Isotoper av plutonium

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 28 augusti 2018; kontroller kräver 10 redigeringar .

Isotoper av plutonium  är varianter av atomer (och kärnor ) av det kemiska elementet plutonium , som har ett annat innehåll av neutroner i kärnan. Plutonium har inga stabila isotoper. Spår av plutonium-244 har hittats i naturen. Den längsta levande isotopen är 244 Pu med en halveringstid på 80 miljoner år.

Av isotoper av plutonium är det för närvarande känt om förekomsten av dess 20 nuklider med massnummer 228-247 [1] . Endast 4 av dem har hittat sin ansökan [2] . Isotopers egenskaper har några karakteristiska egenskaper som kan användas för att bedöma deras fortsatta studie - även isotoper har längre halveringstider än udda (dock gäller detta antagande bara dess mindre viktiga nuklider).

Det amerikanska energidepartementet delar in plutoniumblandningar i tre typer [3] :

  1. plutonium av vapenkvalitet (innehållet av 240 Pu i 239 Pu är mindre än 7%)
  2. bränsleplutonium (från 7 till 18 % 240 Pu) och
  3. reaktorplutonium ( innehåll 240 Pu över 18%)

Termen "ultraprent plutonium" används för att beskriva en blandning av plutoniumisotoper som innehåller 2-3 procent 240 Pu [3] .

Endast två isotoper av detta element ( 239 Pu och 241 Pu) är mer kapabla till kärnklyvning än resten; dessutom är dessa de enda isotoper som genomgår kärnklyvning under inverkan av termiska neutroner [3] . Bland produkterna från explosionen av termonukleära bomber hittades också 247 Pu och 255 Pu [4] , vars halveringstider är oproportionerligt korta.

Tabell över plutoniumisotoper

Nuklidsymbol
_ 		Z ( p ) N( n ) Isotopmassa [5]
( a.u.m. ) 		Halveringstid
[ 6]
(T 1/2 ) 		Decay kanal Förfallande produkt Spinn och paritet
av kärnan [6]
 Isotopens förekomst
i naturen
Excitationsenergi
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 + (sällsynt) 230Np _
231 Pu 94 137 231.041101(28) 8,6(5)min β + 231Np _ 3/2+#
α (sällsynt) 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) år α 232 U 0+
SD (1,37⋅10 -7 %) (olika)
CR (2⋅10 −12 %) 208 Pb
28 Mg
β + β + (sällsynt) 236 U
237 Pu 94 143 237.0484097(24) 45,2(1) dagar 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) år α 234 U 0+
SD (1,9⋅10 -7 %) (olika)
CR (1,4⋅10 -14 %) 206 Hg32Si
_ _
CR (6⋅10 −15 %) 180 Yb
30 Mg
28 Mg
239 Pu 94 145 239,0521634(20) 2.411(3)⋅10 4 år α 235 U 1/2+
SD (3,1⋅10−10 % ) (olika)
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 år α 236 U 0+
SD (5,7⋅10 -6 %) (olika)
CR (1,3⋅10 -13 %) 206 Hg34Si
_ _
241 Pu 94 147 241.0568515(20) 14 290(6) år β - (99,99 %) 241 på morgonen 5/2+
α (0,00245%) 237 U
SD (2,4⋅10−14 % ) (olika)
241m1 Pu 161,6(1) keV 0,88(5) µs 1/2+
241m2 Pu 2200(200) keV 21(3) ms
242 Pu 94 148 242.0587426(20) 3,75(2)⋅10 5 år α 238 U 0+
SD (5,5⋅10 -4 %) (olika)
243 Pu 94 149 243.062003(3) 4,956(3) h β − 243 på morgonen 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 år α (99,88 %) 240 U 0+
SD (0,123 %) (olika)
β − β − ​​(7,3⋅10 −9 %) 244 cm _
245 Pu 94 151 245,067747(15) 10,5(1) h β − 245 på morgonen (9/2−)
246 Pu 94 152 246.070205(16) 10,84(2) dagar β − 246m Am 0+
247 Pu 94 153 247.07407(32)# 2,27(23) dagar β − 247 på morgonen 1/2+#

Förklaringar till tabellen


Isotoper och fusion

Ett 20 -tal isotoper av plutonium är kända, alla är radioaktiva. De längsta levande isotoperna är plutonium-244 , med en halveringstid på 80,8 miljoner år; plutonium-242 - 372 300 år; plutonium-239  - 24 110 år, plutonium-240 - 6560 år, plutonium-238 - 87 år, plutonium-241 - 14 år. Alla andra isotoper har en halveringstid på mindre än 3 år. Detta element har 8 metastabila tillstånd , halveringstiden för dessa isomerer överstiger inte 1 s [7] .

