stringtranslate.com

Плутоний-244

Плутоний-244 ( 244 Pu) — изотоп плутония , период полураспада которого составляет 80 миллионов лет. Это длиннее, чем у любого другого изотопа плутония, и длиннее, чем у любого другого изотопа актинида , за исключением трех встречающихся в природе изотопов: урана-235 (704 миллиона лет), урана-238 (4,468 миллиарда лет) и тория-232 (14,05 миллиона лет). миллиардов лет). Учитывая математику распада плутония-244, в составе Земли все еще должно присутствовать чрезвычайно небольшое его количество, что делает плутоний вероятным, хотя и недоказанным, кандидатом на роль самого короткоживущего первичного элемента .

Естественное явление

Точные измерения, начавшиеся в начале 1970-х годов, по-видимому, обнаружили первичный плутоний-244, [3] что сделало его самым короткоживущим первичным нуклидом. Количество 244 Pu в предсолнечной туманности (4,57×10 9  лет назад) оценивалось как 0,8% от количества 238 U. [4] Поскольку возраст Земли составляет около 57 периодов полураспада 244 Pu, количество оставшегося плутония-244 должно быть очень небольшим; Хоффман и др. оценили его содержание в редкоземельном минерале бастназите как С 244  = 1,0× 10–18  г/г, что соответствует содержанию в земной коре всего 3×10–25 г  /г [3] (т.е. общее количество масса плутония-244 в земной коре около 9 г). Поскольку плутоний-244 невозможно легко получить путем естественного захвата нейтронов в среде с низкой нейтронной активностью урановых руд (см. ниже), его присутствие невозможно объяснить никакими другими способами, кроме как созданием в результате r-процесса нуклеосинтеза в сверхновых или слияниях нейтронных звезд .

Однако обнаружение первичного 244 Pu в 1971 году не подтверждено недавними, более чувствительными измерениями [4] с использованием метода ускорительной масс-спектрометрии . В исследовании 2012 года следов плутония-244 в образцах бастназита (взятых из того же рудника, что и в раннем исследовании) обнаружено не было, поэтому был получен только верхний предел содержания 244 Pu: c 244  < 1,5×10. -19  г/г, что составляет 370 (или менее) атомов на грамм образца, что как минимум в семь раз ниже содержания, измеренного Хоффманом и др. [4] Исследование 2022 года, снова с использованием ускорительной масс-спектрометрии, не смогло обнаружить 244 Pu в бастназите Баян-Обо , обнаружив верхний предел <2,1×10 -20  г/г (примерно в семь раз ниже, чем в исследовании 2012 года). Таким образом, обнаружение 1971 г. не могло быть сигналом о первичном 244 Pu. Учитывая вероятное соотношение содержания 244 Pu и 238 U в ранней Солнечной системе (~ 0,008), этот верхний предел все еще в 18 раз превышает ожидаемое нынешнее содержание 244 Pu в образце бастназита (1,2 × 10 -21  г/г). . [5]

Следовые количества 244 Pu (поступившие на Землю за последние 10 миллионов лет) были обнаружены в горных породах Тихого океана японской компанией по разведке нефти. [6]

Живой межзвездный плутоний-244 был обнаружен в метеоритной пыли в морских отложениях, хотя обнаруженные уровни намного ниже, чем можно было бы ожидать на основе текущего моделирования падения из межзвездной среды . [7] Однако важно помнить, что для того, чтобы быть первичным нуклидом – представляющим собой амальгаму, вращающуюся вокруг Солнца и в конечном итоге сросшуюся с Землей – плутоний-244 должен был содержать часть солнечной туманности, а не иметь пополняется внесолнечной метеоритной пылью. Присутствие плутония-244 в метеоритном составе без доказательств того, что метеор произошел из формационного диска Солнечной системы, подтверждает гипотезу о том, что 244 Pu было достаточно много, чтобы быть частью этого диска, если бы внесолнечный метеор содержал его в каком-то другом гравитационном поле. поддерживается системой, но такой метеор не может доказать гипотезу. Только маловероятное открытие живого 244 Pu в составе Земли могло сделать это.

