Изотопи на плутониумот

Плутониумот (Pu) — вештачки елемент, освен за количините трагови кои произлегуваат од неутронскиот зафат од ураниум, и затоа не може да се даде стандардна атомска тежина. Како и сите вештачки елементи, тој нема стабилни изотопи. Бил синтетизиран долго пред да биде пронајден во природата, првиот синтетизиран изотоп бил Pu во 1940 година. Се карактеризираат 22 радиоизотопи на плутониум. Најстабилни се Pu со полураспад од 80,8 милиони години; Pu со полураспад од 373.300 години; и Pu со полураспад од 24.110 години; и Pu со полураспад од 6.560 години. Овој елемент има и осум мета состојби; сите имаат полураспад помал од една секунда.
Познатите изотопи на плутониум се движат од Pu до Pu. Примарните начини на распаѓање пред најстабилниот изотоп, Pu, се преку спонтано цепење и алфа-распаѓање; примарниот режим потоа е бета-распад. Примарните распадни производи пред Pu се изотопи на ураниумот и нептуниум (не земајќи ги предвид производите на цепење), а примарните производи на распаѓање потоа се изотопи на америциумот.
1 Список на изотопи
Pu, 94, 132, 226.03825(22)#, ≥1 ms, α, U, 0+
Pu, 94, 133, 227.03947(11)#, α, U, 5/2+#
Pu, 94, 134, 228.038763(25), 2.1(13) s, α, U, 0+
Pu, 94, 135, 229.040145(65), 91(26) s, α (~50%), U, 3/2+#
β (~50%), Np
СЦ (<7%), (различен)
Pu, 94, 136, 230.039648(16), 105(10) s, α (>73%), U, 0+
β (<27%), Np
Pu, 94, 137, 231.041126(24), 8.6(5) min, β (87%), Np, (3/2+)
α (13%), U
Pu, 94, 138, 232.041182(18), 33.7(5) min, ЕЗ (>80%), Np, 0+
α (<20%), U
Pu, 94, 139, 233.042997(58), 20.9(4) min, β (99.88%), Np, 5/2+#
α (0.12%), U
Pu, 94, 140, 234.0433175(73), 8.8(1) h, ЕЗ (94%), Np, 0+
α (6%), U
Pu, 94, 141, 235.045285(22), 25.3(5) min, β, Np, (5/2+)
α (0.0028%), U
Pu, 94, 142, 236.0460567(19), 2.858(8) y, α, U, 0+
СЦ (1.9×10%), (различен)
CD (2×10%), PbMg
Pu, 1185.45(15) keV, 1.2(3) μs, ИП, Pu, 5−
Pu, 94, 143, 237.0484079(18), 45.64(4) d, ЕЗ, Np, 7/2−
α (0.0042%), U
Pu, 145.543(8) keV, 180(20) ms, IT, Pu, 1/2+
Pu, 2900(250) keV, 1.1(1) μs, СЦ, (различен)
Pu, 94, 144, 238.0495582(12), 87.7(1) y, α, U, 0+, Траг
СЦ (3.1×10%), (различен)
Pu, 391.584(3) keV, 193(4) ns, IT, <sup>239</sup>Pu, 7/2−
Pu, 3100(200) keV, 7.5(10) μs, СЦ, (различен), (5/2+)
Pu, 94, 146, 240.0538117(12), 6.561(7)×10 y, α, U, 0+, Траг
СЦ (0.123%), (различен)
ββ (<7.3×10%), Cm
Pu, 1216.0(5) keV, 1.75(12) s, IT, <sup>244</sup>Pu, 8−
Pu, 94, 151, 245.067825(15), 10.5(1) h, β, Am, (9/2−)
Pu, 264.5(3) keV, 330(20) ns, IT, <sup>245</sup>Pu, (5/2+)
Pu, 2000(400) keV, 90(30) ns, СЦ, (различен)
Pu, 94, 152, 246.070204(16), 10.84(2) d, β, Am, 0+
Pu, 94, 153, 247.07430(22)#, 2.27(23) d, β, Am, 1/2+#
2 Забележителни изотопи
* Плутониум-238 има полраспад од 87,74 години и емитира алфа-честички. Чистата Pu за радиоизотопски топлинскоелектрични генератори кои напојуваат некои вселенски летала се произведува со неутронски зафат на нептуниум-237, но плутониумот од потрошеното јадрено гориво може да содржи дури неколку проценти Pu, кои потекнуваат од Np, алфа-распад од Cm или (n,2n).
