Isotop plutonium

Plutonium (94Pu) adalah sebuah unsur buatan, kecuali sebagai jumlah renik yang dihasilkan dari penangkapan neutron oleh uranium, sehingga berat atom standarnya tidak dapat diberikan. Seperti semua unsur sintetis lainnya, ia tidak memiliki satu pun isotop stabil. Ia disintesis jauh sebelum ia ditemukan di alam, isotop pertama yang disintesis adalah 238Pu pada tahun 1940. Dua puluh radioisotop plutonium telah dikarakterisasi. Yang paling stabil adalah 24Pu dengan waktu paruh 80,8 juta tahun, 242Pu dengan waktu paruh 373.300 tahun, dan 239Pu dengan waktu paruh 24.110 tahun. Semua isotop radioaktif yang tersisa memiliki waktu paruh yang kurang dari 7.000 tahun. Unsur ini juga memiliki delapan status meta; semuanya memiliki waktu paruh kurang dari satu detik.

Isotop plutonium memiliki berat atom berkisar mulai dari 228,0387 u (228Pu) hingga 247,074 u (247Pu). Mode peluruhan utama sebelum isotop paling stabil, 244Pu, adalah fisi spontan dan emisi alfa; mode utama sesudah adalah emisi beta. Produk peluruhan utama sebelum 244Pu adalah isotop uranium dan neptunium (tidak memasukkan produk fisi), dan produk peluruhan utama setelahnya adalah isotop amerisium.

