Изотопы плутония

Основные изотопы плутония   ( 94 Pu)

Изотоп Разлагаться избыток период полураспада ( т 1/2 ) Режим продукт 238 Pu след 87,74 года SF - α 234 U 239 Pu след 2,41 × 10 4  г SF - α 235 U 240 Pu след 6500 л SF - α 236 U 241 Pu син 14 лет β - 241 утра SF - 242 Pu син 3,73 × 10 5  лет SF - α 238 U 244 Pu след 8,08 × 10 7  лет α 240 U SF -

Посмотреть говорить редактировать

Плутоний ( 94 Pu) является искусственным элементом, за исключением следовых количеств, возникающих в результате захвата нейтронов ураном, и поэтому невозможно указать стандартный атомный вес. Как и все искусственные элементы, в нем нет стабильных изотопов. Он был синтезирован задолго до того, как его нашли в природе. Первым синтезированным изотопом был ²³⁸ Pu в 1940 году. Было охарактеризовано 20 радиоизотопов плутония. Наиболее стабильными являются плутоний-244 с периодом полураспада 80,8 миллиона лет, плутоний-242 с периодом полураспада 373 300 лет и плутоний-239 с периодом полураспада 24 110 лет. Все оставшиеся радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 7000 лет. Этот элемент также имеет восемь мета-состояний ; все они имеют период полураспада менее одной секунды.

В изотопах плутония диапазона в атомном весе от 228.0387  у ( ²²⁸ Pu) до 247.074 и ( ²⁴⁷ Pu). Основными режимами распада перед наиболее стабильным изотопом ²⁴⁴ Pu являются спонтанное деление и альфа-излучение ; основной режим после - это бета-излучение. Первичные продукты распада до ²⁴⁴ Pu - это изотопы урана и нептуния (без учета продуктов деления ), а первичными продуктами распада после них являются изотопы америция.

СОДЕРЖАНИЕ

• 1 Список изотопов
• 2 Актиниды против продуктов деления
• 3 Известные изотопы
• 4 Производство и использование
• 5 Производство
  • 5.1 Плутоний-240, -241 и -242
  • 5.2 Плутоний-239
  • 5.3 Плутоний-238
• 6 ²⁴⁰ Pu как препятствие для ядерного оружия
• 7 ссылки