* Плутониум-239 има полураспад од 24.100 години. Pu и Pu се цепаат; што значи дека нивните јадра може да се поделат со тоа што ќе бидат бомбардирани од бавни топлински неутрони, ослободувајќи енергија, гама-зрачење и повеќе неутрони. Затоа може да одржи јадрената верижна реакција, што ќе доведе до примена во јадрено оружје и јадрени реактори. Pu се синтетизира со зрачење на ураниум-238 со неутрони во јадрен реактор, а потоа се обновува преку јадрена преработка на горивото. Понатамошниот неутронски зафат произведува последователно потешки изотопи.
* Плутониум-240 има висока стапка на спонтано цепење, што го зголемува позадинското неутронско зрачење на плутониумот. Плутониумот е оценет со пропорција од Pu: класа на оружје (<7%), степен на гориво (7–19%) и степен на реакторот (>19%). Пониските оценки се помалку погодни за бомби и топлински реактори, но можат да поттикнат брзи реактори.
* Плутониум-241 се подлага на цепење, и тоа преку бета-распад со полураспад од 14 години до америциум-241.
* Плутониум-242 не се подлага на цепење, ниту е многу плоден (потребни се уште 3 неутронски зафати за да се распадне); и има низок пресек за неутронски зафат и подолг полураспад од кој било од полесните изотопи.
* Плутониум-244 е најстабилниот изотоп на плутониум, со полураспад од околу 80 милиони години. Не се произведува значително во јадрени реактори бидејќи Pu има краток полураспад, но дел се произведува во јадрени експлозии. Pu е пронајден во меѓуѕвездениот простор и има втор најдолг полураспад од кој било не-исконски радиоизотоп.
3 Производство и употреба
Pu е изотоп кој се цепи второ најкористено јадрено гориво во јадрените реактори по ураниум-235, и најкористено гориво во делот за цепење на јадреното оружје, се произведува од ураниум-238 со неутронски зафат проследен со две бета-распади.
Pu, Pu и Pu се произведуваат со дополнителен неутронски зафат. Изотопите со непарна маса Pu и Pu имаат околу 3/4 шанси да претрпат цепење при топлински неутронски зафат и околу 1/4 шанса да го задржат неутронот и да станат следниот потежок изотоп. Изотопите со рамномерна маса се плодни, но не се делат и исто така имаат помала веројатност (напречен пресек) за неутронски зафат; затоа, тие имаат тенденција да се акумулираат во јадрено гориво што се користи во топлински реактор, дизајн на речиси сите јадрени централи денес. Во плутониумот што се користи вторпат во топлинските реактори во MOX горивото, Pu може да биде дури и најчестиот изотоп. Сите изотопи на плутониум и други актиниоди, сепак, се расцепуваат со брзи неутрони. Pu има умерен пресек со топлинско впивање на неутрони, така што производството на Pu во топлински реактор станува значителен дел колку што е производството на Pu.
Pu има полураспад од 14 години и има малку повисоки топлински неутронски пресеци од Pu и за цепење и за впивање. Додека јадреното гориво се користи во реакторот, јадрото Pu е многу поверојатно да се расцепи или да зафати неутрон отколку да се распадне. Pu претставува значителен дел од цепење во горивото на топлинскиот реактор што се користи некое време. Меѓутоа, во потрошеното јадрено гориво кое не се подложува брзо на јадрена преработка, но наместо тоа се лади со години по употребата, голем дел или поголемиот дел од Pu ќе доживее бета-распад до америциум-241, еден од помалите актиниди, силен алфа емитер и тежок за употреба во топлинските реактори.