Daftar isotop

|-
| rowspan=2|228Pu
| rowspan=2 style="text-align:right" | 94
| rowspan=2 style="text-align:right" | 134
| rowspan=2|228,03874(3)
| rowspan=2|1,1(+20−5) dtk
| α (99,9%)
| 224U
| rowspan=2|0+
| rowspan=2|
|-
| β+ (0,1%)
| 228Np
|-
| 229Pu
| style="text-align:right" | 94
| style="text-align:right" | 135
| 229,04015(6)
| 120(50) dtk
| α
| 225U
| 3/2+#
|
|-
| rowspan=2|230Pu
| rowspan=2 style="text-align:right" | 94
| rowspan=2 style="text-align:right" | 136
| rowspan=2|230,039650(16)
| rowspan=2|1,70(17) mnt
| α
| 226U
| rowspan=2|0+
| rowspan=2|
|-
| β+ (langka)
| 230Np
|-
| rowspan=2|231Pu
| rowspan=2 style="text-align:right" | 94
| rowspan=2 style="text-align:right" | 137
| rowspan=2|231,041101(28)
| rowspan=2|8,6(5) mnt
| β+
| 231Np
| rowspan=2|3/2+#
| rowspan=2|
|-
| α (langka)
| 227U
|-
| rowspan=2|232Pu
| rowspan=2 style="text-align:right" | 94
| rowspan=2 style="text-align:right" | 138
| rowspan=2|232,041187(19)
| rowspan=2|33,7(5) mnt
| EC (89%)
| 232Np
| rowspan=2|0+
| rowspan=2|
|-
| α (11%)
| 228U
|-
| rowspan=2|233Pu
| rowspan=2 style="text-align:right" | 94
| rowspan=2 style="text-align:right" | 139
| rowspan=2|233,04300(5)
| rowspan=2|20,9(4) mnt
| β+ (99,88%)
| 233Np
| rowspan=2|5/2+#
| rowspan=2|
|-
| α (0,12%)
| 229U
|-
| rowspan=2|234Pu
| rowspan=2 style="text-align:right" | 94
| rowspan=2 style="text-align:right" | 140
| rowspan=2|234,043317(7)
| rowspan=2|8,8(1) jam
| EC (94%)
| 234Np
| rowspan=2|0+
| rowspan=2|
|-
| α (6%)
| 230U
|-
| rowspan=2|235Pu
| rowspan=2 style="text-align:right" | 94
| rowspan=2 style="text-align:right" | 141
| rowspan=2|235,045286(22)
| rowspan=2|25,3(5) mnt
| β+ (99,99%)
| 235Np
| rowspan=2|(5/2+)
| rowspan=2|
|-
| α (0,0027%)
| 231U
|-
| rowspan=4|236Pu
| rowspan=4 style="text-align:right" | 94
| rowspan=4 style="text-align:right" | 142
| rowspan=4|236,0460580(24)
| rowspan=4|2,858(8) thn
| α
| 232U
| rowspan=4|0+
| rowspan=4|
|-
| SF (1,37%)
| (beberapa)
|-
| CD (2%)
| 208Pb28Mg
|-
| β+β+ (langka)
| 236U
|-
| rowspan=2|237Pu
| rowspan=2 style="text-align:right" | 94
| rowspan=2 style="text-align:right" | 143
| rowspan=2|237,0484097(24)
| rowspan=2|45,2(1) hri
| EC
| 237Np
| rowspan=2|7/2−
| rowspan=2|
|-
| α (0,0042%)
| 233U
|-
| style="text-indent:1em" | 237m1Pu
| colspan="3" style="text-indent:2em" | 145.544(10)2 keV
| 180(20) mdtk
| IT
| 237Pu
| 1/2+
|
|-
| style="text-indent:1em" | 237m2Pu
| colspan="3" style="text-indent:2em" | 2900(250) keV
| 1,1(1) μdtk
|
|
|
|
|-
| rowspan=4|238Pu
| rowspan=4 style="text-align:right" | 94
| rowspan=4 style="text-align:right" | 144
| rowspan=4|238,0495599(20)
| rowspan=4|87,7(1) thn
| α
| 234U
| rowspan=4|0+
| rowspan=4|Renik
|-
| SF (1,9%)
| (beberapa)
|-
| CD (1,4%)
| 206Hg32Si
|-
| CD (6%)
| 180Yb30Mg28Mg
|-
| rowspan=2|239Pu
| rowspan=2 style="text-align:right" | 94
| rowspan=2 style="text-align:right" | 145
| rowspan=2|239,0521634(20)
| rowspan=2|2,411(3) thn
| α
| 235U
| rowspan=2|1/2+
| rowspan=2|Renik
|-
| SF (3,1%)
| (beberapa)
|-
| style="text-indent:1em" | 239m1Pu
| colspan="3" style="text-indent:2em" | 391,584(3) keV
| 193(4) ndtk
|
|
| 7/2−
|
|-
| style="text-indent:1em" | 239m2Pu
| colspan="3" style="text-indent:2em" | 3100(200) keV
| 7,5(10) μdtk
|
|
| (5/2+)
|
|-
| rowspan=3|240Pu
| rowspan=3 style="text-align:right" | 94
| rowspan=3 style="text-align:right" | 146
| rowspan=3|240,0538135(20)
| rowspan=3|6,561(7) thn
| α
| 236U
| rowspan=3|0+
| rowspan=3|Renik
|-
| SF (5,7%)
| (beberapa)
|-
| CD (1,3%)
| 206Hg34Si
|-
| rowspan=3|241Pu
| rowspan=3 style="text-align:right" | 94
| rowspan=3 style="text-align:right" | 147
| rowspan=3|241,0568515(20)
| rowspan=3|14,290(6) thn
| β− (99,99%)
| 241Am
| rowspan=3|5/2+
| rowspan=3|
|-
| α (0,00245%)
| 237U
|-
| SF (2,4%)
| (beberapa)
|-
| style="text-indent:1em" | 241m1Pu
| colspan="3" style="text-indent:2em" | 161,6(1) keV
| 0,88(5) μdtk
|
|
| 1/2+
|
|-
| style="text-indent:1em" | 241m2Pu
| colspan="3" style="text-indent:2em" | 2200(200) keV
| 21(3) μdtk
|
|
|
|
|-
| rowspan=2|242Pu
| rowspan=2 style="text-align:right" | 94
| rowspan=2 style="text-align:right" | 148
| rowspan=2|242,0587426(20)
| rowspan=2|3,75(2) thn
| α
| 238U
| rowspan=2|0+
| rowspan=2|
|-
| SF (5,5%)
| (beberapa)
|-
| 243Pu
| style="text-align:right" | 94
| style="text-align:right" | 149
| 243,062003(3)
| 4,956(3) jam
| β−
| 243Am
| 7/2+
|
|-
| style="text-indent:1em" | 243mPu
| colspan="3" style="text-indent:2em" | 383,6(4) keV
| 330(30) ndtk
|
|
| (1/2+)
|
|-
| rowspan=3|244Pu
| rowspan=3 style="text-align:right" | 94
| rowspan=3 style="text-align:right" | 150
| rowspan=3|244,064204(5)
| rowspan=3|8,00(9) thn
| α (99,88%)
| 240U
| rowspan=3|0+
| rowspan=3|Renik
|-
| SF (0,123%)
| (beberapa)
|-
| β−β− (7,3%)
| 244Cm
|-
| 245Pu
| style="text-align:right" | 94
| style="text-align:right" | 151
| 245,067747(15)
| 10,5(1) jam
| β−
| 245Am
| (9/2−)
|
|-
| 246Pu
| style="text-align:right" | 94
| style="text-align:right" | 152
| 246,070205(16)
| 10,84(2) hri
| β−
| 246mAm
| 0+
|
|-
| 247Pu
| style="text-align:right" | 94
| style="text-align:right" | 153
| 247,07407(32)#
| 2,27(23) hri
| β−
| 247Am
| 1/2+#
|

