Izotopi ai plutoniului

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 28 august 2018; verificările necesită 10 modificări .

Izotopii plutoniului  sunt soiuri de atomi (și nuclee ) ai elementului chimic plutoniu , care au un conținut diferit de neutroni în nucleu. Plutoniul nu are izotopi stabili. Urme de plutoniu-244 au fost găsite în natură. Cel mai lung izotop este 244 Pu, cu un timp de înjumătățire de 80 de milioane de ani.

Dintre izotopii plutoniului, în prezent se știe despre existența celor 20 de nuclizi ai săi cu numere de masă 228-247 [1] . Doar 4 dintre ei și-au găsit aplicația [2] . Proprietățile izotopilor au o trăsătură caracteristică care poate fi folosită pentru a judeca studiul lor ulterioar - chiar și izotopii au timpi de înjumătățire mai lung decât cei impari (cu toate acestea, această ipoteză se aplică numai nuclizilor săi mai puțin importanți).

Departamentul de Energie al SUA împarte amestecurile de plutoniu în trei tipuri [3] :

  1. plutoniu pentru arme (conținutul de 240 Pu în 239 Pu este mai mic de 7%)
  2. plutoniu combustibil (de la 7 la 18% 240 Pu) și
  3. plutoniu din reactor ( conținut de 240 Pu peste 18%)

Termenul „plutoniu ultrapur” este folosit pentru a descrie un amestec de izotopi de plutoniu care conține 2-3 procente 240 Pu [3] .

Doar doi izotopi ai acestui element ( 239 Pu și 241 Pu) sunt mai capabili de fisiune nucleară decât restul; mai mult, aceștia sunt singurii izotopi care suferă fisiunea nucleară sub acțiunea neutronilor termici [3] . Printre produsele exploziei bombelor termonucleare, s-au găsit și 247 Pu și 255 Pu [4] , al căror timp de înjumătățire este disproporționat de scurt.

Tabelul izotopilor de plutoniu

Simbolul
nuclidului 		Z ( p ) N( n ) Masa izotopică [5]
( a.u.m. ) 		Timp
de înjumătățire [6]
(T 1/2 ) 		Canal de dezintegrare Produs de degradare Spinul și paritatea
nucleului [6]
 Prevalența
izotopului în natură
Energia de excitare
228 Pu 94 134 228,03874(3) 1,1(+20−5) s α (99,9%) 224 U 0+
β + (0,1%) 228Np _
229 Pu 94 135 229.04015(6) 120(50) s α 225 U 3/2+#
230 Pu 94 136 230,039650(16) 1,70(17)min α 226 U 0+
β + (rar) 230Np _
231 Pu 94 137 231.041101(28) 8,6(5)min β + 231Np _ 3/2+#
α (rar) 227 U
232 Pu 94 138 232.041187(19) 33,7(5)min EZ (89%) 232Np _ 0+
α (11%) 228 U
233 Pu 94 139 233,04300(5) 20,9(4)min β + (99,88%) 233Np _ 5/2+#
α (0,12%) 229 U
234 Pu 94 140 234,043317(7) 8.8(1) h EZ (94%) 234Np _ 0+
α (6%) 230 U
235 Pu 94 141 235,045286(22) 25,3(5)min β + (99,99%) 235Np _ (5/2+)
α (0,0027%) 231 U
236 Pu 94 142 236.0460580(24) 2.858(8) ani α 232 U 0+
SD (1,37⋅10 -7 %) (variat)
CR (2⋅10 −12 %) 208 Pb
28 Mg
β + β + (rar) 236 U
237 Pu 94 143 237,0484097(24) 45.2(1) zile EZ 237Np _ 7/2−
α (0,0042%) 233 U
237m1 Pu 145,544(10)2 keV 180(20) ms IP 237 Pu 1/2+
237m2 Pu 2900(250) keV 1.1(1) µs
238 Pu 94 144 238.0495599(20) 87,7(1) ani α 234 U 0+
SD (1,9⋅10 -7 %) (variat)
CR (1,4⋅10 -14 %) 206 Hg
32 Si
CR (6⋅10 −15 %) 180 Yb
30 Mg
28 Mg
239 Pu 94 145 239,0521634(20) 2.411(3)⋅10 4 ani α 235 U 1/2+
SD (3,1⋅10−10 % ) (variat)
239m1 Pu 391,584(3) keV 193(4)ns 7/2−
239m2 Pu 3100(200) keV 7,5(10) µs (5/2+)
240 Pu 94 146 240,0538135(20) 6.561(7)⋅10 3 ani α 236 U 0+
SD (5,7⋅10 -6 %) (variat)
CR (1,3⋅10 -13 %) 206 Hg
34 Si
241 Pu 94 147 241.0568515(20) 14.290(6) ani β − (99,99%) 241 am 5/2+
α (0,00245%) 237 U
SD (2,4⋅10−14 % ) (variat)
241m1 Pu 161,6(1) keV 0,88(5) µs 1/2+
241 m2 Pu 2200(200) keV 21(3) ms
242 Pu 94 148 242.0587426(20) 3.75(2)⋅10 5 ani α 238 U 0+
SD (5,5⋅10 -4 %) (variat)
243 Pu 94 149 243.062003(3) 4.956(3) h β − 243 am 7/2+
243m Pu 383,6(4) keV 330(30)ns (1/2+)
244 Pu 94 150 244.064204(5) 8.00(9)⋅10 7 ani α (99,88%) 240U _ 0+
SD (0,123%) (variat)
β − β − ​​​​(7,3⋅10 −9 %) 244 cm _
245 Pu 94 151 245,067747(15) 10.5(1) h β − 245 am (9/2−)
246 Pu 94 152 246.070205(16) 10,84(2) zile β − 246m Am 0+
247 Pu 94 153 247.07407(32)# 2,27(23) zile β − 247 am 1/2+#