Pu има особено низок пресек за топлински неутронски зафат; и потребни се три апсорпции на неутрони за да стане уште еден изотоп кој може да се цепи (или куриум-245 или Pu). Дури и тогаш, постои можност кој било од тие два изотопи да не се расцепи, но наместо тоа да апсорбира четврти неутрон, да стане куриум-246 (на патот до уште потешки актиниди како калифорниум, кој е неутронски емитер со спонтано цепење и тешко се ракува) или повторно да стане Pu; така што просечниот број на неутрони апсорбирани пред цепењето е дури и поголем од 3. Затоа, Pu е особено несоодветен за рециклирање во топлински реактор и би бил подобро да се користи во брз реактор каде што може директно да се расцепи. Сепак, нискиот пресек на Pu значи дека релативно малку од него ќе се трансмутира во текот на еден циклус во топлински реактор. Полураспадот на Pu е околу 15 пати подолг од полураспадор на 239Pu; затоа, тој е 1/15 како радиоактивен и не е еден од поголемите придонесувачи за радиоактивноста на јадрениот отпад. Емисиите на гама зраци на Pu се исто така послаби од оние на другите изотопи.
Pu има полураспад од само 5 часа, преку бета-распад до америциум-243. Бидејќи Pu има мала можност да фати дополнителен неутрон пред распаѓањето, циклусот на јадрено гориво не произведува долговечен Pu во значителна количина.
Pu вообичаено не се произведува во толку големо количество од циклусот на јадрено гориво, но дел се произведува од нептуниум-237 со неутронски зафат (оваа реакција може да се користи и со прочистен нептуниум за да се произведе Pu релативно ослободен од други изотопи на плутониум за употреба во радиоизотопски термоелектрични генератори (на брзи генератори на неутони) Pu, или со алфа распад на куриум-242, кој се произведува со неутронски зафат од Am. Има значителен топлински неутронски пресек за цепење, но поверојатно е да фати неутрон и да стане Pu.
4 Производство
4.1 Плутониум-240, -241 и -242
Пресекот на цепење за Pu е 747,9 барни за топлински неутрони, додека напречниот пресек на активирање е 270,7 барни (односот се приближува до 11 цепења за секои 4 заробени неутрони). Повисоките изотопи на плутониум се создаваат кога горивото на ураниум се употребува долго време. За искористеното гориво со висока потрошувачка, концентрациите на изотопите на плутониум со повисок степен ќе бидат повисоки од горивото со ниско согорување кое се реобработува за да се добие плутониум од класа плутониумско оружје.
+Формирање на <sup>240</sup> Pu, <sup>241</sup> Pu, и <sup>242</sup> Pu од <sup>238</sup> U, Изотоп, Топлински неутронскипресек барни, Режим на распад, Полуraspad
Зафат, Цепење
<sup>238</sup>U, 2.683, 0.000, α, 4,468 x 10 <sup>9</sup> години
<sup>239</sup>U, 20.57, 14.11, β <sup>−</sup>, 23,45 минути
<sup>239</sup>U, 77.03, –, β <sup>−</sup>, 2.356 дена
<sup>239</sup>U, 270,7, 747,9, α, 24.110 години
<sup>240</sup>U, 287,5, 0,064, α, 6.561 години
<sup>241</sup>U, 363,0, 1012, β <sup>−</sup>, 14.325 години
<sup>242</sup>U, 19.16, 0,001, α, 373.300 години
4.2 Плутониум-239
Pu е еден од трите материјали подложени на цепење што се користат за производство на јадрено оружје и во некои јадрени реактори како извор на енергија. Другите материјали се ураниум-235 и ураниум-233. Pu е практично непостоечки во природата. Направен е со бомбардирање на ураниум-238 со неутрони. Ураниум-238 е присутен во количина во повеќето гориво на реакторот; оттука во овие реактори континуирано се прави Pu. Бидејќи самиот Pu може да се подели со неутрони за да се ослободи енергија, Pu обезбедува дел од производството на енергија во јадрениот реактор.