Aktinida vs produk fisi

Isotop penting
Plutonium-238 memiliki waktu paruh 87,74 tahun dan memancarkan partikel alfa. 238Pu murni untuk generator termoelektrik radioisotop yang menggerakkan beberapa wahana antariksa dihasilkan oleh penangkapan neutron pada 237Np tetapi plutonium dari bahan bakar nuklir bekas dapat mengandung beberapa persen 238Pu, yang berasal dari 237Np, peluruhan alfa 242Cm, atau reaksi (n,2n).
Plutonium-239 merupakan isotop plutonium yang paling penting, dengan waktu paruh 24.100 tahun. 239Pu dan 241Pu bersifat fisil, artinya inti atom mereka dapat pecah dengan dibombardir oleh neutron termal yang bergerak lambat, melepaskan energi, radiasi gama, dan lebih banyak neutron. Oleh karena itu, ia dapat mempertahankan reaksi berantai nuklir, yang mengarah pada pengaplikasiannya dalam senjata dan reaktor nuklir. 239Pu disintesis dengan mengiradiasi 238U dengan neutron di dalam reaktor nuklir, kemudian diperoleh kembali melalui pemrosesan nuklir dari bahan bakar tersebut. Penangkapan neutron lebih lanjut menghasilkan isotop yang lebih berat secara berturut-turut.
Plutonium-240 memiliki tingkat fisi spontan yang tinggi, meningkatkan radiasi neutron latar belakang dari plutonium yang mengandungnya. Plutonium dinilai berdasarkan proporsi dari 240Pu: tingkat senjata (< 7%), tingkat bahan bakar (7–19%), dan tingkat reaktor (> 19%). Tingkat yang lebih rendah kurang cocok untuk senjata nuklir dan reaktor termal tetapi dapat menjadi bahan bakar reaktor cepat.
Plutonium-241 bersifat fisil, tetapi juga dapat meluruh melalui peluruhan beta dengan waktu paruh 14 tahun menjadi 241Am.
Plutonium-242 tidak bersifat fisil, tidak terlalu subur (membutuhkan 3 penangkapan neutron lebih banyak untuk menjadi fisil), memiliki penampang tangkapan neutron yang rendah, dan waktu paruh yang lebih lama daripada isotop yang lebih ringan.
Plutonium-244 adalah isotop plutonium yang paling stabil, dengan waktu paruh sekitar 80 juta tahun. Ia tidak diproduksi secara signifikan di dalam reaktor nuklir karena 243Pu memiliki waktu paruh yang pendek, tetapi beberapa darinya terproduksi dalam ledakan nuklir.

Produksi dan kegunaan

238Pu biasanya tidak diproduksi dalam jumlah besar oleh siklus bahan bakar nuklir, tetapi beberapa darinya dihasilkan dari 237Np dengan penangkapan neutron (reaksi ini juga dapat digunakan dengan neptunium murni untuk menghasilkan 238Pu yang relatif bebas dari isotop plutonium lain untuk digunakan dalam generator termoelektrik radioisotop), dengan reaksi (n,2n) neutron cepat pada 239Pu, atau peluruhan alfa dari 242Cm, yang dihasilkan oleh penangkapan neutron dari 241Am. Ia memiliki penampang neutron termal yang signifikan untuk fisi, tetapi lebih mungkin untuk menangkap neutron dan menjadi 239Pu.

239Pu, sebuah isotop fisil yang merupakan bahan bakar nuklir yang paling banyak digunakan kedua dalam reaktor nuklir setelah 235U, dan bahan bakar yang paling banyak digunakan dalam bagian fisi dari senjata nuklir, dihasilkan dari 238U dengan penangkapan neutron dan diikuti oleh dua peluruhan beta.