Explicații la tabel


Izotopi și fuziune

Sunt cunoscuți aproximativ 20 de izotopi ai plutoniului, toți sunt radioactivi. Cei mai longeviv izotopi sunt plutoniul-244 , cu un timp de înjumătățire de 80,8 milioane de ani; plutoniu-242 - 372.300 ani; plutoniu-239  - 24.110 ani, plutoniu-240 - 6560 ani, plutoniu-238 - 87 ani, plutoniu-241 - 14 ani. Toți ceilalți izotopi au timpi de înjumătățire mai mic de 3 ani. Acest element are 8 stări metastabile , timpii de înjumătățire ale acestor izomeri nu depășesc 1 s [7] .

Numărul de masă al izotopilor cunoscuți ai elementului variază de la 228 la 247. Toți experimentează unul sau mai multe tipuri de dezintegrare radioactivă:

Principalul canal de descompunere pentru cei mai ușori izotopi ai plutoniului (de la 228 la 231) este dezintegrarea alfa, deși canalul de captare a electronilor este deschis și pentru aceștia. Principalul canal de descompunere pentru izotopii ușori ai plutoniului (de la 232 la 235 inclusiv) este captarea electronilor; descompunerea alfa concurează cu aceasta. Principalele canale pentru dezintegrarea radioactivă a izotopilor cu numere de masă cuprinse între 236 și 244 (cu excepția 237 [8] , 241 [8] și 243) sunt dezintegrarea alfa și (mai puțin probabil) fisiunea spontană . Principalul canal de descompunere pentru izotopii de plutoniu cu numere de masă mai mari de 244 (precum și 243 Pu și 241 Pu) este descompunerea beta-minus în izotopi de americiu (95 de protoni). Plutoniul-241 este un membru al seriei de neptuniu radioactiv „disparut” [9] [10] [7] .

Beta-stabili (adică experimentează numai dezintegrari cu o schimbare a numărului de masă) sunt izotopii cu numerele de masă 236, 238, 239, 240, 242, 244.

