Изотопы плутония

Плутоний ( ₉₄ Pu) является искусственным элементом , за исключением следовых количеств, полученных в результате захвата нейтронов ураном , и, таким образом, стандартный атомный вес не может быть дан. 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 ²³⁸ Pu в 1940 году. Было охарактеризовано двадцать два радиоизотопа плутония . Наиболее стабильными являются ²⁴⁴ Pu с периодом полураспада 80,8 миллионов лет; ²⁴² Pu с периодом полураспада 373 300 лет; и ²³⁹ Pu с периодом полураспада 24 110 лет; и ²⁴⁰ Pu с периодом полураспада 6 560 лет. Этот элемент также имеет восемь метасостояний ; все они имеют период полураспада менее одной секунды.

Известные изотопы плутония варьируются от ²²⁶ Pu до ²⁴⁷ Pu. Первичные режимы распада до самого стабильного изотопа ²⁴⁴ Pu — это спонтанное деление и альфа-распад ; первичный режим после — это бета-испускание . Первичные продукты распада до ²⁴⁴ Pu — это изотопы урана и нептуния (не считая продуктов деления ), а первичные продукты распада после — это 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 ^[12] 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 ^[13] и имеет второй по продолжительности период полураспада среди всех непервичных радиоизотопов.

Производство и использование

Таблетка ²³⁸ Pu, светящаяся от собственного тепла, используемая в радиоизотопных термоэлектрических генераторах .

Поток трансмутации между ²³⁸ Pu и ²⁴⁴ Cm в LWR . ^[14]
Скорость трансмутации не показана и сильно варьируется 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 часто 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. Нечетные изотопы массы 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. Четные изотопы массы 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 (кюрием - 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. ^[15]

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 .

²³⁹ Pu — 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 до основного состояния 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

²⁴⁰ Pu 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 ²⁴⁰ Pu 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:
  • 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
• 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 .
  • 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. Кузнецова А.А., Свирихин А.И., Исаев А.В., Бычков М.А., Данилкин В.Д., Деваража К.М., Замятин Н.И., Изосимов И.Н., Лю З, Малышев О.Н., Мухин Р.С., Попеко А.Г., Попов Ю.А., Рачков В.А., Сайлаубеков Б, Сокол Е.А., Тезекбаева М.С., Уланова И.И., Чжан Ф.С., Чепигин В.И., Челноков М.Л., Еремин А.В. (2024). «Свойства радиоактивного распада нового ядра 227Pu» [Свойства радиоактивного распада нового ядра ²²⁷ Pu] (PDF) . jinr.ru (на русском языке). Объединенный институт ядерных исследований . Проверено 9 ноября 2024 г.
5. Yang, HB; Gan, ZG; Zhang, ZY; Huang, MH; Ma, L.; Yang, CL; Zhang, MM; Tian, ​​YL; Wang, YS; Wang, JG; Zhou, HB; Hua, W.; Wang, JY; Qiang, YH; Zhao, Z.; Huang, XY; Wen, XJ; Li, ZY; Zhang, HT; Xu, SY; Li, ZC; Zhou, H.; Zhang, X.; Zhu, L.; Wang, Z.; Guan, F.; Yang, HR; Huang, WX; Ren, ZZ; Zhou, SG; Xu, HS (3 октября 2024 г.). "α-распад нового изотопа Pu 227". Physical Review C. 110 ( 4). doi : 10.1103/PhysRevC.110.044302.
6. 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.
7. 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.
8. В частности, из деления урана-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
9. 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]».
10. Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до « моря нестабильности ».
11. 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.
12. 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.
13. 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. 
14. 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 .
15. "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 .
16. Интерактивная карта нуклидов Национального центра ядерных данных, архив 2011-07-21 на Wayback Machine
17. 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.