Каталог статей /

Плутоний :: Изотопы

Плутоний · История · Свойства · Нахождение в природе · Изотопы · Сплавы · Меры предосторожности · Методы отделения · Применение · Цены на плутоний · Плутоний в художественных произведениях · Близкие статьи · Примечания · Официальный сайт ·


Подробнее: Изотопы плутония

Открытие изотопов плутония началось с 1940 года, когда был получен плутоний-238. Сегодня он считается одним из важнейших нуклидов. Годом позднее был открыт самый важный нуклид — плутоний-239, впоследствии нашедший свое применение в ядерной и космической промышленности. Химический элемент является актиноидом, один из его изотопов, который упомянут выше, входит в основную тройку делящихся изотопов (уран-233 и уран-235 являются остальными двумя). Как и изотопы всех актиноидов, все изотопы плутония являются радиоактивными.

Наиболее важные ядерные свойства нуклидов плутония перечислены в таблице:

Кольцо чистого, электрорафинированного оружейного плутония (99,9 %).
Кольцо чистого, электрорафинированного оружейного плутония (99,9 %).

Из изотопов плутония на этот момент известно о существовании 19-ти его нуклидов с массовыми числами 228—247. Только 4 из них нашли свое применение. Свойства изотопов имеют некоторую характерную особенность, по которой можно судить об их дальнейшем изучении — четные изотопы имеют большие периоды полураспада, чем нечетные (но в тоже время данное прогноз относится только к менее важным его нуклидам).

Министерство энергетики США делит смеси плутония на три вида:

  1. оружейный плутоний (содержание 240Pu в 239Pu менее 7 %)
  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.

Изотопы и синтез

Методы экстракции плутония и урана.
Методы экстракции плутония и урана.

Известны около 20 изотопов плутония, все они радиоактивны. Самым долгоживущим из них является плутоний-244, с периодом полураспада 80,8 млн лет; плутоний-242 имеет более короткий период полураспада — 372 300 лет; плутоний-239 — 24 110 лет. Все остальные изотопы имеют период полураспада меньше 7 тыс. лет. Этот элемент имеет 8 метастабильных состояний, периоды полураспада этих изомеров не превышают 1 с.

Массовое число известных изотопов элемента находится в пределах 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 --активны.

Главным каналом распада наиболее лёгких изотопов плутония (с 228 по 231) является альфа-распад, не смотря на то, что 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 (и, кроме этого, 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

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

\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{2}_{1}D\ \longrightarrow \ ^{238}_{\ 93}Np\ +\ 2\ ^{1}_{0}n~;\quad ^{238}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2.117 \ d]{\beta^-} \ ^{238}_{\ 94}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). Но в тоже время 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

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

Нейтроны, излучаемые при делении урана-235, захватываются ураном-238 с образованием урана-239; после через цепочку двух --распадов образуются нептуний-239 и далее плутоний-239. Сотрудники засекреченной британской группы Tube Alloys (англ. Tube Alloys), которые занимались изучением плутония во время 2-ой мировой войны, предсказали существование данной реакции в 1940 г.

Тяжёлые изотопы плутония

Ядерные циклы, позволяющие получать более 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 как правило 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 возействии нейтрона) и излучают -частицы.

Плутоний-236 был найден в плутониевой фракции, полученной из природного урана, при измерении радиоизлучения которой наблюдался пробег -частиц, равный 4,35 см (что соответствует 5,75 МэВ). Было установлено, что данная группа относилась к изотопу 236Pu, образующемся благодаря реакции 235U(,3n)236Pu. Позднее было найдено, что возможны такие реакции как: 237Np(a, p4n)236Pu; 237Np(,5n)236Am → (ЭЗ) 236Pu. В настоящее время его получают благодаря взаимодействию дейтрона с ядром урана-235. Изотоп образуется благодаря -излучателю 24096Cm (T 27 сут) и -излучателя 23693Np (T 22 ч). Плутоний-236 является альфа-излучателем, способным с 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 → 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 расчете 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 теплым на ощупь. Удельная активность равна 61,5 мКи/г.

Плутоний-240 является главным 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 1·105 нейтронов/(с·кг), поскольку каждое деление рождает приблизительно 2,2 нейтрона, что примерно в 30 000 раз больше, чем у 239Pu. Плутоний-240 хорошо делится, чуть лучше чем 235U. 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.

  • Russian to English Russian to German Russian to French Russian to Spanish Russian to Italian Russian to Japanese

Информация на сайте из открытых источников. Основа ВикипедиЯ. | Пожалуйста, внимательно прочитайте эту страницу!