Список изотопов

Нуклид	Z	N	Изотопная масса ( Да )	Период полураспада	Режим распада	Дочерний изотоп	Спин и паритет	Изотопное изобилие
	Энергия возбуждения
228 Pu	94	134	228.03874 (3)	1,1 (+ 20−5) с	α (99,9%)	224 U	0+
					β + (0,1%)	228 нп
229 Pu	94	135	229.04015 (6)	120 (50) с	α	225 U	3/2 + #
230 Pu	94	136	230.039650 (16)	1,70 (17) мин	α	226 U	0+
					β + (редко)	230 Нп
231 Pu	94	137	231.041101 (28)	8,6 (5) мин	β +	231 нп	3/2 + #
					α (редко)	227 U
232 Pu	94	138	232,041187 (19)	33,7 (5) мин	ЭК (89%)	232 нп	0+
					α (11%)	228 U
233 Pu	94	139	233.04300 (5)	20,9 (4) мин	β + (99,88%)	233 нп	5/2 + #
					α (0,12%)	229 U
234 Pu	94	140	234,043317 (7)	8,8 (1) ч	ЭК (94%)	234 нп	0+
					α (6%)	230 U
235 Pu	94	141	235.045286 (22)	25,3 (5) мин	β + (99,99%)	235 нп	(5/2 +)
					α (0,0027%)	231 U
236 Pu	94	142	236.0460580 (24)	2.858 (8) лет	α	232 U	0+
					SF (1,37 × 10 -7 %)	(разные)
					КД (2 × 10 −12 %)	208 Pb 28 мг
					β + β + (редко)	236 U
237 Pu	94	143	237.0484097 (24)	45,2 (1) сут	EC	237 нп	7 / 2−
					α (0,0042%)	233 U
237 мл Pu	145,544 (10) 2 кэВ			180 (20) мс	ЭТО	237 Pu	1/2 +
237м2 Pu	2900 (250) кэВ			1,1 (1) мкс
238 Pu	94	144	238.0495599 (20)	87,7 (1) лет	α	234 U	0+	След
					SF (1,9 × 10 -7 %)	(разные)
					КД (1,4 × 10 −14 %)	206 рт. Ст. 32 Si
					КД (6 × 10 −15 %)	180 Yb 30 мг 28 мг
239 Pu	94	145	239.0521634 (20)	2,411 (3) × 10 4  г	α	235 U	1/2 +	След
					SF (3,1 × 10 -10 %)	(разные)
239 мл Pu	391,584 (3) кэВ			193 (4) нс			7 / 2−
239м2 Pu	3100 (200) кэВ			7,5 (10) мкс			(5/2 +)
240 Pu	94	146	240.0538135 (20)	6,561 (7) × 10 3 г	α	236 U	0+	След
					SF (5,7 × 10 -6 %)	(разные)
					КД (1,3 × 10 -13 %)	206 Hg 34 Si
241 Pu	94	147	241.0568515 (20)	14.290 (6) лет	β - (99,99%)	241 утра	5/2 +
					α (0,00245%)	237 U
					SF (2,4 × 10 −14 %)	(разные)
241 мл Pu	161,6 (1) кэВ			0,88 (5) мкс			1/2 +
241м2 Pu	2200 (200) кэВ			21 (3) мкс
242 Pu	94	148	242.0587426 (20)	3.75 (2) × 10 5  лет	α	238 U	0+
					SF (5,5 × 10 -4 %)	(разные)
243 Pu	94	149	243.062003 (3)	4.956 (3) ч	β -	243 утра	7/2 +
243m Pu	383,6 (4) кэВ			330 (30) нс			(1/2 +)
244 Pu	94	150	244.064204 (5)	8.00 (9) × 10 7  лет	α (99,88%)	240 U	0+	След
					SF (0,123%)	(разные)
					β - β - (7,3 × 10 −9 %)	244 см
245 Pu	94	151	245.067747 (15)	10,5 (1) ч	β -	245 утра	(9 / 2-)
246 Pu	94	152	246.070205 (16)	10,84 (2) д	β -	246m Am	0+
247 Pu	94	153	247.07407 (32) #	2,27 (23) д	β -	247 утра	1/2 + #

1. ^ ^m Pu - Возбужденный ядерный изомер.
2. ^ () - Неопределенность (1 σ ) дана в сжатой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
3. ^ # - Атомная масса с пометкой #: значение и погрешность получены не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из тенденций, полученных с помощью массовой поверхности (TMS).
4. ^ Режимы распада:

   CD:	Распад кластера
   EC:	Электронный захват
   ЭТО:	Изомерный переход
   SF:	Самопроизвольное деление
5. ^ Дочерний символ выделен жирным курсивом - дочерний продукт почти стабилен.
6. ^ Дочерний символ жирным шрифтом - Дочерний продукт стабилен.
7. ^ () значение спина - указывает вращение со слабыми аргументами присваивания.
8. ^ # - Значения, отмеченные знаком #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из трендов соседних нуклидов (TNN).
9. ^ Двойной продукт бета-распада ²³⁸ U
10. ^ ^{a b c} делящийся нуклид
11. ^ Самый полезный изотоп для ядерного оружия
12. ^ Продукт нейтронного захвата ²³⁸ U
13. ^ Промежуточный продукт распада ²⁴⁴ Pu
14. ^ Interstellar, некоторые из них также могут быть первобытными, но такие утверждения оспариваются.