+Формирањето на Pu од U , Елемент, Изотоп, Топлински неутронски зафат пресек (барни), Топлинско неутронско цепење пресек (барни), режим на распаѓање, Полураспад
U, 238, 2.68, 5·10, α, 4,47 x 10 години
U, 239, 22, 15, β, 23 минути
Np, 239, 30, 1, β, 2,36 дена
Pu, 239, 271, 750, α, 24.110 години
4.3 Плутониум-238
Постојат мали количини од Pu во плутониумот од вообичаените реактори. Сепак, изотопското одвојување би било прилично скапо во споредба со друг метод: кога U зафаќа неутрон, тој се претвора во возбудена состојба од U. Некои од возбудените U јадра се подложени на цепење, но некои се распаѓаат до основната состојба од U со емитување гама зрачење. Понатамошниот неутронски зафат создава U; кој со полураспад од 7 дена се распаѓа на Np. Бидејќи скоро целиот нептуниум се произведува на овој начин или се состои од изотопи кои брзо се распаѓаат, се добива речиси чист Np. По хемиското одвојување на нептуниум, Np повторно се озрачуваат со неутрони на реакторот за да се претворат во Np, кои се распаѓаат на Pu со полураспад од 2 дена.
+Формирањето на Pu од U, Елемент, Изотоп, Топлински неутронски зафатпресек, режим на распаѓање, Полураспад
U, 235, 99, α, 703.800.000 години
U, 236, 5.3, α, 23.420.000 години
U, 237, -, β, 6,75 дена
Np, 237, 165 (зафат), α, 2.144.000 години
Np, 238, -, β, 2,11 дена
Pu, 238, -, α, 87,7 години
5 Плутониум-240 како пречка за јадрено оружје
Pu се подложува на спонтано цепење со мала, но значајна стапка (5,8%). Присуството на Pu ја ограничува употребата на плутониумот во јадрена бомба, бидејќи неутронот од спонтаното цепење ја започнува верижната реакција предвреме, предизвикувајќи рано ослободување на енергија што го распрснува јадрото пред да се постигне целосна имплозија. Ова го спречува поголемиот дел од јадрото да учествува во верижната реакција и го намалува издашноста на бомбата.
Плутониум кој се состои од повеќе од околу 90% Pu се нарекува плутониум од типот на оружје; плутониумот од потрошеното јадрено гориво од комерцијалните енергетски реактори генерално содржи најмалку 20% Pu и се нарекува плутониум од реакторско ниво. Сепак, современото јадрено оружје користи засилен јадрен уред, што го ублажува проблемот со преддетонација; ако јадрото може да генерира принос од јадрено оружје од дури дел од килотон, што е доволно за да започне јадрено соединување на деутериум-тритиум, добиениот излив на неутрони ќе расцепи доволно плутониум за да обезбеди принос од десетици килотони.
Контаминацијата поради Pu е причината поради која плутониумското оружје мора да го користи методот на имплозија. Теоретски, чистиот Pu може да се користи во бомба од типот на пиштол, но постигнувањето на ова ниво на чистота е премногу тешко. Контаминацијата на Pu се покажало како мешан благослов. Иако создало одложувања и главоболки за време на проектот „Менхетен“ поради потребата да се развие технологија за имплозија, истите тие тешкотии се бариера за јадрено ширење. Имплозивните бомби се, исто така, инхерентно поефикасни и помалку склони кон случајно детонирање отколку бомбите од типот на пиштоли.