Как вымерший радионуклид

Сравнение относительных выходов расщепляющегося ксенона, обнаруженного в метеоритах Пасамонте и Капоэта, с таковыми в лабораторном образце плутония-244. [8]

Плутоний-244 — один из нескольких вымерших радионуклидов , предшествовавших образованию Солнечной системы. Его период полураспада в 80 миллионов лет обеспечил его циркуляцию по Солнечной системе до его исчезновения, [9] и действительно, 244 Pu до сих пор не обнаружен ни в каком веществе, кроме метеоритов. [10] Радионуклиды, такие как 244 Pu, подвергаются распаду с образованием расщепляющихся (то есть возникающих в результате деления) изотопов ксенона, которые затем можно использовать для определения времени событий ранней Солнечной системы. Фактически, анализируя данные из мантии Земли, которые показывают, что около 30% существующего делящегося ксенона связано с распадом 244 Pu, можно сделать вывод, что время формирования Земли произошло примерно через 50–70 миллионов лет после образования Солнечной системы. Система. [11]

До анализа данных масс-спектров , полученных в результате анализа образцов, обнаруженных в метеоритах, было в лучшем случае логично признать 244 Pu нуклидом, ответственным за обнаруженный расщепляющийся ксенон. Однако анализ лабораторного образца 244 Pu по сравнению с образцом делящегося ксенона, собранного из метеоритов Пасамонте и Капоэта, дал совпадающие спектры, которые сразу же не оставили сомнений в источнике изотопных ксеноновых аномалий. В дальнейшем были получены спектральные данные для другого изотопа актинида, 244 Cm, но эти данные оказались противоречивыми и помогли развеять дальнейшие сомнения в том, что деление было правильно приписано 244 Pu. [12]

Как изучение спектральных данных, так и изучение следов деления привели к нескольким открытиям плутония-244. В Западной Австралии анализ масс-спектра ксенона в цирконах возрастом 4,1–4,2 миллиарда лет был обнаружен с обнаружением различных уровней деления 244 Pu. [9] Наличие треков деления 244 Pu можно установить, используя начальное соотношение 244 Pu и 238 U (Pu/U) 0 в момент времени T 0  = 4,58 × 10 9 лет, когда впервые началось образование Xe в метеоритах, и учитывая, как соотношение треков деления Pu/U меняется со временем. Исследование кристалла витлокита в образце лунной породы, доставленного с миссии «Аполлон-14», установило пропорции треков деления Pu/U, соответствующие временной зависимости (Pu/U) 0 . [10]

Производство

В отличие от плутония-238 , плутония-239 , плутония-240 , плутония-241 и плутония-242 , плутоний-244 не производится в больших количествах в рамках ядерного топливного цикла , поскольку при дальнейшем захвате нейтронов плутонием-242 образуется плутоний-243, который короткий период полураспада (5 часов) и быстрый бета-распад до америция-243 , прежде чем появляется возможность дальнейшего захвата нейтронов в любых средах, кроме очень высоких нейтронных потоков. [13] Мировой запас 244 Pu составляет примерно 20 граммов. [14] Плутоний-244 также является второстепенным компонентом термоядерных выпадений , с глобальным соотношением выпадений 244 Pu/ 239 Pu (5,7 ± 1,0) × 10 -5 . [15]

Приложения

Плутоний-244 используется в качестве внутреннего стандарта для масс-спектрометрического анализа изотопного разбавления плутония. [14]