Актиниды против продуктов деления

Актиниды и продукты деления по периоду полураспада v т е
Актиниды по цепочке распада				Период полураспада ( а )	Продукты деления из 235 U по доходности
4 п	4 п +1	4 п +2	4 п +3
						4,5–7%	0,04–1,25%	lt;0,001%
228 Ра №				4–6 а	†		155 Eu þ
244 см ƒ	241 Pu ƒ	250 кф	227 Ас №	10–29 а		90 Sr	85 кр	113м кд þ
232 U ƒ		238 Pu ƒ	243 см ƒ	29–97 а		137 Cs	151 см þ	121 м Sn
248 Bk	249 Cf ƒ	242m Am ƒ		141–351 а	Никакие продукты деления не имеют период полураспада в диапазоне 100–210 тыс. Лет.
	241 Am ƒ		251 Cf ƒ	430–900 а
		226 Ra №	247 Bk	1,3–1,6 тыс. Лет назад
240 Pu	229 Чт	246 см ƒ	243 Am ƒ	4,7–7,4 тыс. Лет
	245 см ƒ	250 см		8,3–8,5 тыс. Лет
			239 Pu ƒ	24,1 тыс. Лет назад
		230 Чт №	231 Па №	32–76 тыс. Лет назад
236 Np ƒ	233 U ƒ	234 У №		150–250 тыс. Лет назад	‡	99 Tc ₡	126 Sn
248 см		242 Pu		327–375 тыс. Лет назад			79 Se ₡
				1,53 млн лет		93 Zr
	237 Np ƒ			2,1–6,5 млн лет		135 Cs ₡	107 Pd
236 U			247 см ƒ	15–24 млн лет			129 I ₡
244 Pu				80 млн лет	... не более 15,7 млн ​​лет
232 Чт №		238 У №	235 U ƒ№	0,7–14,1 млрд лет
Легенда для верхнего индекса символов ₡ имеет тепловой захват нейтронов поперечного сечение в диапазоне 8-50 барн ƒ  делящегося м  метастабильного изомер № прежде всего в природе радиоактивных материалов (NORM) þ  нейтронных яда (захват тепловых нейтронов поперечного сечения больше, чем 3k барн) † диапазон 4–97 a: Средноживущий продукт деления ‡ более 200 тыс. Лет назад: Долгоживущий продукт деления

Известные изотопы

• Плутоний-238 имеет период полураспада 87,74 года и испускает альфа-частицы. Чистый ²³⁸ Pu для радиоизотопных термоэлектрических генераторов, что мощность некоторых космических аппаратов производится при захвате нейтронов на нептуния-237, но плутоний из отработанного ядерного топлива, которое может содержать столько же, сколько несколько процентов ²³⁸ Pu, происходящих из ²³⁷ Np, альфа - распада из ²⁴² Cm, или ( n, 2n) реакции.
• Плутоний-239 - самый важный изотоп плутония с периодом полураспада 24 100 лет. ²³⁹ Pu и ²⁴¹ Pu являются делящимися, что означает, что ядра их атомов могут распадаться на части, подвергаясь бомбардировке медленно движущимися тепловыми нейтронами, выделяя энергию, гамма-излучение и другие нейтроны. Следовательно, он может поддерживать цепную ядерную реакцию, ведущую 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 увеличивает фоновое нейтронное излучение плутония, содержащего его. Плутоний классифицируется по соотношению ²⁴⁰ Pu: оружейное качество (lt;7%), качество топлива (7-19%) и качество реактора (gt; 19%). Более низкие классы менее подходят для ядерного оружия и тепловых реакторов, но могут служить топливом для быстрых реакторов.
• Плутоний-241 делящийся, но также бета-распад с периодом полураспада 14 лет до америция-241.
• Плутоний-242 не делящийся, не очень плодородная (требуется более 3 захватами нейтронов стать делящийся), имеет низкий захвата нейтронов сечение, и более длительный период полураспада, чем любой из легких изотопов.
• Плутоний-244 - самый стабильный изотоп плутония с периодом полураспада около 80 миллионов лет. В ядерных реакторах он не производится в значительной степени, поскольку ²⁴³ Pu имеет короткий период полураспада, но некоторое количество его образуется при ядерных взрывах.