Massantalet kända isotoper av grundämnet varierar från 228 till 247. De upplever alla en eller flera typer av radioaktivt sönderfall:

Den huvudsakliga sönderfallskanalen för de lättaste isotoper av plutonium (från 228 till 231) är alfasönderfall, även om elektroninfångningskanalen också är öppen för dem. Den huvudsakliga sönderfallskanalen för lätta isotoper av plutonium (från 232 till och med 235) är elektroninfångning; alfasönderfall konkurrerar med det. Huvudkanalerna för radioaktivt sönderfall av isotoper med massatal mellan 236 och 244 (förutom 237 [8] , 241 [8] och 243) är alfasönderfall och (mindre sannolikt) spontan klyvning . Den huvudsakliga sönderfallskanalen för plutoniumisotoper med massatal större än 244 (liksom 243 Pu och 241 Pu) är beta-minus sönderfall till americiumisotoper ( 95 protoner). Plutonium-241 är en medlem av den "utdöda" radioaktiva neptunium-serien [9] [10] [7] .

Beta-stabila (det vill säga upplever endast sönderfall med en förändring i massnummer) är isotoper med massnummer 236, 238, 239, 240, 242, 244.

Syntes av plutonium

Plutonium i industriell skala erhålls på två sätt [3] :

  1. bestrålning av uran (se reaktion nedan) som finns i kärnreaktorer;
  2. bestrålning i reaktorer av transuranelement isolerade från använt bränsle.

Efter bestrålning separeras i båda fallen plutonium med kemiska medel från uran, transuranelement och klyvningsprodukter.

Plutonium-238

Plutonium-238, som används i radioisotopkraftgeneratorer , kan syntetiseras i laboratoriet i en utbytesreaktion (d, 2n) på uran-238:

I denna process kommer deuteronet in i kärnan av uran-238, vilket resulterar i bildandet av neptunium-238 och två neutroner. Därefter genomgår neptunium-238 beta-minus sönderfall till plutonium-238. Det var i denna reaktion som plutonium först erhölls (1941, Seaborg). Det är dock inte ekonomiskt. Inom industrin erhålls plutonium-238 på två sätt:

Priset för ett kilogram plutonium-238 är cirka 1 miljon US-dollar [11] .

Plutonium-239

Plutonium-239, en klyvbar isotop som används i kärnvapen och kärnkraft, syntetiseras industriellt [12] i kärnreaktorer (inklusive kraftverk som en biprodukt) med hjälp av följande reaktion med deltagande av urankärnor och neutroner med beta-minus sönderfall och med deltagande av neptuniumisotoper som en mellanliggande sönderfallsprodukt [13] :

Neutroner som emitteras från klyvningen av uran-235 fångas upp av uran-238 för att bilda uran-239 ; sedan, genom en kedja av två β − -sönderfall, bildas neptunium-239 och sedan plutonium-239 [14] . Anställda i den hemliga brittiska gruppen Tube Alloys , som studerade plutonium under andra världskriget, förutspådde förekomsten av denna reaktion 1940.

Tunga isotoper av plutonium

Tyngre isotoper produceras i reaktorer från 239 Pu genom en kedja av successiva neutronfångningar, som var och en ökar nuklidens massnummer med en.

Egenskaper för vissa isotoper

Isotoper av plutonium genomgår radioaktivt sönderfall , vilket frigör termisk energi . Olika isotoper avger olika mycket värme. Värmeeffekt skrivs vanligtvis i termer av W/kg eller mW/kg. I de fall plutonium förekommer i stora mängder och det inte finns någon kylfläns kan värmeenergin smälta det plutoniumhaltiga materialet.

Alla plutoniumisotoper är kapabla till kärnklyvning (när de utsätts för en neutron ) [15] och avger γ-partiklar .