Sinteza plutoniului

Plutoniul la scară industrială se obține în două moduri [3] :

  1. iradierea uraniului (vezi reacția mai jos) conținut în reactoare nucleare;
  2. iradierea în reactoare a elementelor transuraniu izolate din combustibilul uzat.

După iradiere, în ambele cazuri, plutoniul este separat prin mijloace chimice de uraniu, elemente transuraniu și produse de fisiune.

Plutoniu-238

Plutoniul-238, care este utilizat în generatoarele de energie cu radioizotopi , poate fi sintetizat în laborator într-o reacție de schimb (d, 2n) pe uraniu-238:

În acest proces , deuteronul intră în nucleul uraniului-238, rezultând formarea neptuniului-238 și a doi neutroni. Apoi, neptuniul-238 suferă dezintegrare beta-minus în plutoniu-238. În această reacție a fost obținut pentru prima dată plutoniul (1941, Seaborg). Cu toate acestea, nu este economic. În industrie, plutoniul-238 se obține în două moduri:

Prețul unui kilogram de plutoniu-238 este de aproximativ 1 milion de dolari SUA [11] .

Plutoniu-239

Plutoniul-239, un izotop fisionabil utilizat în armele nucleare și energia nucleară, este sintetizat industrial [12] în reactoare nucleare (inclusiv centralele electrice ca produs secundar) folosind următoarea reacție cu participarea nucleelor ​​de uraniu și neutroni folosind beta-minus degradare și cu participarea izotopilor de neptuniu ca produs intermediar de descompunere [13] :

Neutronii emiși din fisiunea uraniului-235 sunt capturați de uraniu-238 pentru a forma uraniu-239 ; apoi, printr-un lanț de două descompunere β − - se formează neptuniul-239 și apoi plutoniul-239 [14] . Angajații grupului britanic secret Tube Alloys , care a studiat plutoniul în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, au prezis existența acestei reacții în 1940.

Izotopi grei ai plutoniului

Izotopi mai grei sunt produși în reactoare din 239 Pu printr-un lanț de capturi succesive de neutroni, fiecare dintre acestea mărește numărul de masă al nuclidului cu unul.

Proprietățile unor izotopi

Izotopii plutoniului suferă dezintegrare radioactivă , care eliberează energie termică . Diferiți izotopi emit cantități diferite de căldură. Puterea de căldură este de obicei scrisă în termeni W/kg sau mW/kg. În cazurile în care plutoniul este prezent în cantități mari și nu există un radiator, energia termică poate topi materialul care conține plutoniu.

Toți izotopii de plutoniu sunt capabili de fisiune nucleară (atunci când sunt expuși la un neutron ) [15] și emit particule γ .

Eliberarea de căldură de către izotopii de plutoniu [16]
Izotop Tip de dezintegrare Timpul de înjumătățire
(în ani)		 Disiparea căldurii
(W/kg)		 Neutroni de fisiune spontană
(1/( g s ) )		 cometariu
238 Pu alfa în 234 U 87,74 560 2600 Temperatura de descompunere foarte mare. Chiar și în cantități mici poate duce la autoîncălzire. Folosit în RTG .
239 Pu alfa la 235 U 24100 1.9 0,022 Principalul produs nuclear.
240 Pu alfa la 236 U , fisiune spontană 6560 6.8 910 Este principala impuritate din plutoniu-239. O rată mare de fisiune spontană nu permite utilizarea sa în industria nucleară.
241 Pu beta la 241 am 14.4 4.2 0,049 Degradează la americiu-241; acumularea lui reprezintă o amenințare pentru probele obținute.
242 Pu alfa în 238 U 376000 0,1 1700 —

