Изотопы плутония - Isotopes of plutonium

Основные изотопы плутоний  (94Пу)
ИзотопРаспад
изобилиепериод полураспада (т1/2)Режимпродукт
238Пуслед87,74 годаSF–
α234U
239Пуслед2.41×104 уSF–
α235U
240Пуслед6500 лSF–
α236U
241Пусин14 летβ−241Am
SF–
242Пусин3.73×105 уSF–
α238U
244Пуслед8.08×107 уα240U
SF–

Плутоний (94Pu) является искусственный элемент, за исключением следовых количеств в результате захват нейтронов ураном, и, следовательно, стандартный атомный вес нельзя дать. Как и все искусственные элементы, в нем нет стабильные изотопы. Он был синтезирован задолго до того, как был обнаружен в природе, первые изотоп синтезированное существо 238Pu в 1940 году. Двадцать плутоний. радиоизотопы были охарактеризованы. Самыми стабильными являются плутоний-244 с период полураспада 80,8 миллиона лет, плутоний-242 с периодом полураспада 373300 лет, и плутоний-239 с периодом полураспада 24 110 лет. Все остальные радиоактивный изотопы имеют период полураспада менее 7000 лет. Этот элемент также имеет восемь мета состояния; все они имеют период полураспада менее одной секунды.

В изотопы плутония диапазон в атомный вес из 228.0387ты (228Pu) до 247.074 u (247Пу). Главная режимы распада перед самым стабильным изотопом, 244Пу, являются спонтанное деление и альфа-излучение; основной режим после бета-излучение. Главная продукты распада перед 244Пу являются изотопы урана и нептуний (не считая продукты деления ), а первичные продукты распада после изотопы америция.

