Изотопы плутония

Изото́пы плутония — разновидности атомов (и ядер) химического элемента плутония, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Плутоний не имеет стабильных изотопов. Следы плутония-244 были обнаружены в природе. Самым долгоживущим изотопом является ²⁴⁴Pu с периодом полураспада 80 млн лет.

Из изотопов плутония на данный момент известно о существовании его 20 нуклидов с массовыми числами 228—247. Только 4 из них нашли своё применение. Свойства изотопов имеют некоторую характерную особенность, по которой можно судить об их дальнейшем изучении — чётные изотопы имеют бо́льшие периоды полураспада, чем нечётные (однако данное предположение относится только к менее важным его нуклидам).

Министерство энергетики США делит смеси плутония на три вида:

1. оружейный плутоний (содержащий не менее 94 % изотопа ²³⁹Pu)
2. топливный плутоний (от 7 до 18 % ²⁴⁰Pu) и
3. реакторный плутоний (содержание ²⁴⁰Pu более 18 %)

Термин «сверхчистый плутоний» используется для описания смеси изотопов плутония, в которых содержатся 2—3 процента ²⁴⁰Pu.

Всего два изотопа этого элемента (²³⁹Pu и ²⁴¹Pu) являются более способными к ядерному делению, нежели остальные; более того, это единственные изотопы, которые подвергаются ядерному делению при действии тепловых нейтронов. Среди продуктов взрыва термоядерных бомб обнаружены также ²⁴⁷Рu и ²⁵⁵Рu, периоды полураспада которых несоизмеримо малы.

Таблица изотопов плутония

Символ нуклида	Z(p)	N(n)	Масса изотопа (а. е. м.)	Период полураспада (T1/2)	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра	Распространённость изотопа в природе
	Энергия возбуждения
228Pu	94	134	228,03874(3)	1,1(+20−5) с	α (99,9%)	224U	0+
					β+ (0,1%)	228Np
229Pu	94	135	229,04015(6)	120(50) с	α	225U	3/2+#
230Pu	94	136	230,039650(16)	1,70(17)мин	α	226U	0+
					β+ (редко)	230Np
231Pu	94	137	231,041101(28)	8,6(5)мин	β+	231Np	3/2+#
					α (редко)	227U
232Pu	94	138	232,041187(19)	33,7(5)мин	ЭЗ (89%)	232Np	0+
					α (11%)	228U
233Pu	94	139	233,04300(5)	20,9(4)мин	β+ (99,88%)	233Np	5/2+#
					α (0,12%)	229U
234Pu	94	140	234,043317(7)	8,8(1) ч	ЭЗ (94%)	234Np	0+
					α (6%)	230U
235Pu	94	141	235,045286(22)	25,3(5)мин	β+ (99,99%)	235Np	(5/2+)
					α (0,0027%)	231U
236Pu	94	142	236,0460580(24)	2,858(8) года	α	232U	0+
					СД (1,37⋅10−7%)	(разные)
					КР (2⋅10−12%)	208Pb 28Mg
					β+β+ (редко)	236U
237Pu	94	143	237,0484097(24)	45,2(1) сут	ЭЗ	237Np	7/2−
					α (0,0042%)	233U
237m1Pu	145,544(10)2 кэВ			180(20) мс	ИП	237Pu	1/2+
237m2Pu	2900(250) кэВ			1,1(1) мкс
238Pu	94	144	238,0495599(20)	87,7(1) лет	α	234U	0+
					СД (1,9⋅10−7%)	(разные)
					КР (1,4⋅10−14%)	206Hg 32Si
					КР (6⋅10−15%)	180Yb 30Mg 28Mg
239Pu	94	145	239,0521634(20)	2,411(3)⋅104 лет	α	235U	1/2+
					СД (3,1⋅10−10%)	(разные)
239m1Pu	391,584(3) кэВ			193(4)нс			7/2−
239m2Pu	3100(200) кэВ			7,5(10) мкс			(5/2+)
240Pu	94	146	240,0538135(20)	6,561(7)⋅103 лет	α	236U	0+
					СД (5,7⋅10−6%)	(разные)
					КР (1,3⋅10−13%)	206Hg 34Si
241Pu	94	147	241,0568515(20)	14,290(6) лет	β− (99,99%)	241Am	5/2+
					α (0,00245%)	237U
					СД (2,4⋅10−14%)	(разные)
241m1Pu	161,6(1) кэВ			0,88(5) мкс			1/2+
241m2Pu	2200(200) кэВ			21(3) мкс
242Pu	94	148	242,0587426(20)	3,75(2)⋅105 лет	α	238U	0+
					СД (5,5⋅10−4%)	(разные)
243Pu	94	149	243,062003(3)	4,956(3) ч	β−	243Am	7/2+
243mPu	383,6(4) кэВ			330(30)нс			(1/2+)
244Pu	94	150	244,064204(5)	8,00(9)⋅107 лет	α (99,88%)	240U	0+
					СД (0,123%)	(разные)
					β−β− (7,3⋅10−9%)	244Cm
245Pu	94	151	245,067747(15)	10,5(1) ч	β−	245Am	(9/2−)
246Pu	94	152	246,070205(16)	10,84(2) сут	β−	246mAm	0+
247Pu	94	153	247,07407(32)#	2,27(23) сут	β−	247Am	1/2+#