Plutoniul-236 a fost găsit în fracția de plutoniu obținută din uraniu natural, a cărei emisie radio a arătat o gamă de particule α de 4,35 cm (corespunzător la 5,75 MeV). S-a descoperit că acest grup se referă la izotopul 236 Pu, format ca urmare a reacției 235 U(α,3n) 236 Pu. Ulterior s-a constatat că sunt posibile următoarele reacții: 237 Np(a, p4n) 236 Pu; 237 Np(α,5n) 236 Am → ( EZ ) 236 Pu. În prezent, se obține datorită interacțiunii unui deuteron cu un nucleu de uraniu-235 . Izotopul se formează datorită emițătorului α240 96cm(T ½ 27 zile) și β-emițător236 93Np(T ½ 22 h). Plutoniul-236 este un emițător alfa capabil de fisiune spontană . Viteza de fisiune spontană este de 5,8⋅10 7 fisiuni la 1 g/h, ceea ce corespunde unui timp de înjumătățire pentru acest proces de 3,5⋅10 9 ani [22] .

Plutoniul-238 are o rată de fisiune spontană de 1,1⋅106 fisiuni /(s·kg), care este de 2,6 ori mai mare decât 240 Pu, și o putere termică foarte mare de 567 W/kg. Izotopul are o radiație alfa foarte puternică (atunci când este expus la neutroni [9] ), care este de 283 de ori mai puternică decât 239 Pu, ceea ce îl face o sursă mai serioasă de neutroni în reacția α → n . Conținutul de plutoniu-238 depășește rar 1% din compoziția totală a plutoniului, dar radiația neutronică și încălzirea îl fac foarte incomod de manevrat [23] . Radioactivitatea sa specifică este de 17,1 Ci /g [24] .

Plutoniul-239 are secțiuni transversale de împrăștiere și absorbție mai mari decât uraniul și un număr mai mare de neutroni pe fisiune și o masă critică mai mică [23] , care este de 10 kg în faza alfa [16] . În timpul dezintegrarii nucleare a plutoniului-239, prin acțiunea neutronilor asupra acestuia, acest nuclid se descompune în două fragmente (atomi mai ușori aproximativ egali), eliberând aproximativ 200 MeV de energie. Aceasta este de aproximativ 50 de milioane de ori mai multă energie eliberată în timpul arderii (C + O 2 → CO 2 ↑). „Arzând” într-un reactor nuclear, izotopul eliberează 2⋅10 7 kcal [2] . Pure 239 Pu are o emisie medie de neutroni din fisiunea spontană de aproximativ 30 neutroni/s·kg (aproximativ 10 fisiuni pe secundă pe kilogram). Puterea termică este de 1,92 W/kg (pentru comparație: căldura metabolică a unui adult este mai mică decât puterea termică), ceea ce o face caldă la atingere. Activitatea specifică este de 61,5 mCi/g [23] .

Plutoniul-240 este principalul izotop care contamina armele 239 Pu. Nivelul conținutului său este important în principal din cauza ratei de fisiune spontană, care este de 415.000 de fisiuni/s·kg, dar sunt emiși aproximativ 1⋅10 6 neutroni/(s·kg), deoarece fiecare fisiune produce aproximativ 2,2 neutroni, care de aproximativ 30.000 de ori mai mult decât 239 Pu. Puterea termică este mai mare decât cea a plutoniului-239 la 7,1 W/kg, exacerbând problema supraîncălzirii. Activitatea specifică este de 227 mCi/g [23] .

Plutoniul-241 are un fond de neutroni scăzut și o putere termică moderată și, prin urmare, nu afectează în mod direct capacitatea de utilizare a plutoniului (puterea termică este de 3,4 W/kg). Cu toate acestea, cu un timp de înjumătățire de 14 ani, se transformă în americiu-241, care este slab fisionabil și are o putere termică mare, degradând calitatea plutoniului de calitate pentru arme. Astfel, plutoniul-241 afectează îmbătrânirea plutoniului de calitate pentru arme. Activitate specifică - 106 Ci/g [23] .

