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.

Αξιοσημείωτα ισότοπα 
 Το Πλουτώνιο-238 έχει διάρκεια ημιζωής 87,74 χρόνια  και εκπέμπει σωματίδια άλφα. Καθαρό Pu-238 για θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων που τροφοδοτούν μερικά διαστημόπλοια παράγεται από τη σύλληψη νετρονίων στο ποσειδώνιο-237, αλλά το πλουτώνιο από το αναλωμένο πυρηνικό καύσιμο μπορεί να περιέχει ένα μικρό ποσοστό από Pu-238, είτε από 237Np, από άλφα διάσπαση του 242Cm, ή από αντιδράσεις (n, 2n).

 Το πλουτώνιο-239 είναι το σημαντικότερο ισότοπο του πλουτωνίου, με ημιζωή 24.100 χρόνια. Το Pu-239 και το Pu-241 είναι σχάσιμα, που σημαίνει ότι οι πυρήνες των ατόμων τους μπορούν να σπάσουν, εκτός από το να βομβαρδίζεται από θερμικά αργά κινούμενα νετρόνια, απελευθερώνοντας ενέργεια, ακτίνες γάμμα και νετρόνια. Μπορεί να στηρίξει συνεπώς μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση, οδηγώντας σε εφαρμογές πυρηνικών όπλων και πυρηνικών αντιδραστήρων. Το Pu-239 συντίθεται με ακτινοβόληση ουρανίου-238 με νετρόνια στον πυρηνικό αντιδραστήρα, και κατόπιν ανακτάται μέσω πυρηνικής επανεπεξεργασίας του καυσίμου. Περαιτέρω σύλληψη νετρονίων παράγει διαδοχικά βαρύτερα ισότοπα.

 Το πλουτώνιο-240 διαθέτει ένα υψηλό βαθμό αυθόρμητης σχάσης, αυξάνοντας την ακτινοβολία του υποβάθρου νετρονίων που περιέχει το πλουτώνιο. Το πλουτώνιο βαθμολογείται με αναλογία του Pu-240: οπλικό (<7%), διαβάθμιση καυσίμου (7-19%) και ποιότητα αντιδραστήρα (> 19%). Προϊόντα κατώτερης ποιότητας είναι λιγότερο κατάλληλα για τα πυρηνικά όπλα και τους θερμικούς αντιδραστήρες, αλλά μπορούν να τροφοδοτήσουν γρήγορους αντιδραστήρες.

 Το πλουτώνιο-242 δεν είναι σχάσιμο, δεν είναι ιδιαίτερα γόνιμο (απαιτεί 3 περισσότερες συλλήψεις νετρονίων για να γίνει σχάσιμο), έχει χαμηλή διατομή σύλληψης νετρονίων, και μεγαλύτερο χρόνο ημιζωής από οποιοδήποτε από τα ελαφρύτερα ισότοπα.

 Το πλουτώνιο-244 είναι το πιο σταθερό ισότοπο του πλουτωνίου, με μια ημιζωή περίπου 80 εκατομμυρίων χρόνων, αρκετά μεγάλη ώστε να μπορείνα βρεθεί σε ιχνοποσότητες στη φύση. Δεν παράγεται σε σημαντικό βαθμό στους πυρηνικούς αντιδραστήρες επειδή το Pu-243 έχει μικρό χρόνο ημιζωής, αλλά παράγεται ορισμένη ποσότητά του στις πυρηνικές εκρήξεις.

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.

Παρασκευή

Pu-240, Pu-241 και Pu-242 
Η διατομή σχάσης για το σχηματισμό του 239Pu είναι 747.9 μπαρνς για τα θερμικά νετρόνια, ενώ η διατομή ενεργοποίησης είναι 270.7 μπαρνς (η αναλογία προσεγγίζει 11 σχάσεις για κάθε 4 συλλήψεις νετρονίων). Τα βαρύτερα ισότοπα του πλουτωνίου δημιουργούνται όταν το ουράνιο που χρησιμοποιείται ως καύσιμο χρησιμοποιείται για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ισχύει ότι το καύσιμο που χρησιμοποιείται για την υψηλή καύση έχει υψηλότερες συγκεντρώσεις των βαρύτερων ισοτόπων του πλουτωνίου από το καύσιμο χαμηλής καύσης που επανεπεξεργάζεται για να ληφθούν όπλα πλουτωνίου.