Производство и использование

Таблетка плутония-238, светящаяся от собственного тепла, используется для радиоизотопных термоэлектрических генераторов. Трансмутационный поток между ²³⁸ Pu и ²⁴⁴ Cm в LWR. Скорость трансмутации не показана и сильно зависит от нуклида. ²⁴⁵ Cm– ²⁴⁸ Cm являются долгоживущими с незначительным распадом.

²³⁹ Pu, A делящийся изотоп, который является вторым наиболее часто используемым ядерным топливо в ядерных реакторах после того, как уран-235, и наиболее часто используемое топливо в делительной части ядерного оружия, производится из урана-238 при захвате нейтронов с последующим двумя бета - распадами.

²⁴⁰ Pu, ²⁴¹ Pu и ²⁴² Pu производятся путем дальнейшего захвата нейтронов. Изотопы ²³⁹ Pu и ²⁴¹ Pu с нечетной массой имеют примерно 3/4 шанса подвергнуться делению при захвате теплового нейтрона и примерно 1/4 шанса удержать нейтрон и стать следующим более тяжелым изотопом. Изотопы с четной массой являются плодородным материалом, но не делящимися, а также имеют более низкую общую вероятность ( сечение ) захвата нейтронов; поэтому они, как правило, накапливаются в ядерном топливе, используемом в тепловых реакторах, в конструкции почти всех современных атомных электростанций. В плутонии, который второй раз был использован в тепловых реакторах в МОКС-топливе, ²⁴⁰ Pu может быть даже наиболее распространенным изотопом. Все изотопы плутония и другие актиноиды, однако, делящиеся с быстрыми нейтронами. ²⁴⁰ Pu действительно имеет умеренное сечение поглощения тепловых нейтронов, так что производство ²⁴¹ Pu в тепловом реакторе становится значительной долей, равной производству ²³⁹ Pu.

²⁴¹ Pu имеет период полураспада 14 лет и имеет несколько более высокое сечение тепловых нейтронов, чем ²³⁹ Pu, как для деления, так и для поглощения. В то время как ядерное топливо используется в реакторе, ядро ²⁴¹ Pu с гораздо большей вероятностью будет делиться или захватывать нейтрон, чем распадаться. ^На долю ²⁴¹ Pu приходится значительная часть делений в топливе тепловых реакторов, которое использовалось в течение некоторого времени. Однако в отработавшем ядерном топливе, которое не подвергается быстрой ядерной переработке, а вместо этого охлаждается в течение многих лет после использования, большая часть или большая часть плутония- ²⁴¹ будет бета-распадом до америция-241, одного из второстепенных актинидов, сильного альфа-излучателя и трудностей. для использования в тепловых реакторах.

²⁴² Pu имеет особенно низкое сечение захвата тепловых нейтронов; и требуется три поглощения нейтронов, чтобы стать другим делящимся изотопом (либо кюрий- ^245, либо ²⁴¹ Pu) и деление. Даже в этом случае существует вероятность того, что любой из этих двух делящихся изотопов не сможет расщепиться, 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 его трудно подобрать. ручка) или снова становится ²⁴² Pu; таким образом, среднее число нейтронов, поглощенных до деления, даже превышает 3. Следовательно, ²⁴² Pu особенно непригоден для рециркуляции в тепловом реакторе, и его лучше использовать в быстром реакторе, где он может делиться напрямую. Однако низкое поперечное сечение ²⁴² Pu означает, что относительно небольшая его часть будет преобразована в течение одного цикла в тепловом реакторе. Период полураспада ²⁴² Pu примерно в 15 раз больше периода полураспада ²³⁹ Pu; следовательно, он составляет 1/15 радиоактивности и не является одним из основных источников радиоактивности ядерных отходов. Гамма-излучение ²⁴² Pu также слабее, чем у других изотопов.

²⁴³ Pu имеет период полураспада всего 5 часов, бета-распад превращается в америций-243. Поскольку у ²⁴³ Pu мало возможностей захватить дополнительный нейтрон перед распадом, ядерный топливный цикл не производит долгоживущего ²⁴⁴ Pu в значительных количествах.