Список изотопов

Нуклид
[n 1]		ZNИзотопная масса (Да )
[n 2][n 3]		Период полураспада
Распад
Режим
[n 4]		Дочь
изотоп
[n 5][n 6]		Вращение и
паритет
[n 7][n 8]		Изотопический
изобилие
Энергия возбуждения
228Пу94134228.03874(3)1,1 (+ 20−5) сα (99,9%)224U0+
β+ (.1%)228Np
229Пу94135229.04015(6)120 (50) сα225U3/2+#
230Пу94136230.039650(16)1,70 (17) минα226U0+
β+ (редко)230Np
231Пу94137231.041101(28)8,6 (5) минβ+231Np3/2+#
α (редко)227U
232Пу94138232.041187(19)33,7 (5) минEC (89%)232Np0+
α (11%)228U
233Пу94139233.04300(5)20,9 (4) минβ+ (99.88%)233Np5/2+#
α (0,12%)229U
234Пу94140234.043317(7)8,8 (1) чЭК (94%)234Np0+
α (6%)230U
235Пу94141235.045286(22)25,3 (5) минβ+ (99.99%)235Np(5/2+)
α (0,0027%)231U
236Пу94142236.0460580(24)2.858 (8) летα232U0+
SF (1.37×10−7%)(различный)
компакт диск (2×10−12%)208Pb
28Mg
β+β+ (редко)236U
237Пу94143237.0484097(24)45,2 (1) сутEC237Np7/2−
α (0,0042%)233U
237м1Пу145,544 (10) 2 кэВ180 (20) мсЭТО237Пу1/2+
237м2Пу2900 (250) кэВ1.1 (1) мкс
238Пу94144238.0495599(20)87,7 (1) летα234U0+След[n 9]
SF (1,9 × 10−7%)(различный)
CD (1,4 × 10−14%)206Hg
32Si
CD (6 × 10−15%)180Yb
30Mg
28Mg
239Пу[n 10][n 11]94145239.0521634(20)2.411(3)×104 уα235U1/2+След[n 12]
SF (3,1 × 10−10%)(различный)
239м1Пу391,584 (3) кэВ193 (4) нс7/2−
239м2Пу3100 (200) кэВ7,5 (10) мкс(5/2+)
240Пу94146240.0538135(20)6.561(7)×103 уα236U0+След[n 13]
SF (5,7 × 10−6%)(различный)
CD (1,3 × 10−13%)206Hg
34Si
241Пу[n 10]94147241.0568515(20)14.290 (6) летβ− (99.99%)241Am5/2+
α (0,00245%)237U
SF (2,4 × 10−14%)(различный)
241м1Пу161,6 (1) кэВ0,88 (5) мкс1/2+
241м2Пу2200 (200) кэВ21 (3) мкс
242Пу94148242.0587426(20)3.75(2)×105 уα238U0+
SF (5,5 × 10−4%)(различный)
243Пу[n 10]94149243.062003(3)4.956 (3) чβ−243Am7/2+
243 кв.м.Пу383,6 (4) кэВ330 (30) нс(1/2+)
244Пу94150244.064204(5)8.00(9)×107 уα (99,88%)240U0+След[n 14]
SF (0,123%)(различный)
β−β− (7.3×10−9%)244См
245Пу94151245.067747(15)10,5 (1) чβ−245Am(9/2−)
246Пу94152246.070205(16)10,84 (2) дβ−246 кв.м.Am0+
247Пу94153247.07407(32)#2,27 (23) дβ−247Am1/2+#
  1. ^ мПу - Возбужденный ядерный изомер.
  2. ^ () - Неопределенность (1σ) дается в сжатой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  3. ^ # - Атомная масса, отмеченная #: значение и погрешность, полученные не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из трендов массовой поверхности (ТМС ).
  4. ^ Режимы распада:
    КОМПАКТ ДИСК:Распад кластера
    EC:Электронный захват
    ЭТО:Изомерный переход
    SF:Самопроизвольное деление
  5. ^ Жирный курсив как дочь - Дочерний продукт почти стабилен.
  6. ^ Жирный символ как дочка - Дочерний продукт стабильный.
  7. ^ () значение вращения - указывает вращение со слабыми аргументами присваивания.
  8. ^ # - Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из трендов соседних нуклидов (TNN ).
  9. ^ Двойной бета-распад продукт 238U
  10. ^ а б c делящийся нуклид
  11. ^ Самый полезный изотоп для ядерного оружия
  12. ^ Захват нейтронов продукт 238U
  13. ^ Промежуточный продукт распада 244Пу
  14. ^ Межзвездные, некоторые также могут быть изначальный но такие претензии оспариваются

Актиниды против продуктов деления

Актиниды и продукты деления по периоду полураспада
Актиниды[1] от цепочка распадаПериод полураспада
ассортимент (а )		Продукты деления из 235U пользователем Уступать[2]
4п4п+14п+24п+3
4.5–7%0.04–1.25%<0.001%
228Ра№4–6 а†155ЕСþ
244Смƒ241Пуƒ250Cf227Ac№10–29 а90Sr85Kr113 кв.м.Компакт дискþ
232Uƒ238Пуƒ243Смƒ29–97 а137CS151Смþ121 кв.м.Sn
248Bk[3]249Cfƒ242 кв.м.Amƒ141–351 а

Нет продуктов деления
иметь период полураспада
в диапазоне
100–210 тыс. Лет ...

241Amƒ251Cfƒ[4]430–900 а
226Ра№247Bk1,3–1,6 тыс. Лет
240Пу229Чт246Смƒ243Amƒ4,7–7,4 тыс. Лет
245Смƒ250См8,3–8,5 тыс. Лет
239Пуƒ24,1 тыс. Лет назад
230Чт№231Па№32–76 тыс. Лет назад
236Npƒ233Uƒ234U№150–250 тыс. Лет назад‡99Tc₡126Sn
248См242Пу327–375 тыс. Лет назад79Se₡
1,53 млн лет93Zr
237Npƒ2,1–6,5 млн лет135CS₡107Pd
236U247Смƒ15–24 млн лет129я₡
244Пу80 млн лет

... не более 15,7 млн ​​лет[5]