Värmeavgivning av plutoniumisotoper [16]
Isotop Förfallstyp Halveringstid
(i år)		 Värmeavledning
(W/kg)		 Spontana fissionsneutroner
(1/( g s ) )		 Kommentar
238 Pu alfa i 234 U 87,74 560 2600 Mycket hög nedbrytningstemperatur. Även i små mängder kan leda till självuppvärmning. Används i RTG .
239 Pu alfa vid 235 U 24100 1.9 0,022 Den huvudsakliga kärnkraftsprodukten.
240 Pu alfa till 236 U , spontan fission 6560 6.8 910 Det är den huvudsakliga föroreningen i plutonium-239. En hög hastighet av spontan klyvning tillåter inte dess användning inom kärnkraftsindustrin.
241 Pu beta vid 241 Am 14.4 4.2 0,049 Sönderfall till americium-241; dess ackumulering utgör ett hot mot de erhållna proverna.
242 Pu alfa i 238 U 376 000 0,1 1700 —

Plutonium-236 hittades i plutoniumfraktionen som erhölls från naturligt uran, vars radioemission visade ett α-partikelområde på 4,35 cm (motsvarande 5,75 MeV). Det visade sig att denna grupp hänvisade till isotopen 236 Pu, bildad på grund av reaktionen 235 U(α,3n) 236 Pu. Senare visade det sig att följande reaktioner är möjliga: 237 Np(a, p4n) 236 Pu; 237 Np(a,5n) 236 Am → ( EZ ) 236 Pu. För närvarande erhålls det på grund av interaktionen av en deuteron med en uran-235 kärna . Isotopen bildas på grund av α-emittern240 96centimeter(T ½ 27 dagar) och β-emitter236 93Np(T ½ 22 timmar). Plutonium-236 är en alfasändare som kan spontan fission . Hastigheten för spontan fission är 5,8⋅10 7 fissions per 1 g/h, vilket motsvarar en halveringstid för denna process på 3,5⋅10 9 år [22] .

Plutonium-238 har en spontan fissionshastighet på 1,1⋅10 6 fissions/(s·kg), vilket är 2,6 gånger större än 240 Pu, och en mycket hög termisk effekt på 567 W/kg. Isotopen har mycket stark alfastrålning (när den utsätts för neutroner [9] ), som är 283 gånger starkare än 239 Pu, vilket gör den till en allvarligare neutronkälla i α → n -reaktionen . Innehållet av plutonium-238 överstiger sällan 1 % av den totala sammansättningen av plutonium, men neutronstrålning och uppvärmning gör det mycket obekvämt att hantera [23] . Dess specifika radioaktivitet är 17,1 Ci /g [24] .

Plutonium-239 har större spridnings- och absorptionstvärsnitt än uran och ett större antal neutroner per klyvning och en lägre kritisk massa [23] , som är 10 kg i alfafasen [16] . Under kärnsönderfallet av plutonium-239, genom inverkan av neutroner på den, sönderfaller denna nuklid till två fragment (ungefär lika lättare atomer), vilket frigör cirka 200 MeV energi. Detta är ungefär 50 miljoner gånger mer energi som frigörs vid förbränning (C + O 2 → CO 2 ↑). "Brann" i en kärnreaktor frigör isotopen 2⋅10 7 kcal [2] . Pure 239 Pu har en genomsnittlig neutronemission från spontan fission på cirka 30 neutroner/s·kg (cirka 10 fissions per sekund per kilogram). Den termiska effekten är 1,92 W/kg (som jämförelse: den metaboliska värmen hos en vuxen är mindre än den termiska effekten), vilket gör den varm vid beröring. Den specifika aktiviteten är 61,5 mCi/g [23] .

Plutonium-240 är den huvudsakliga isotopen som förorenar vapen av klass 239 Pu. Nivån på dess innehåll är främst viktig på grund av hastigheten för spontan fission, som är 415 000 fissions/s·kg, men cirka 1⋅10 6 neutroner/(s·kg) emitteras, eftersom varje fission producerar cirka 2,2 neutroner, vilket cirka 30 000 gånger mer än 239 Pu. Den termiska effekten är större än för plutonium-239 vid 7,1 W/kg, vilket förvärrar problemet med överhettning. Den specifika aktiviteten är 227 mCi/g [23] .

Plutonium-241 har en låg neutronbakgrund och en måttlig termisk effekt och påverkar därför inte direkt användbarheten av plutonium (termisk effekt är 3,4 W/kg). Men med en halveringstid på 14 år förvandlas det till americium-241, som är dåligt klyvbart och har en hög termisk kraft, vilket försämrar kvaliteten på plutonium av vapenkvalitet. Således påverkar plutonium-241 åldrandet av plutonium av vapenkvalitet. Specifik aktivitet - 106 Ci/g [23] .

