Ισότοπα του πλουτωνίου

Το πλουτώνιο (Pu) είναι ένα τεχνητό στοιχείο, εκτός από ιχνοποσότητες του αρχέγονου ²⁴⁴Pu, και έτσι μία σχετική ατομική μάζα δεν μπορεί να δοθεί. Όπως όλα τα τεχνητά στοιχεία, δεν έχει σταθερά ισότοπα. Συντέθηκε πολύ πριν βρεθεί στην φύση, το πρώτο ισότοπο που συντέθηκε ήταν το ²³⁸Pu το 1940. Είκοσι ραδιοϊσότοπα του πλουτωνίου έχουν χαρακτηριστεί. Τα πιο σταθερά είναι το Pu-244, με ημιζωή 80,8 εκατομμύρια χρόνια, το Pu-242, με ημιζωή 373.300 χρόνια, και το Pu-239, με ημιζωή 24.110 χρόνια. Όλα τα υπόλοιπα ραδιοϊσότοπα έχουν διάρκειες ημιζωής που είναι λιγότερες από 7.000 χρόνια. Αυτό το στοιχείο έχει επίσης οκτώ μετασταθή, αν και κανένα δεν είναι πολύ σταθερό (όλα έχουν ημιζωή λιγότερη από ένα δευτερόλεπτο).
Τα ισότοπα του πλουτωνίου κυμαίνονται σε ατομικό βάρος από 228.0387 u (Pu-228) σε 247.074 u (Pu-247). Οι κύριοι τρόποι διάσπασης πριν από το πιο σταθερό ισότοπο, το Pu-244, είναι η αυθόρμητη σχάση και η άλφα διάσπαση· ο αρχικός τρόπος μετά είναι η βήτα διάσπαση. Τα κύρια προϊόντα διάσπασης πριν από το Pu-244 είναι ισότοπα του ουρανίου και του ποσειδωνίου (παραμελώντας το ευρύ φάσμα των θυγατρικών πυρήνων που δημιουργούνται από τις διασπάσεις), και τα πρωτογενή προϊόντα, μετά από τα ισότοπα του αμερικίου.