240Pu, 241Pu, dan 242Pu diproduksi dengan penangkapan neutron lebih lanjut. Isotop bermassa ganjil, 239Pu dan 241Pu, memiliki sekitar  peluang untuk mengalami fisi saat menangkap neutron termal dan sekitar  peluang untuk mempertahankan neutron dan menjadi isotop berikutnya yang lebih berat. Isotop bermassa genap adalah bahan yang subur tetapi tidak fisil dan juga memiliki probabilitas keseluruhan (penampang lintang) yang lebih rendah dari penangkapan neutron; oleh karena itu, mereka cenderung terakumulasi dalam bahan bakar nuklir yang digunakan dalam reaktor termal, desain dari hampir semua pembangkit listrik tenaga nuklir saat ini. Dalam plutonium yang telah digunakan untuk kedua kalinya dalam reaktor termal dalam bahan bakar MOX, 240Pu bahkan mungkin merupakan isotop yang paling umum. Semua isotop plutonium dan aktinida lainnya, bagaimanapun, dapat dibelah dengan neutron cepat. 240Pu memang memiliki penampang penyerapan neutron termal sedang, sehingga produksi 241Pu dalam reaktor termal menjadi fraksi yang signifikan sebesar produksi 239Pu.

241Pu memiliki waktu paruh 14 tahun, dan memiliki penampang neutron termal yang sedikit lebih tinggi daripada 239Pu for both fission and absorption. untuk fisi dan penyerapan. Walaupun bahan bakar nuklir digunakan dalam reaktor, inti 241Pu lebih mungkin untuk membelah atau menangkap neutron daripada meluruh. 241Pu menyumbang proporsi fisi yang signifikan dalam bahan bakar reaktor termal yang telah digunakan selama beberapa waktu. Namun, dalam bahan bakar nuklir bekas yang tidak cepat mengalami pemrosesan ulang nuklir tetapi didinginkan selama bertahun-tahun setelah digunakan, banyak atau sebagian besar dari 241Pu akan meluruh melalui peluruhan beta menjadi 241Am, salah satu aktinida minor, sebuah pemancar alfa yang kuat, dan sulit untuk digunakan dalam reaktor termal.

242Pu memiliki penampang yang sangat rendah untuk penangkapan neutron termal; dan dibutuhkan tiga penyerapan neutron untuk menjadi isotop fisil lain (245Cm atau 241Pu) dan fisi. Meski begitu, ada kemungkinan salah satu dari kedua isotop fisil itu akan gagal membelah tetapi malah menyerap neutron keempat, menjadi 246Cm (dalam perjalanannya menjadi aktinida yang lebih berat seperti kalifornium, yang merupakan pemancar neutron dengan fisi spontan dan sulit untuk ditangani) atau menjadi 242Pu lagi; sehingga jumlah rata-rata neutron yang diserap sebelum fisi bahkan lebih tinggi dari 3. Oleh karena itu, 242Pu sangat tidak cocok untuk didaur ulang dalam reaktor termal dan akan lebih baik digunakan dalam reaktor cepat yang dapat langsung dipecah. Namun, penampang 242Pu yang rendah berarti bahwa relatif sedikit yang akan ditransmutasikan selama satu siklus dalam reaktor termal. Waktu paruh 242Pu adalah sekitar 15 kali lebih lama daripada waktu paruh 239Pu; oleh karena itu, radioaktivitasnya hanya  dari radioaktivitas 239Pu dan bukan merupakan salah satu kontributor radioaktivitas limbah nuklir terbesar. Emisi sinar gama
242Pu juga lebih lemah daripada isotop lainnya.

243Pu memiliki waktu paruh hanya 5 jam, meluruh melalui peluruhan beta menjadi 243Am. Karena 243Pu memiliki sedikit kesempatan untuk menangkap neutron tambahan sebelum meluruh, siklus bahan bakar nuklirnya tidak menghasilkan 244Pu yang berumur panjang dalam jumlah yang signifikan.

Pembuatan

Plutonium-240, -241 dan -242

Penampang fisi untuk 239Pu adalah 747,9 barn untuk neutron termal, sedangkan penampang aktivasinya adalah 270,7 barn (rasionya mendekati 11 fisi untuk setiap 4 tangkapan neutron). Isotop plutonium yang lebih tinggi tercipta ketika bahan bakar uranium digunakan untuk waktu yang lama. Untuk bahan bakar bekas dengan tingkat pembakaran tinggi, konsentrasi isotop plutonium yang lebih tinggi akan lebih tinggi daripada bahan bakar dengan tingkat pembakaran rendah yang diproses ulang untuk mendapatkan plutonium tingkat senjata.