Pu-239 
Κύριο άρθρο: Πλουτώνιο-239

Το πλουτώνιο-239 είναι ένα από τα τρία σχάσιμα υλικά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πυρηνικών όπλων και σε ορισμένους πυρηνικούς αντιδραστήρες ως πηγή ενέργειας. Τα άλλα σχάσιμα υλικά είναι το ουράνιο-235 και ουράνιο-233. Το πλουτώνιο-239 είναι ουσιαστικά ανύπαρκτο στη φύση. Κατασκευάζεται με τον βομβαρδισμό του ουρανίου-238 με νετρόνια σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. Το ουράνιο-238 είναι παρόν στο μεγαλύτερο μέρος του καυσίμου του αντιδραστήρα, εξ ου και γιατί το πλουτώνιο-239 παράγεται συνεχώς στους αντιδραστήρες αυτούς. Επειδή το πλουτώνιο-239 μπορεί από μόνο του να διασπαστεί από νετρόνια για την απελευθέρωση ενέργειας, παρέχει ένα τμήμα της παραγωγής ενέργειας σε ένα πυρηνικό αντιδραστήρα.

Pu-238 
Κύριο άρθρο: Πλουτώνιο-238

Υπάρχουν μικρά ποσά πλουτωνίου-238 στο πλουτώνιο των συνηθισμένων αντιδραστήρων παραγωγής πλουτωνίου. Ωστόσο, ο ισοτοπικός διαχωρισμός θα είναι αρκετά ακριβός σε σχέση με μία άλλη μέθοδο: όταν ένα άτομο U-235 συλλαμβάνει ένα νετρόνιο, μετατρέπεται σε μία διεγερμένη κατάσταση του U-236. Ορισμένο μέρος των διεγερμένων πυρηνών U-236 υφίστανται σχάση, αλλά κάποιοι διασπώνται στην θεμελιώδη κατάσταση του U-236 με την εκπομπή ακτινοβολίας γάμμα. Περαιτέρω σύλληψη νετρονίων δημιουργεί U-237 το οποίο έχει χρόνο ημιζωής 7 ημερών και έτσι αποσυντίθεται γρήγορα στο Νp-237. Αφού σχεδόν όλο το ποσειδώνιο παράγεται με αυτόν τον τρόπο ή αποτελείται από ισότοπα που διασπώνται γρήγορα, μετατρέπεται σε σχεδόν καθαρό Np-237 από χημικό διαχωρισμό των ποσειδωνίου. Μετά από αυτό το χημικό διαχωρισμό, Np-237 ακτινοβολείται πάλι με νετρόνια αντιδραστήρα για να μετατραπεί σε Np-238 το οποίο διασπάται σε Pu-238 με διάρκεια ημιζωής 2 ημέρες.

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.

Πίνακας

Σημειώσεις 
 Οι τιμές που σημειώνονται με # δεν είναι απόλυτα τεκμηριωμένες από πειραματικά δεδομένα, αλλά προέρχονται, τουλάχιστον εν μέρει, από θεωρητικά μοντέλα. Αμφίβολες τιμές spin είναι κλεισμένες σε παρενθέσεις.
 Οι αβεβαιότητες δίνονται επίσης σε παρενθέσεις, αφορώντας στα τελευταία ψηφία. Οι τιμές της αβεβαιότητας αναφέρονται στην φυσική διαφοροποίηση, εκτός από την ισοτοπική σύνθεση και την χαρακτηρισμένη ως πρότυπη ατομική μάζα από την IUPAC, που αυξάνουν τις αβεβαιότητες.
 Οι συντομογραφίες χρόνων ημιζωής (t1/2) σημαίνουν : a = χρόνια, d = μέρες, h = ώρες, min = λεπτά, s = δευτερόλεπτα, 1 ms = 10−3 s,  1 μs = 10−6 s, 1 ns = 10−9 s. 
 Ο εκθέτης m (ή m2, κλπ.), αναφέρεται σε πυρηνικό ισομερές του συγκεκριμένου ισοτόπου.

Παραπομπές