²³⁸ Pu обычно не производится в таких больших количествах в ядерном топливном цикле, но некоторая его часть производится из нептуния-237 путем захвата нейтронов (эту реакцию также можно использовать с очищенным нептунием для производства ²³⁸ Pu, относительно свободного от других изотопов плутония, для использования в радиоизотопные термоэлектрические генераторы ), реакцией (n, 2n) быстрых нейтронов на ²³⁹ Pu или альфа-распадом кюрия- 242, который образуется при захвате нейтронов из ²⁴¹ Am. Он имеет значительное сечение деления тепловых нейтронов, но с большей вероятностью захватит нейтрон и превратится в ²³⁹ Pu.

Производство

Плутоний-240, -241 и -242

Деления сечение для ²³⁹ Pu составляет 747,9 барна для тепловых нейтронов, в то время как сечение активации 270,7 барна (отношение приближается к 11 делений на каждые 4 захватов нейтронов). Высшие изотопы плутония образуются при длительном использовании уранового топлива. Для использованного топлива с высоким выгоранием концентрации изотопов с более высоким выгоранием будут выше, чем у топлива с низким выгоранием, которое перерабатывается для получения плутония оружейного качества.

Образование ²⁴⁰ Pu, ²⁴¹ Pu и ²⁴² Pu из ²³⁸ U

Изотоп	Тепловых нейтронов сечение (барн)		Режим распада	Период полураспада
	Захватывать	Деление
238 U	2,683	0,000	α	4,468 x 10 9 лет
239 U	20,57	14.11	β -	23,45 мин.
239 нп	77,03	-	β -	2.356 дней
239 Pu	270,7	747,9	α	24 110 лет
240 Pu	287,5	0,064	α	6561 год
241 Pu	363,0	1012	β -	14,325 лет
242 Pu	19,16	0,001	α	373 300 лет

Плутоний-239

Основная статья: Плутоний-239

Плутоний-239 - один из трех расщепляющихся материалов, используемых для производства ядерного оружия и в некоторых ядерных реакторах в качестве источника энергии. Другими делящимися материалами являются уран-235 и уран-233. Плутоний-239 практически отсутствует в природе. Его получают путем бомбардировки урана-238 нейтронами в ядерном реакторе. Уран-238 присутствует в большом количестве в реакторном топливе; следовательно, в этих реакторах непрерывно производится плутоний-239. Поскольку плутоний-239 сам может расщепляться нейтронами для высвобождения энергии, плутоний-239 обеспечивает часть выработки энергии в ядерном реакторе.

Кольцо из электролитически очищенного плутония оружейного качества чистотой 99,96%. Этого кольца массой 5,3 кг достаточно плутония для использования в эффективном ядерном оружии. Форма кольца необходима для отклонения от сферической формы и избежания критичности.

Образование ²³⁹ Pu из ²³⁸ U

Элемент	Изотоп	Сечение захвата тепловых нейтронов (сарай)	Деление тепловыми нейтронами Поперечное сечение (амбар)	режим распада	Период полураспада
U	238	2,68	5 10 −6	α	4,47 х 10 9 лет
U	239	22	15	β -	23 мин.
Np	239	30	1	β -	2.36 дней
Пу	239	271	750	α	24 110 лет

Плутоний-238

Основная статья: Плутоний-238

В плутонии обычных реакторов, производящих плутоний, есть небольшие количества ²³⁸ Pu. Однако разделение изотопов было бы довольно дорогим по сравнению с другим методом: когда атом ²³⁵ U захватывает нейтрон, он превращается в возбужденное состояние ²³⁶ U. Некоторые из возбужденных ядер ²³⁶ U подвергаются делению, но некоторые распадаются в основное состояние. из ²³⁶ U, испуская гамма - излучение. Дальнейший захват нейтронов создает ²³⁷ U, который имеет период полураспада 7 дней и, таким образом, быстро распадается до ²³⁷ Np. Поскольку почти весь нептуний производится таким образом или состоит из быстро распадающихся изотопов, химическим разделением нептуния получается почти чистый ²³⁷ Np. После этого химического разделения ²³⁷ Np снова облучают реакторными нейтронами, чтобы превратить его в ²³⁸ Np, который распадается до ²³⁸ Pu с периодом полураспада 2 дня.

