ²³⁶ U подвергаются делению, но некоторые распадаются в основное состояние ²³⁶ U, испуская гамма-излучение. Дальнейший захват нейтронов создает ²³⁷ U; который с периодом полураспада 7 дней распадается до ²³⁷ Np. Поскольку почти весь нептуний производится таким образом или состоит из быстро распадающихся изотопов, получается почти чистый ²³⁷ Np. После химического разделения нептуния ²³⁷ Np снова облучается нейтронами реактора для преобразования в ²³⁸ Np, который распадается до ²³⁸ Pu с периодом полураспада 2 дня.

Плутоний-240 как препятствие на пути к ядерному оружию

Плутоний-240 подвергается спонтанному делению с небольшой, но значимой скоростью (5,8 × 10−6 %). ^[1] Присутствие ²⁴⁰ Pu ограничивает использование плутония в ядерной бомбе , поскольку нейтрон от спонтанного деления преждевременно запускает ^цепную реакцию , вызывая раннее высвобождение энергии, которая рассеивает ядро ​​до достижения полной имплозии . Это предотвращает участие большей части ядра в цепной реакции и снижает мощность бомбы.

Плутоний, состоящий более чем из 90% ²³⁹ Pu, называется оружейным плутонием ; плутоний из отработанного ядерного топлива коммерческих энергетических реакторов обычно содержит не менее 20% ²⁴⁰ Pu и называется реакторным плутонием . Однако современное ядерное оружие использует форсирование синтеза , что смягчает проблему преддетонации; если пит может генерировать мощность ядерного оружия даже в долю килотонны , что достаточно для начала синтеза дейтерия и трития , результирующий выброс нейтронов расщепит достаточно плутония, чтобы обеспечить выход в десятки килотонн.

Загрязнение из-за ²⁴⁰ Pu является причиной того, что плутониевое оружие должно использовать метод имплозии . Теоретически чистый ²³⁹ Pu можно использовать в бомбе пушечного типа , но достижение такого уровня чистоты непозволительно сложно. Загрязнение плутонием-240 оказалось неоднозначным благом. Хотя оно создало задержки и головные боли во время Манхэттенского проекта из-за необходимости разработки технологии имплозии, эти же трудности являются препятствием для распространения ядерного оружия . Имплозивные бомбы также по своей природе более эффективны и менее подвержены случайной детонации, чем бомбы пушечного типа.

Ссылки

• Массы изотопов из:
  • Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), "Оценка ядерных и распадающихся свойств с помощью NUBASE", Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729....3A, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001
• Данные о периоде полураспада, спине и изомерах выбраны из следующих источников.
  • Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), "Оценка ядерных и распадающихся свойств с помощью NUBASE", 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 .
  • Holden, Norman E. (2004). "11. Таблица изотопов". В Lide, David R. (ред.). CRC Handbook of Chemistry and Physics (85-е изд.). Boca Raton, Florida : CRC Press . ISBN 978-0-8493-0485-9.

1. Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Оценка ядерных свойств NUBASE2020" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
2. Магурно и Перлстайн 1981, стр. 835 и далее.
3. Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки*». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
4. Уилсон, Г.Л.; Такеяма, М.; Андреев А.Н.; Андел, 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. Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле он является субактинидом, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным промежутком нестабильности после полония (84), где ни один нуклид не имеет периода полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке — радон-222 с периодом полураспада менее четырех дней ). Самый долгоживущий изотоп радия, с периодом полураспада 1600 лет, таким образом, заслуживает включения элемента сюда.
6. В частности, из деления урана-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
7. Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). "Период альфа-полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248". Nuclear Physics . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M. doi : 10.1016/0029-5582(65)90719-4.
   «Изотопный анализ выявил вид с массой 248 в постоянном количестве в трех образцах, проанализированных в течение периода около 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk ²⁴⁸ с периодом полураспада более 9 [лет]. Роста Cf ²⁴⁸ обнаружено не было, а нижний предел для периода полураспада β ^{− можно установить на уровне около 10 4} [лет]. Альфа-активности, приписываемой новому изомеру, не обнаружено; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет]».
8. Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до « моря нестабильности ».
9. Исключая « классически стабильные » нуклиды с периодами полураспада, значительно превышающими период полураспада ^232Th ; например, в то время как период полураспада 113mCd составляет всего четырнадцать лет, период полураспада ^{113Cd составляет} восемь квадриллионов лет.
10. Макхиджани, Арджун; Сет, Анита (июль 1997 г.). «Использование оружейного плутония в качестве реакторного топлива» (PDF) . Энергия и безопасность . Такома-Парк, Мэриленд: Институт исследований энергетики и окружающей среды . Получено 4 июля 2016 г.
11. Wallner, A.; Faestermann, T.; Feige, J.; Feldstein, C.; Knie, K.; Korschinek, G.; Kutschera, W.; Ofan, A.; Paul, M.; Quinto, F.; Rugel, G.; Steier, P. (2015). «Обилие живого 244Pu в глубоководных резервуарах на Земле указывает на редкость нуклеосинтеза актинидов». Nature Communications . 6 : 5956. arXiv : 1509.08054 . Bibcode : 2015NatCo...6.5956W. doi : 10.1038/ncomms6956. ISSN  2041-1723. PMC 4309418 . PMID  25601158. 
12. Сасахара, Акихиро; Мацумура, Тецуо; Николау, Гиоргос; Папаиоанну, Димитрий (апрель 2004 г.). «Оценка источника нейтронов и гамма-излучения для отработанного топлива LWR с высоким выгоранием UO2 и MOX». Журнал ядерной науки и технологий . 41 (4): 448–456. doi : 10.3327/jnst.41.448 .
13. "Результаты анализа изотопов плутония известных образцов с использованием кода анализа гамма-спектроскопии Snap и процедуры подгонки спектра Роббина" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2017-08-13 . Получено 2013-03-15 .
14. Интерактивная карта нуклидов Национального центра ядерных данных, архив 2011-07-21 на Wayback Machine
15. Майнер 1968, стр. 541.

Источники

• Magurno, BA; Pearlstein, S., eds. (1981). Труды конференции по методам и процедурам оценки ядерных данных. BNL-NCS 51363 (PDF) . Том II. Upton: Brookhaven National Laboratory . Архивировано (PDF) из оригинала 8 марта 2021 г. . Получено 6 августа 2014 г. .
• Майнер, Уильям Н.; Шонфельд, Фред В. (1968). «Плутоний» . В Клиффорде А. Хэмпеле (ред.). Энциклопедия химических элементов . Нью-Йорк (NY): Reinhold Book Corporation. стр. 540–546. LCCN  68029938.