Παραγωγή και χρήσεις

Το Pu-239, σχάσιμο ισότοπο που είναι το δεύτερο πιο χρησιμοποιημένο πυρηνικό καύσιμο στους πυρηνικούς αντιδραστήρες μετά το U-235, και το καύσιμο που χρησιμοποιείται περισσότερο στο τμήμα σχάσης των πυρηνικών όπλων, παράγεται από το U-238 από σύλληψη νετρονίων που ακολουθούνται από δύο βήτα διασπάσεις.
Το Pu-240, Pu-241, Pu-242 παράγονται από περαιτέρω σύλληψη νετρονίων. Το περίεργο με τη μάζα των ισοτόπων Pu-239 και Pu-241 είναι ότι έχουν περίπου 3/4 πιθανότητες να υποστούν σχάση στην σύλληψη ενός θερμικού νετρονίου και περίπου 1/4 πιθανότητα διατήρησης του νετρονίου και μετατροπή τους στο ακόλουθο ισότοπο. Ακόμη η μάζα των ισοτόπων είναι γόνιμο υλικό αλλά δεν σχάσιμο και έχει επίσης μια χαμηλότερη συνολική πιθανότητα (διατομή) σύλληψης νετρονίων· συνεπώς, έχουν την τάση να συσσωρεύονται στο πυρηνικό καύσιμο που χρησιμοποιείται σε ένα θερμικό αντιδραστήρα, ο σχεδιασμός όλων των πυρηνικών σταθμών σήμερα. Στο πλουτώνιο που έχει χρησιμοποιηθεί για δεύτερη φορά σε θερμικούς αντιδραστήρες σε καύσιμο ΜΟΧ, το Pu-240 μπορεί να είναι ακόμη το πιο κοινό ισότοπο. Όλα τα ισότοπα πλουτωνίου και άλλων ακτινιδών, ωστόσο, είναι σχάσιμα με ταχέα νετρόνια. Το Pu-240 έχει μια μέτρια διατομή απορρόφησης θερμικών νετρονίων, έτσι ώστε η παραγωγή του ισοτόπου Pu-241 σε ένα θερμικό αντιδραστήρα να γίνεται ένας σημαντικός λόγος μιας τόσο μεγάλης παραγωγής Pu-239.
Το Pu-241 έχει χρόνο ημιζωής των 14 ετών, και έχει ελαφρώς υψηλότερα εγκάρσια τμήματα θερμικών νετρονίων από ό, τι το Pu-239 τόσο για σχάση όσο και για απορρόφηση. Ενώ το πυρηνικό καύσιμο χρησιμοποιείται σε ένα αντιδραστήρα, ένας πυρήνας Pu-241 είναι πολύ πιο πιθανό να υποστεί σχάση ή να συλλάβει ένα νετρόνιο από το να διασπαστεί. Το Pu-241 αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό ποσοστό των σχάσεων του καυσίμου του θερμικού αντιδραστήρα που έχει χρησιμοποιηθεί για κάποιο χρονικό διάστημα. Ωστόσο, σε αναλωμένο πυρηνικό καύσιμο που δεν υφίσταται γρήγορα πυρηνική επανεπεξεργασία, αλλά αντ' αυτού ψύχεται για χρόνια μετά τη χρήση, πολύ ή το περισσότερο από το Pu-241 θα υποστεί βήτα διάσπαση μετατρεπόμενο σε αμερίκιο-241, μία από τις δευτερεύουσες ακτινίδες, μια ισχυρή πηγή εκπομπής άλφα σωματιδίων, και θα είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθεί σε θερμικούς αντιδραστήρες.
Το Pu-242 έχει μία ιδιαίτερα χαμηλή διατομή θερμικής σύλληψης νετρονίων· πρέπει να πάρει τέσσερις απορροφήσεις νετρονίων να γίνει ένα άλλο σχάσιμο ισότοπο (είτε Κιούριο-245 ή Pu-241) και να υποστεί σχάση. Ακόμα και τότε, υπάρχει πιθανότητα τα δύο αυτά σχάσιμα ισότοπα να αποτύχουν στην σχάση, αλλά αντ' αυτού να απορροφήθεί από αυτά το τέταρτο νετρόνιο, και να γίνουν στην περίπτωση του ²⁴⁵Cm κιούριο-246 (στο δρόμο προς ακόμη βαρύτερες ακτινίδες όπως το καλιφόρνιο, το οποίο είναι πηγή εκπομπής νετρονίων με αυθόρμητη σχάση και είναι δύσκολο στην χρήση), ή στην περίπτωση του ²⁴¹Pu να γίνει Pu-242 και πάλι, έτσι ώστε ο μέσος αριθμός των νετρονίων που απορροφούνται πριν από την σχάση είναι μεγαλύτερος από 4. Επομένως το Pu-242 είναι ιδιαιτέρως ακατάλληλο για ανακύκλωση σε ένα θερμικό αντιδραστήρα και θα ήταν καλύτερο να χρησιμοποιηθεί σε ένα γρήγορο αντιδραστήρα όπου μπορεί να σχαστεί άμεσα. Ωστόσο, η χαμηλή διατομή του Pu-242 σημαίνει ότι σχετικά λίγο από αυτό θα μεταλλαχτεί κατά τη διάρκεια ενός κύκλου σε ένα θερμικό αντιδραστήρα. Η ημιζωή του Pu-242 είναι περίπου 15 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Pu-239, επομένως είναι 15 φορές λιγότερο ραδιενεργό και όχι ένας από τους μεγαλύτερους συνεισφέροντες στην ραδιενέργεια των πυρηνικών αποβλήτων. Οι εκπομπές ακτινών γάμμα στο ²⁴²Pu είναι επίσης ασθενέστερες από αυτές των άλλων ισοτόπων .
Το Pu-243 έχει διάρκεια ημιζωής μόνο 5 ώρες, διασπάται εκπέμποντας σωματίδια βήτα μετατρεπόμενο σε αμερίκιο-243. Επειδή το Pu-243 έχει λίγο χρόνο για να συλλάβει ένα επιπλέον νετρόνιο πριν από την διάσπασή του, ο κύκλος του πυρηνικού καυσίμου δεν παράγει το εξαιρετικά μακρόβιο Pu-244 σε σημαντική ποσότητα.
Το Pu-238 δεν παράγεται φυσιολογικά ως μεγάλη ποσότητα από τον κύκλο του πυρηνικού καυσίμου, αλλά ορισμένο παράγεται από το ποσειδώνιο-237 με σύλληψη νετρονίου (η αντίδραση αυτή μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί με καθαρό ποσειδώνιο για να παράχθεί Pu-238 σχετικά απαλλαγμένο από άλλα ισότοπα πλουτωνίου για χρήση σε θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων), από την αντίδραση (n, 2n) των ταχέων νετρονίων στο Pu-239, ή από την άλφα διάσπαση του Κιουρίου-242 το οποίο παράγεται με σύλληψη νετρονίου από το Am-241. Έχει σημαντική εγκάρσια τομή θερμικών νετρονίων για σχάση, αλλά είναι πιο πιθανό να συλλάβει ένα νετρόνιο και να γίνει Pu-239.