Plutonium-239

Plutonium-239 adalah salah satu dari tiga bahan fisil yang digunakan untuk produksi senjata nuklir dan di beberapa reaktor nuklir sebagai sumber energi. Bahan fisil lainnya adalah 235U dan 233U. 239Pu hampir tidak ada di alam. Itu dibuat dengan membombardir 238U dengan neutron dalam reaktor nuklir. 238U hadir dalam kuantitas di sebagian besar bahan bakar reaktor; maka 239Pu terus menerus dibuat dalam reaktor ini. Karena 239Pu sendiri dapat dipecah oleh neutron untuk melepaskan energi, 239Pu menyediakan sebagian dari pembangkitan energi dalam reaktor nuklir.

Plutonium-238

Ada sejumlah kecil 238Pu dalam plutonium dari reaktor penghasil plutonium biasa. Namun, pemisahan isotop akan cukup mahal bila dibandingkan dengan metode lain: ketika sebuah atom 235U menangkap sebuah neutron, ia diubah menjadi keadaan tereksitasi dari 236U Beberapa inti 236U yang tereksitasi mengalami fisi, tetapi beberapa meluruh menjadi keadaan dasar dari 236U. Penangkapan neutron lebih lanjut menciptakan 237U, yang memiliki waktu paruh 7 hari dan dengan cepat meluruh menjadi 237Np. Karena hampir semua neptunium diproduksi dengan cara ini atau terdiri dari isotop yang meluruh dengan cepat, seseorang dapat mendapatkan 237Np yang hampir murni dengan pemisahan kimia neptunium. Setelah pemisahan kimia ini, 237Np kembali diiradiasi oleh neutron reaktor untuk diubah menjadi 238Np, yang meluruh menjadi 238Pu dengan waktu paruh 2 hari.

240Pu sebagai rintangan untuk senjata nuklir
Plutonium-240 mengalami fisi spontan sebagai mode peluruhan sekunder pada tingkat yang kecil tapi signifikan. Kehadiran 240Pu membatasi penggunaan plutonium dalam bom nuklir, karena fluks neutron dari fisi spontan memulai reaksi berantai sebelum waktunya, menyebabkan pelepasan energi awal yang secara fisik membubarkan inti sebelum ledakan penuh tercapai. Hal ini mencegah sebagian besar inti dari partisipasi dalam reaksi berantai dan mengurangi kekuatan bom.

Plutonium yang terdiri dari lebih dari 90% 239Pu disebut plutonium tingkat senjata; plutonium dari bahan bakar nuklir bekas dari reaktor daya komersial umumnya mengandung paling sedikit 20% 240Pu dan disebut plutonium tingkat reaktor. Namun, senjata nuklir modern menggunakan penguat fusi, yang mengurangi masalah predetonasi; jika bijinya dapat menghasilkan senjata nuklir bahkan dalam sepersekian kiloton, yang cukup untuk memulai fusi deuterium-tritium, ledakan neutron yang dihasilkan akan memecah cukup plutonium untuk memastikan hasil puluhan kiloton.

Kontaminasi 240Pu adalah alasan mengapa senjata plutonium harus menggunakan metode ledakan. Secara teoretis, 239Pu murni dapat digunakan dalam senjata nuklir jenis bedil, tetapi mencapai tingkat kemurnian ini sangatlah sulit. Kontaminasi. 240Pu telah terbukti membawa berkah bagi desain senjata nuklir. Walaupun ia menciptakan penundaan dan sakit kepala selama Proyek Manhattan karena kebutuhan untuk mengembangkan teknologi ledakan, kesulitan-kesulitan yang sama saat ini menjadi penghalang bagi proliferasi nuklir. Perangkat ledakan juga secara inheren lebih efisien dan kurang rentan terhadap detonasi yang tidak disengaja daripada senjata jenis bedil.

Referensi

 Massa isotop dari:

 Komposisi isotop dan massa atom standar dari:

 Data waktu paruh, spin, dan isomer dipilih dari sumber-sumber berikut.

Isotop plutonium
Plutonium
Plutonium