Intensitatea emisiei de neutroni a plutoniului-242 este de 840.000 de fisiuni/(s·kg) (de două ori mai mare decât 240 Pu), este slab predispus la fisiune nucleară. La o concentrație vizibilă, crește serios masa critică necesară și fondul neutronic. Având o durată de viață lungă și o secțiune transversală mică de captare, nuclidul se acumulează în combustibilul reprocesat al reactorului. Activitatea specifică este de 4 mCi/g [23] .

Note

  1. ↑ Tabelul AIEA Nuclizi  (ing.)  (link inaccesibil) . Agenția Internațională pentru Energie Atomică. Consultat la 28 octombrie 2010. Arhivat din original pe 6 februarie 2011.
  2. ↑ 1 2 Plutoniu // Silver-Nielsborium și nu numai / Ed.: Petryanov-Sokolov I.V. - ed. a III-a. - M . : „Nauka”, 1983. - T. 2. - 570 p. — (Biblioteca populară de elemente chimice). — 50.000 de exemplare.
  3. ↑ 1 2 3 4 David Albright, Frans Berkhout, William Walker, Institutul Internațional de Cercetare a Păcii din Stockholm. Inventarul mondial de plutoniu și uraniu foarte îmbogățit  . - Oxford University Press, 1993. - 246 p. — ISBN 0198291531 , 9780198291534.
  4. ↑ Izotopi de plutoniu - articol din Enciclopedia fizică
  5. ↑ Date conform Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. Evaluarea masei atomice AME2003 (II). Tabele, grafice și referințe  (engleză)  // Fizica nucleară A . - 2003. - Vol. 729 . - P. 337-676 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . - Cod .
  6. ↑ 1 2 Date bazate pe Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH Evaluarea NUBASE a proprietăților nucleare și de dezintegrare  // Nuclear Physics A . - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - Cod biblic .Acces deschis
  7. ↑ 1 2 colaboratori NNDC; Alejandro A. Sonzogni (Manager baze de date). Diagrama  Nuclizilor . Upton (NY): Centrul Național de Date Nucleare, Laboratorul Național Brookhaven (2008). Data accesului: 4 septembrie 2010. Arhivat din original pe 22 august 2011.
  8. ↑ 1 2 În plutoniu-237, principalul canal de dezintegrare este captarea electronilor, dar a fost găsit și un canal de dezintegrare alfa mai puțin probabil. În plutoniu-241, principalul canal de descompunere este dezintegrarea beta-minus, dar s-au găsit și canale mai puțin probabile pentru descompunerea alfa și fisiunea spontană.
  9. ↑ 1 2 Heiserman, David L. Element 94: Plutoniu // Exploring Chemical Elements and their Compounds . - New York: TAB Books, 1992. - S.  337-340 . — ISBN 0-8306-3018-X .
  10. ↑ Richard Rhodes. Fabricarea bombei atomice . New York: Simon & Schuster, 1986. pp  . 659-660 . - ISBN 0-671-65719-4 .
  11. ↑ Timoșenko, Alexey . Obama a deschis calea către spațiu pentru „comercianții privați”  (rusă) , gzt.ru  (12 octombrie 2010). Arhivat din original pe 15 octombrie 2010. Consultat la 22 octombrie 2010.
  12. ↑ Milyukova M.S., Gusev N.I., Sentyurin I.G., Sklyarenko I.S. Chimia analitică a plutoniului. - M . : „Nauka”, 1965. - 447 p. — (Chimia analitică a elementelor). - 3400 de exemplare.
  13. ↑ JW Kennedy. Proprietăți ale elementului 94 / Co-autori: Seaborg, GT; Segre, E.; Wahl, AC - ed. 70. - Revista fizică, 1946. - S. 555-556.
  14. ↑ NN Greenwood. Chimia Elementelor / Co-autori: Earnshaw, A. - Ed. a II-a. - Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997. - ISBN 0-7506-3365-4 .