232Чт№238U№235Uƒ№0,7–14,1 млрд лет

Легенда для надстрочных символов
₡ имеет тепловую захват нейтронов сечение в пределах 8–50 амбаров
ƒ делящийся
м метастабильный изомер
№ в первую очередь радиоактивный материал природного происхождения (НОРМА)
þ нейтронный яд (сечение захвата тепловых нейтронов больше 3 тыс. барн)
† диапазон 4–97 а: Средноживущий продукт деления
‡ более 200 тыс. Лет: Долгоживущий продукт деления

Известные изотопы

Производство и использование

Гранула плутоний-238, светящийся от собственного тепла, используемый для радиоизотопные термоэлектрические генераторы.
Трансмутация поток между 238Pu и 244См в LWR.[7]
Скорость трансмутации не показана и сильно зависит от нуклида.
245См-248См являются долгоживущими с незначительным распадом.

239Pu, делящийся изотоп, который является вторым наиболее часто используемым ядерное топливо в ядерных реакторах после уран-235, и наиболее используемое топливо в деление часть ядерное оружие, производится из уран-238 захватом нейтронов с последующими двумя бета-распадами.

240Пу, 241Pu и 242Pu производятся путем дальнейшего захвата нейтронов. Изотопы с нечетной массой 239Pu и 241Пу имеет примерно 3/4 шанса пройти деление по захвату тепловой нейтрон и примерно 1/4 шанса сохранить нейтрон и становится следующим более тяжелым изотопом. Изотопы с четной массой плодородный материал но не делящийся, а также имеют более низкую общую вероятность (поперечное сечение ) захвата нейтронов; поэтому они имеют тенденцию накапливаться в ядерном топливе, используемом в тепловых реакторах, конструкция почти всех атомные электростанции сегодня. В плутонии, который был вторично использован в тепловых реакторах в МОКС-топливо, 240Pu может быть даже самым распространенным изотопом. Все изотопы плутония и другие актиниды однако расщепляющийся с участием быстрые нейтроны. 240Pu действительно имеет умеренное сечение поглощения тепловых нейтронов, так что 241Производство Pu в тепловом реакторе становится значительной долей, равной 239Производство Пу.

241Pu имеет период полураспада 14 лет и имеет несколько более высокое сечение тепловых нейтронов, чем 239Pu как для деления, так и для поглощения. Пока ядерное топливо используется в реакторе, 241Ядро Pu с гораздо большей вероятностью будет делиться или захватывать нейтрон, чем распадаться. 241Pu составляет значительную долю делений в топливе тепловых реакторов, которое использовалось в течение некоторого времени. Однако в отработанное ядерное топливо который не подвергается быстрой ядерной переработке, а вместо этого охлаждается в течение многих лет после использования, большая часть или большая часть 241Pu будет бета-распадом до америций-241, один из второстепенные актиниды, сильный альфа-излучатель и его трудно использовать в тепловых реакторах.

242Pu имеет особенно низкое сечение захвата тепловых нейтронов; и требуется три поглощения нейтрона, чтобы стать другим делящимся изотопом (либо кюрий -245 или 241Pu) и делением. Даже тогда есть шанс, 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 эмиттером нейтронов за счет спонтанного деления и сложен в обращении) или становится 242Снова Пу; поэтому среднее количество нейтронов, поглощенных до деления, даже больше 3. Следовательно, 242Pu особенно непригоден для рециркуляции в термическом реакторе, и его лучше использовать в быстрый реактор где он может быть расщеплен напрямую. Однако, 242Низкое поперечное сечение Pu означает, что относительно небольшая его часть будет преобразована в течение одного цикла в тепловом реакторе. 242Период полураспада Pu примерно в 15 раз больше, чем 239Период полураспада Пу; следовательно, он составляет 1/15 радиоактивности и не входит в число основных вкладчиков в ядерные отходы радиоактивность.242Гной гамма-луч выбросы также слабее, чем у других изотопов.[8]

243Период полураспада Pu составляет всего 5 часов, бета-распад до америций-243. Потому что 243У Pu мало возможностей захватить дополнительный нейтрон перед распадом, ядерный топливный цикл не производит долгоживущих 244Пу в значительном количестве.