Το Pu-240 ως εμπόδιο για τα πυρηνικά όπλα

Το Pu-240 υφίσταται αυθόρμητη σχάση ως δευτερεύων τρόπος διάσπασης, σε μικρό, αλλά σημαντικό ποσοστό. Η παρουσία του Pu-240 περιορίζει το πυρηνικό δυναμικό της βόμβας πλουτωνίου, επειδή η ροή νετρονίων από την αυθόρμητη σχάση, ξεκινά την αλυσιδωτή αντίδραση πρόωρα και μειώνει την ισχύ της βόμβας από την έκρηξη του πυρήνα πριν από την επίτευξη της πλήρης κατάρρευσης. Το πλουτώνιο αποτελείται από περισσότερο από περίπου 90% Pu-239 που ονομάζεται οπλικό πλουτώνιο· το πλουτώνιο από αναλωμένο πυρηνικό καύσιμο από τους εμπορικές αντιδραστήρες ισχύος περιέχει γενικά τουλάχιστον 20% Pu-240 και ονομάζεται αντιδραστήρας πλουτωνίου. Ωστόσο, τα σύγχρονα πυρηνικά όπλα χρησιμοποιούν ενίσχυση σύντηξης η οποία μετριάζει το πρόβλημα προπυρσοκρότησης· αν το κοίλωμα μπορεί να δημιουργήσει ένα πυρηνικό όπλο απόδοσης ακόμα και ενός κλάσματος του κιλοτόνου, το οποίο είναι αρκετό για να ξεκινήσει σύντηξη δευτερίου και τριτίου, η προκύπτουσα έκρηξη των νετρονίων θα σχάσει αρκετό πλουτώνιο για να εξασφαλισθεί μία απόδοση των δεκάδων χιλιοτόνων.
Η μόλυνση από Pu-240 είναι ο λόγος που τα όπλα πλουτωνίου πρέπει να χρησιμοποιούν τη μέθοδο κατάρρευσης. Θεωρητικά, το καθαρό Pu-239 θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ένα όπλο τύπου πυρηνικού όπλου, αλλά η επίτευξη αυτού του επιπέδου καθαρότητας είναι απαγορευτικά δύσκολη. Η περιεκτικότητά του σε Pu-240 έχει αποδειχθεί μια μικτή ευλογία για τον σχεδιασμό πυρηνικών όπλων. Ενώ δημιούργησε καθυστερήσεις και πονοκεφάλους κατά τη διάρκεια του σχεδίου Μανχάταν, λόγω της ανάγκης ανάπτυξης της τεχνολογίας κατάρρευσης, αυτές οι ίδιες δυσκολίες είναι επί του παρόντος ένα εμπόδιο στον πολλαπλασιασμό των πυρηνικών όπλων. Οι συσκευές κατάρρευσης είναι επίσης εγγενώς πιο αποτελεσματικές και λιγότερο επιρρεπείς προς την τυχαία εκπυρσοκρότηση από ότι είναι τα όπλα τύπου.