Рекомендации

  1. ^ Ауди, Г.; Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Бибкод : 2017ChPhC..41c0001A. дои : 10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  2. ^ Ван, М.; Ауди, Г.; Кондев, ФГ; Хуанг, WJ; Наими, С.; Сюй, X. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030003-1–030003-442. дои : 10.1088/1674-1137/41/3/030003.
  3. ^ Аб Хоффман, округ Колумбия; Лоуренс, ФО; Мьюхертер, Дж.Л.; Рурк, FM (1971). «Обнаружение плутония-244 в природе». Природа . 234 (5325): 132–134. Бибкод : 1971Natur.234..132H. дои : 10.1038/234132a0. S2CID  4283169.
  4. ^ abc Лахнер, Дж.; и другие. (2012). «Попытка обнаружить первичный 244 Pu на Земле». Физический обзор C . 85 (1): 015801. Бибкод : 2012PhRvC..85a5801L. doi : 10.1103/PhysRevC.85.015801.
  5. ^ Ву, Ян; Дай, Сюнсинь; Син, Шань; Ло, Маойи; Кристл, Маркус; Синал, Ханс-Арно; Хоу, Шаочунь (2022). «Прямой поиск первичного 244Pu в бастнезите Баян Обо». Китайские химические буквы . 33 (7): 3522–3526. дои :10.1016/j.cclet.2022.03.036 . Проверено 29 января 2024 г.
  6. ↑ Гринфилдбойс, Нелл (13 мая 2021 г.). «Свежеприготовленный плутоний из космоса найден на дне океана». ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР.
  7. ^ 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. 
  8. ^ Александр, ЕС; Льюис, РС; Рейнольдс, Дж. Х.; Мишель, MC (1 января 1971 г.). «Плутоний-244: подтверждение потухшей радиоактивности». Наука . 172 (3985): 837–840. Бибкод : 1971Sci...172..837A. дои : 10.1126/science.172.3985.837. JSTOR  1731927. PMID  17792940. S2CID  35389103.
  9. ^ аб Тернер, Гренвилл; Харрисон, Т. Марк; Холланд, Грег; Мойзис, Стивен Дж.; Гилмор, Джейми (1 января 2004 г.). «Вымерший 244 Pu в древних цирконах». Наука . 306 (5693): 89–91. Бибкод : 2004Sci...306...89T. дои : 10.1126/science.1101014. JSTOR  3839259. PMID  15459384. S2CID  11625563.
  10. ^ Аб Хатчеон, ID; Прайс, ПБ (1 января 1972 г.). «Следы деления плутония-244: свидетельства в лунной породе возрастом 3,95 миллиарда лет». Наука . 176 (4037): 909–911. Бибкод : 1972Sci...176..909H. дои : 10.1126/science.176.4037.909. JSTOR  1733798. PMID  17829301. S2CID  25831210.
  11. ^ Кунц, Иоахим; Штаудахер, Томас; Аллегре, Клод Ж. (1 января 1998 г.). «Ксенон деления плутония обнаружен в мантии Земли». Наука . 280 (5365): 877–880. Бибкод : 1998Sci...280..877K. дои : 10.1126/science.280.5365.877. JSTOR  2896480. PMID  9572726.
  12. ^ Александр, ЕС; Льюис, РС; Рейнольдс, Дж. Х.; Мишель, MC (1 января 1971 г.). «Плутоний-244: подтверждение потухшей радиоактивности». Наука . 172 (3985): 837–840. Бибкод : 1971Sci...172..837A. дои : 10.1126/science.172.3985.837. JSTOR  1731927. PMID  17792940. S2CID  35389103.
  13. ^ Армстронг, Кристофер Р.; Брант, Хизер А.; Нуэссле, Паттерсон Р.; Холл, Грегори; Кадье, Джеймс Р. (22 февраля 2016 г.). «Антропогенный плутоний-244 в окружающей среде: понимание самого долгоживущего изотопа плутония». Научные отчеты . 6 (1): 21512. Бибкод : 2016NatSR...621512A. дои : 10.1038/srep21512. eISSN  2045-2322. ПМК 4761908 . ПМИД  26898531. 
  14. ^ Аб Паттон, Брэдли Д; Александр, Чарльз В.; Бенкер, Деннис; Коллинз, Эмори Д; Романо, Кэтрин Э; Ух, Роберт М. (январь 2011 г.). «Сохранение плутония-244 как национального достояния». osti.gov . ОСТИ  1024694 . Проверено 2 октября 2022 г.
  15. ^ Штайер, П.; Хрнечек, Э.; Приллер, А.; Куинто, Ф.; Срнчик, М.; Валлнер, А.; Валлнер, Г.; Винклер, С. (январь 2013 г.). «АМС малых изотопов плутония». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 294 (2): 160–164. Бибкод : 2013NIMPB.294..160S. дои :10.1016/j.nimb.2012.06.017. ISSN  0168-583X. ПМЦ 3617651 . ПМИД  23565016.