Пояснения к таблице

• Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.

• Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада. Символами, выделенными жирным курсивом, обозначены радиоактивные продукты распада, имеющие периоды полураспада, сравнимые с возрастом Земли или превосходящие его и вследствие этого присутствующие в природной смеси.

• Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.

• Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.

Изотопы и синтез

Методы экстракции плутония и урана.

Известны около 20 изотопов плутония, все они радиоактивны. Наиболее долгоживущие изотопы — плутоний-244, с периодом полураспада 80,8 млн лет; плутоний-242 — 372 300 лет; плутоний-239 — 24 110 лет, плутоний-240 — 6560 лет, плутоний-238 — 87 лет, плутоний-241 — 14 лет. Все остальные изотопы имеют период полураспада меньше 3 лет. Этот элемент имеет 8 метастабильных состояний, периоды полураспада этих изомеров не превышают 1 с.

Массовое число известных изотопов элемента варьируется от 228 до 247. Все они испытывают один или несколько типов радиоактивного распада:

• электронный захват (и, при достаточной энергии, позитронный бета-распад) с образованием изотопов нептуния;
• бета-минус-распад с образованием изотопов америция;
• альфа-распад с образованием изотопов урана;
• спонтанное деление с образованием широкого спектра дочерних изотопов элементов из средней части периодической таблицы, многие из которых β⁻-активны.

Основным каналом распада наиболее лёгких изотопов плутония (с 228 по 231) является альфа-распад, хотя канал электронного захвата для них также открыт. Основным каналом распада лёгких изотопов плутония (с 232 по 235 включительно) является электронный захват, с ним конкурирует альфа-распад. Основными каналами радиоактивного распада изотопов с массовыми числами между 236 и 244 (кроме 237, 241 и 243) являются альфа-распад и (с меньшей вероятностью) спонтанное деление. Основным каналом распада изотопов плутония, массовые числа которых превосходят 244 (а также ²⁴³Pu и ²⁴¹Pu), является бета-минус-распад в изотопы америция (95 протонов). Плутоний-241 является членом «вымершего» радиоактивного ряда нептуния.

Бета-стабильными (то есть испытывающими лишь распады с изменением массового числа) являются изотопы с массовыми числами 236, 238, 239, 240, 242, 244.

Синтез плутония

Плутоний в промышленных масштабах получается двумя путями:

1. облучением урана (см. реакцию ниже), содержащегося в ядерных реакторах;
2. облучением в реакторах трансурановых элементов, выделенных из отработанного топлива.

После облучения в обоих случаях выполняется отделение химическими способами плутония от урана, трансурановых элементов и продуктов деления.