238В ядерном топливном цикле Pu обычно не производится в таких больших количествах, но некоторые производятся из нептуний-237 путем захвата нейтронов (эту реакцию также можно использовать с очищенным нептунием для получения 238Pu относительно не содержит других изотопов плутония для использования в радиоизотопные термоэлектрические генераторы ), реакцией (n, 2n) быстрых нейтронов на 239Pu, или альфа-распадом кюрий -242, который образуется при захвате нейтронов из 241Am. Он имеет значительное сечение теплового нейтрона для деления, но с большей вероятностью захватит нейтрон и станет 239Пу.

Производство

Плутоний-240, -241 и -242

Деление поперечное сечение для 239Pu - 747,9 сараи для тепловых нейтронов, в то время как сечение активации составляет 270,7 барн (отношение приближается к 11 делениям на каждые 4 захвата нейтронов). Высшие изотопы плутония образуются, когда урановое топливо используется в течение длительного времени. Для использованного топлива с высоким выгоранием концентрации изотопов с более высоким выгоранием будут выше, чем у топлива с низким выгоранием, которое перерабатывается для получения класс оружия плутоний.

Формирование 240Пу, 241Pu и 242Пу из 238U
ИзотопТепловые нейтроны
поперечное сечение[9]
(сараи)		Распад
Режим		Период полураспада
ЗахватитьДеление
238U2.6830.000α4,468 х 109 лет
239U20.5714.11β−23,45 мин.
239Np77.03–β−2.356 дней
239Пу270.7747.9α24 110 лет
240Пу287.50.064α6561 год
241Пу363.01012β−14.325 лет
242Пу19.160.001α373 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. Другие делящиеся материалы уран-235 и уран-233. Плутоний-239 практически отсутствует в природе. Это сделано бомбардировкой уран-238 с нейтронами в ядерном реакторе. Уран-238 присутствует в большом количестве в топливе реакторов; следовательно, в этих реакторах непрерывно производится плутоний-239. Поскольку плутоний-239 сам может расщепляться нейтронами для высвобождения энергии, плутоний-239 обеспечивает часть производства 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 предотвращения критичность.
Формирование 239Пу из 238U[10]
ЭлементИзотопЗахват тепловых нейтронов
поперечное сечение (сарай)		Деление тепловыми нейтронами
Поперечное сечение (сарай)		режим распадаПериод полураспада
U2382.685·10−6α4,47 х 109 лет
U2392215β−23 минуты
Np239301β−2.36 дней
Пу239271750α24 110 лет

Плутоний-238

Основная статья: Плутоний-238

Есть небольшое количество 238Pu в плутонии обычных реакторов, производящих плутоний. Однако разделение изотопов было бы довольно дорогим по сравнению с другим методом: когда 235Атом U захватывает нейтрон, он переходит в возбужденное состояние 236У. Некоторые из возбужденных 236Ядра U подвергаются делению, но некоторые распадаются до основного состояния 236U за счет гамма-излучения. Дальнейший захват нейтронов создает 237U, который имеет период полураспада 7 дней и поэтому быстро распадается до 237Np. Так как почти весь нептуний производится таким образом или состоит из быстро распадающихся изотопов, получается почти чистый 237Np путем химического разделения нептуния. После этого химического разделения 237Np снова облучается реакторными нейтронами для преобразования в 238Np, распадающийся на 238Пу с периодом полураспада 2 дня.