Образование ²³⁸ Pu из ²³⁵ U

Элемент	Изотоп	Тепловые нейтроны сечение	режим распада	Период полураспада
U	235	99	α	703 800 000 лет
U	236	5,3	α	23 420 000 лет
U	237	-	β -	6.75 дней
Np	237	165 (захват)	α	2144000 лет
Np	238	-	β -	2,11 дней
Пу	238	-	α	87,7 года

²⁴⁰ Pu как препятствие для ядерного оружия

Плутоний-240 подвергается спонтанному делению в виде вторичной моды распада с небольшой, но значительной скоростью. Присутствие плутония- ²⁴⁰ ограничивает использование плутония в ядерной бомбе, потому что поток нейтронов от спонтанного деления преждевременно инициирует цепную реакцию, вызывая раннее высвобождение энергии, которая физически рассеивает активную зону до полного взрыва. Это предотвращает участие большей части активной зоны в цепной реакции и снижает мощность бомбы.

Плутоний, состоящий более чем на 90% из ²³⁹ Pu, называется плутонием оружейного качества ; плутоний из отработавшего ядерного топлива промышленных реакторов обычно содержит не менее 20% ²⁴⁰ Pu и называется плутонием реакторного качества. Однако в современном ядерном оружии используется форсирование термоядерного синтеза, которое смягчает проблему преддетонации; если яма может произвести мощность ядерного оружия даже в доли килотонны, которых достаточно для начала дейтерий-тритиевого синтеза, в результате всплеск нейтронов расщепит достаточно плутония, чтобы обеспечить мощность в десятки килотонн.

Загрязнение ²⁴⁰ Pu является причиной, по которой плутониевое оружие должно использовать метод имплозии. Теоретически чистый ²³⁹ Pu может быть использован в ядерном оружии пушечного типа, но достичь такого уровня чистоты непомерно сложно. Загрязнение ²⁴⁰ Pu оказалось неоднозначным благом для конструкции ядерного оружия. Хотя это вызвало задержки и головные боли во время Манхэттенского проекта из-за необходимости разработки технологии имплозии, те же самые трудности в настоящее время являются препятствием для распространения ядерного оружия. Имплозивные устройства также по своей природе более эффективны и менее подвержены случайной детонации, чем оружие пушечного типа.

Рекомендации

• Изотопные массы из:
  • Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Blachot, Жан; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), " Оценка ядерных свойств и свойств распада N UBASE ", Nuclear Physics A, 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729.... 3A, doi : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11 0,001 CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
• Изотопные составы и стандартные атомные массы из:
  • де Лаэтер, Джон Роберт ; Бёльке, Джон Карл; Де Бьевр, Поль; Хидака, Хироши; Пайзер, Х. Штеффен; Росман, Кевин-младший; Тейлор, Филип DP (2003). «Атомный вес элементов. Обзор 2000 (Технический отчет IUPAC)». Чистая и прикладная химия. 75 (6): 683–800. DOI : 10.1351 / pac200375060683.
  • Визер, Майкл Э. (2006). «Атомный вес элементов 2005 (Технический отчет IUPAC)». Чистая и прикладная химия. 78 (11): 2051–2066. DOI : 10,1351 / pac200678112051. Выложите резюме.
• Данные о периоде полураспада, спине и изомерах выбраны из следующих источников.
  • Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Blachot, Жан; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), " Оценка ядерных свойств и свойств распада N UBASE ", Nuclear Physics A, 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729.... 3A, doi : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11 0,001 CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  • Национальный центр ядерных данных. «База данных NuDat 2.x». Брукхейвенская национальная лаборатория.
  • Холден, Норман Э. (2004). «11. Таблица изотопов». В Лиде, Дэвид Р. (ред.). CRC Справочник по химии и физике (85-е изд.). Бока-Ратон, Флорида : CRC Press. ISBN   978-0-8493-0485-9.