Плутоний-238

Основная статья: Плутоний-238

Плутоний-238, использующийся в радиоизотопных генераторах энергии, лабораторно может синтезироваться в обменной (d, 2n)-реакции на уране-238:

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{1}^{2}D\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ +\ 2\ _{0}^{1}n~;\quad _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2.117\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu}$

В данном процессе дейтрон попадает в ядро урана-238, в результате чего образуется нептуний-238 и два нейтрона. Далее нептуний-238 испытывает бета-минус-распад в плутоний-238. Именно в этой реакции был впервые получен плутоний (1941, Сиборг). Однако она неэкономична. В промышленности плутоний-238 получают двумя путями:

• выделением из облучённого ядерного топлива (в смеси с другими изотопами плутония, разделение которых очень дорого), поэтому чистый плутоний-238 таким методом не нарабатывается
• с помощью нейтронного облучения в реакторах нептуния-237.

Цена одного килограмма плутония-238 составляет примерно 1 млн долларов США.

Плутоний-239

Основная статья: Плутоний-239

Плутоний-239, делящийся изотоп, используемый в ядерном оружии и в ядерной энергетике, промышленно синтезируется в ядерных реакторах (в том числе в энергетических как побочный продукт) с помощью следующей реакции при участии ядер урана и нейтронов с помощью бета-минус-распада и с участием изотопов нептуния как промежуточного продукта распада:

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ {\xrightarrow {\gamma }}\ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23.5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu}$

Нейтроны, излучаемые при делении урана-235, захватываются ураном-238 с образованием урана-239; затем через цепочку двух β⁻-распадов образуются нептуний-239 и далее плутоний-239. Сотрудники засекреченной британской группы Tube Alloys, которые занимались изучением плутония во время Второй мировой войны, предсказали существование данной реакции в 1940 г.

Тяжёлые изотопы плутония

Ядерные циклы, позволяющие получать более тяжёлые изотопы плутония.

Более тяжёлые изотопы нарабатываются в реакторах из ²³⁹Pu по цепочке последовательных нейтронных захватов, каждый из которых увеличивает массовое число нуклида на единицу.

Свойства некоторых изотопов

Изотопы плутония претерпевают радиоактивный распад, вследствие которого выделяется тепловая энергия. Разные изотопы излучают разное количество тепла. Тепловыделение обычно записывается в пересчёте на Вт/кг или мВт/кг. В случаях, когда плутоний присутствует в больших количествах и нет теплоотвода, тепловая энергия может расплавить содержащий плутоний материал.

Все изотопы плутония способны к ядерному делению (при воздействии нейтрона) и излучают γ-частицы.

Выделение тепла изотопами плутония
Изотоп	Тип распада	Период полураспада (в годах)	Тепловыделение (Вт/кг)	Спонтанное деление нейтроны (1/(г·с))	Комментарий
238Pu	альфа в 234U	87,74	560	2600	Очень высокая температура распада. Даже в небольших количествах может привести к саморазогреву. Используется в РТГ.
239Pu	альфа в 235U	24100	1,9	0,022	Основной ядерный продукт.
240Pu	альфа в 236U, спонтанное деление	6560	6,8	910	Является основной примесью в плутонии-239. Высокий показатель спонтанного деления не позволяет использовать в ядерной промышленности.
241Pu	бета в 241Am	14,4	4,2	0,049	Распадается до америция-241; его накопление представляет угрозу для полученных образцов.
242Pu	альфа в 238U	376000	0,1	1700	—

Критические массы некоторых изотопов актиноидов
Нуклид	Критическая масса, кг	Диаметр, см	Источник
Уран-233	15	11
Уран-235	52	17
Нептуний-236	7	8,7
Нептуний-237	60	18
Плутоний-238	9,04—10,07	9,5—9,9
Плутоний-239	10	9,9
Плутоний-240	40	15
Плутоний-241	12	10,5
Плутоний-242	75—100	19—21