Формирование 238Пу из 235U
ЭлементИзотопТепловые нейтроны
поперечное сечение		режим распадаПериод полураспада
U23599α703 800 000 лет
U2365.3α23 420 000 лет
U237—β−6.75 дней
Np237165 (захват)α2144000 лет
Np238—β−2,11 дней
Пу238—α87,7 года

240Пу как препятствие для ядерного оружия

Плутоний-240 подвергается спонтанному делению в виде вторичной моды распада с небольшой, но значительной скоростью. Наличие 240Pu ограничивает использование плутония в ядерная бомба, поскольку поток нейтронов от спонтанного деления инициирует цепная реакция преждевременно, вызывая преждевременное высвобождение энергии, которая физически разгоняет ядро ​​до полного взрыв достигнуто. Это предотвращает участие большей части активной зоны в цепной реакции и снижает мощность бомбы.

Плутоний, состоящий более чем на 90% 239Пу называется оружейный плутоний; плутоний из отработанное ядерное топливо от промышленных энергетических реакторов обычно содержит не менее 20% 240Пу и называется реакторный плутоний. Однако использование современного ядерного оружия усиление термоядерного синтеза, что смягчает проблему преддонации; если яма может создать мощность ядерного оружия даже доли килотонна, чего достаточно, чтобы начать дейтерий-тритиевый синтез, образовавшаяся вспышка нейтронов расщепит достаточно плутония, чтобы обеспечить выход в десятки килотонн.

240Загрязнение Pu является причиной того, что плутониевое оружие должно использовать метод имплозии. Теоретически чистый 239Pu может использоваться в ядерное оружие пушечного типа, но достичь такого уровня чистоты непомерно сложно. 240Загрязнение Pu оказалось неоднозначным благом для конструкция ядерного оружия. Хотя это создавало задержки и головные боли во время Манхэттенский проект из-за необходимости разработки технологии имплозии те же трудности в настоящее время являются препятствием для распространение ядерного оружия. Имплозивные устройства также по своей природе более эффективны и менее подвержены случайной детонации, чем оружие пушечного типа.

использованная литература

  1. ^ Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле он является субактинидом, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным разрывом нестабильности после полоний (84) где ни один нуклид не имеет периода полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке радон-222 с периодом полураспада менее четырех дней). Таким образом, самый долгоживущий изотоп радия - 1600 лет - заслуживает включения в этот список.
  2. ^ Конкретно из тепловой нейтрон деление U-235, например в типичном ядерного реактора.
  3. ^ Milsted, J .; Фридман, А. М .; Стивенс, К. М. (1965). «Альфа-период полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248». Ядерная физика. 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. Дои:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    «Изотопные анализы выявили вид с массой 248 в постоянной численности в трех образцах, проанализированных в течение примерно 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk248 с периодом полураспада более 9 [лет]. Нет роста Cf248 был обнаружен, и нижний предел для β− период полураспада можно установить примерно на 104 [лет]. Альфа-активность, связанная с новым изомером, не обнаружена; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет] ».
  4. ^ Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до "Море нестабильности ".
  5. ^ Исключая "классически стабильный «нуклиды с периодом полураспада, значительно превышающим 232Чт; например, в то время как 113 кв.м.Cd имеет период полураспада всего четырнадцать лет, 113CD почти восемь квадриллион лет.
  6. ^ Махиджани, Арджун; Сет, Анита (июль 1997 г.). «Использование оружейного плутония в качестве реакторного топлива» (PDF). Энергия и безопасность. Такома Парк, доктор медицины: Институт энергетических и экологических исследований. Получено 4 июля 2016.
  7. ^ Сасахара, Акихиро; Мацумура, Тецуо; Николау, Гиоргос; Папайоанну, Дмитрий (апрель 2004 г.). «Оценка источников нейтронов и гамма-излучения для отработавшего топлива с высоким уровнем выгорания UO2 и MOX-топлива LWR». Журнал ядерной науки и технологий. 41 (4): 448–456. Дои:10.3327 / jnst.41.448. Архивировано из оригинал 19 ноября 2010 г.
  8. ^ «Результаты изотопного состава плутония в известных образцах с использованием кода анализа мгновенной гамма-спектроскопии и процедуры подбора спектра Робвина» (PDF).
  9. ^ Национальный центр ядерных данных Интерактивная карта нуклидов
  10. ^ Шахтер 1968, п. 541