  15. ↑ Roger Case et al. Monitorizarea mediului pentru garanții nucleare . - Editura DIANE, 1995. - 45 p. — ISBN 1428920137 , 9781428920132.
  16. ↑ 1 2 Poate plutoniul de calitate pentru reactor să producă arme de fisiune nucleară?  (engleză) . Consiliul pentru Ciclul Combustibilului Nuclear Institutul pentru Economie Energetică, Japonia (2001). Consultat la 5 septembrie 2010. Arhivat din original pe 22 august 2011.
  17. ↑ 1 2 3 4 John Holdren; Matthew Bunn. Tipuri de bombe nucleare și dificultatea de a le fabrica  (în engleză)  (link indisponibil) . Inițiativa privind amenințarea nucleară (25 noiembrie 2002). Consultat la 23 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 3 februarie 2012.
  18. ↑ Raport final, Evaluarea datelor privind siguranța criticității nucleare și limitele pentru actinide în transport  (ing.) (pdf). Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire. Consultat la 23 noiembrie 2010. Arhivat din original la 22 august 2011.
  19. ↑ Probleme mâine? Neptunium 237 și americiu separat  (engleză)  (link indisponibil) . Partea a V -a. ISIS (1999). Consultat la 23 noiembrie 2010. Arhivat din original la 22 august 2011.
  20. ↑ 1 2 A. Blanchard; KR Yates; JF Zino; D. Biswas; D.E. Carlson; H. Hoang; D. Heemstra. Estimări actualizate de masă critică pentru Plutoniu-238  (engleză)  (link nu este disponibil) . Departamentul de Energie al SUA: Biroul de Informații Științifice și Tehnice. Consultat la 23 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 27 septembrie 2011.
  21. ↑ 1 2 Amory B. Lovins. Arme nucleare și plutoniu din reactor de putere  (engleză)  // Revista Nature: articol. - 1980. - Iss. 283 , nr. 5750 . - P. 817-823 . - doi : 10.1038/283817a0 .
  22. ↑ Beckman I. N. Plutoniu . - Tutorial. - M .: MGU im. M. V. Lomonosov, 2009.
  23. ↑ 1 2 3 4 5 6 Plutoniu (link inaccesibil) . nuclear-weapons.nm.ru (2002). Consultat la 13 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 15 martie 2009. 
  24. ↑ Divizia NMT reciclează, purifică combustibilul oxid de plutoniu-238 pentru viitoarele misiuni spațiale  (  link inaccesibil) . Laboratorul Național Los Alamos (LANL) (26 iunie 1996). Data accesului: 22 decembrie 2010. Arhivat din original pe 22 august 2011.
 izotopi
  unu 2                             3 patru 5 6 7 opt 9 zece unsprezece 12 13 paisprezece cincisprezece 16 17 optsprezece
unu x H   x El
2 x Li x Fii   x B x C x N x O x F x Ne
3 x Na xMg _   x Al x Si x P x S xCl _ xAr _
patru x K x Ca   x Sc x Ti x V xCr _ xMn _ x Fe x Co x Ni x Cu xZn _ x Ga x Ge xAs _ x Se xBr _ xKr _
5 xRb _ xSr _   x Y xZr _ xNb _ x Mo x Tc x Ru x Rh x Pd xAg _ x CD x In x Sn x Sb x Te x eu x Xe
6 x Cs x Ba x La x Ce x Pr xNd _ x Pm xSm _ xEu _ x Gd xTb _ xDy _ x Ho x Er x Tm x Yb x Lu x Hf x Ta x W x Re xOs _ xIr _ xPt _ xAu _ x Hg xTl _ xPb _ x Bi x Po x La xRn _
7 xFr _ x Ra x Ac xTh _ xPa _ x U xNp _ x Pu x Am x cm xBk _ x Cf x Es xFm _ xMd _ x Nu xLr _ xRf _ xDb _ xSg _ x Bh x Hs x Mt xDs _ xRg _ x Cn xNh _ xFl _ x Mc xLv _ x Ts xOg _
 
Metale alcaline metale alcalino-pământoase Lantanide Actinide metale de tranziție
metale ușoare Semimetale nemetale Halogeni gaze nobile Proprietăți necunoscute