Плутоний-236 был найден в плутониевой фракции, полученной из природного урана, при измерении радиоизлучения которой наблюдался пробег α-частиц, равный 4,35 см (что соответствует 5,75 МэВ). Было установлено, что данная группа относилась к изотопу ²³⁶Pu, образующемуся благодаря реакции ²³⁵U(α,3n)²³⁶Pu. Позднее было обнаружено, что возможны такие реакции, как: ²³⁷Np(a, p4n)²³⁶Pu; ²³⁷Np(α,5n)²³⁶Am → (ЭЗ) ²³⁶Pu. В настоящее время его получают благодаря взаимодействию дейтрона с ядром урана-235. Изотоп образуется благодаря α-излучателю 240
96Cm (T_½ 27 сут) и β-излучателя 236
93Np (T_½ 22 ч). Плутоний-236 является альфа-излучателем, способным к спонтанному делению. Скорость самопроизвольного деления составляет 5,8⋅10⁷ делений на 1 г/ч, что соответствует периоду полураспада для этого процесса — 3,5⋅10⁹ лет.

Плутоний-238 имеет интенсивность самопроизвольного деления 1,1⋅10⁶ делений/(с·кг), что в 2,6 раза больше ²⁴⁰Pu, и очень высокую тепловую мощность: 567 Вт/кг. Изотоп обладает очень сильным альфа-излучением (при воздействии на него нейтронов), которое в 283 раза сильнее ²³⁹Pu, что делает его более серьёзным источником нейтронов при реакции α → n. Содержание плутония-238 редко когда превышает 1 % от общего состава плутония, однако излучение нейтронов и нагрев делают его очень неудобным для обращения. Его удельная радиоактивность составляет 17,1 Ки/г.

Плутоний-239 имеет большие сечения рассеивания и поглощения, чем уран, и большее число нейтронов в расчёте на одно деление, и меньшую критическую массу, которая составляет 10 кг в альфа-фазе. При ядерном распаде плутония-239 посредством воздействия на него нейтронами этот нуклид распадается на два осколка (примерно равные между собой более лёгкие атомы), выделяя примерно 200 МэВ энергии. Это приблизительно в 50 млн раз больше выделяемой при горении энергии (C+O₂ → CO₂↑). «Сгорая» в ядерном реакторе, изотоп выделяет 2⋅10⁷ ккал. Чистый ²³⁹Pu имеет среднюю величину испускания нейтронов от спонтанного деления примерно 30 нейтронов/с·кг (примерно 10 делений в секунду на килограмм). Тепловая мощность составляет 1,92 Вт/кг (для сравнения: теплота обмена веществ у взрослого человека составляет меньшую тепловую мощность), что делает его тёплым на ощупь. Удельная активность равна 61,5 мКи/г.

Плутоний-240 является основным изотопом, загрязняющим оружейный ²³⁹Pu. Уровень его содержания главным образом важен из-за интенсивности спонтанного деления, которая составляет 415 000 делений/с·кг, но испускается примерно 1⋅10⁶ нейтронов/(с·кг), так как каждое деление рождает приблизительно 2,2 нейтрона, что примерно в 30 000 раз больше, чем у ²³⁹Pu. Тепловой выход больше, чем у плутония-239 и составляет 7,1 Вт/кг, что обостряет проблему перегрева. Удельная активность равна 227 мКи/г.

Плутоний-241 имеет низкий нейтронный фон и умеренную тепловую мощность и потому непосредственно не влияет на удобство применения плутония (Тепловая мощность равна 3,4 Вт/кг). Однако он с периодом полураспада 14 лет превращается в америций-241, который плохо делится и обладает большой тепловой мощностью, ухудшая качество оружейного плутония. Таким образом, плутоний-241 влияет на старение оружейного плутония. Удельная активность — 106 Ки/г.

Интенсивность испускания нейтронов плутония-242 составляет 840 000 делений/(с·кг) (вдвое выше ²⁴⁰Pu), плохо подвержен ядерному делению. При заметной концентрации серьёзно увеличивает требуемую критическую массу и нейтронный фон. Имея большую продолжительность жизни и маленькое сечение захвата, нуклид накапливается в переработанном реакторном топливе. Удельная активность составляет 4 мКи/г.