Neutronemissionsintensiteten för plutonium-242 är 840 000 klyvningar/(s·kg) (dubbelt så hög som 240 Pu), den är dåligt benägen för kärnklyvning. Vid en märkbar koncentration ökar den allvarligt den nödvändiga kritiska massan och neutronbakgrunden. Med en lång livslängd och ett litet fångstvärsnitt ackumuleras nukliden i det upparbetade reaktorbränslet. Den specifika aktiviteten är 4 mCi/g [23] .

Anteckningar

  1. ↑ IAEA Nuclides Table  (eng.)  (otillgänglig länk) . Internationella atomenergiorganet. Hämtad 28 oktober 2010. Arkiverad från originalet 6 februari 2011.
  2. ↑ 1 2 Plutonium // Silver-Nielsborium and beyond / Red.: Petryanov-Sokolov I.V. - 3rd ed. - M . : "Nauka", 1983. - T. 2. - 570 sid. — (Populärt bibliotek av kemiska grundämnen). — 50 000 exemplar.
  3. ↑ 1 2 3 4 David Albright, Frans Berkhout, William Walker, Stockholm International Peace Research Institute. Världsinventering av plutonium och höganrikat uran  . - Oxford University Press, 1993. - 246 sid. — ISBN 0198291531 , 9780198291534.
  4. ↑ Isotoper av plutonium - artikel från Physical Encyclopedia
  5. ↑ Data enligt Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tabeller, grafer och referenser  (engelska)  // Kärnfysik A . - 2003. - Vol. 729 . - s. 337-676 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . - .
  6. ↑ 1 2 Data baserad på Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH NUBASE-utvärderingen av kärn- och förfallsegenskaper  // Kärnfysik A . - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - .Fri tillgång
  7. ↑ 1 2 NNDC-bidragsgivare; Alejandro A. Sonzogni (databashanterare). Diagram över  nuklider . Upton (NY): National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory (2008). Datum för åtkomst: 4 september 2010. Arkiverad från originalet den 22 augusti 2011.
  8. ↑ 1 2 I plutonium-237 är den huvudsakliga sönderfallskanalen elektroninfångning, men en mindre sannolik alfasönderfallskanal har också hittats. I plutonium-241 är den huvudsakliga sönderfallskanalen beta-minus sönderfall, men mindre sannolika kanaler för alfasönderfall och spontan fission har också hittats.
  9. ↑ 1 2 Heiserman, David L. Element 94: Plutonium // Utforska kemiska beståndsdelar och deras föreningar . - New York: TAB Books, 1992. - S.  337-340 . — ISBN 0-8306-3018-X .
  10. ↑ Richard Rhodes. Tillverkningen av atombomben . New York: Simon & Schuster, 1986. s  . 659-660 . - ISBN 0-671-65719-4 .
  11. ↑ Timosjenko, Alexey . Obama öppnade vägen till rymden för "privata handlare"  (ryska) , gzt.ru  (12 oktober 2010). Arkiverad från originalet den 15 oktober 2010. Hämtad 22 oktober 2010.
  12. ↑ Milyukova M.S., Gusev N.I., Sentyurin I.G., Sklyarenko I.S. Analytical chemistry of plutonium. - M . : "Nauka", 1965. - 447 sid. — (Analytisk kemi av grundämnen). - 3400 exemplar.
  13. ↑ JW Kennedy. Egenskaper för Element 94 / Medförfattare: Seaborg, GT; Segre, E.; Wahl, AC - 70:e upplagan. - Physical Review, 1946. - S. 555-556.
  14. ↑ NN Greenwood. Chemistry of the Elements / Medförfattare: Earnshaw, A. - 2nd ed. - Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997. - ISBN 0-7506-3365-4 .
  15. ↑ Roger Case et al. Miljöövervakning för kärnkraftskontroll . - DIANE Publishing, 1995. - 45 sid. — ISBN 1428920137 , 9781428920132.
  16. ↑ 1 2 Kan reaktorklassat plutonium producera kärnklyvningsvapen?  (engelska) . Council for Nuclear Fuel Cycle Institute for Energy Economics, Japan (2001). Hämtad 5 september 2010. Arkiverad från originalet 22 augusti 2011.
  17. ↑ 1 2 3 4 John Holdren; Matthew Bunn. Typer av kärnvapenbomber och svårigheten att tillverka dem  (engelska)  (inte tillgänglig länk) . Nuclear Threat Initiative (25 november 2002). Hämtad 23 november 2010. Arkiverad från originalet 3 februari 2012.
  18. ↑ Slutrapport, Utvärdering av säkerhetsdata för kärnsäkerhet och gränsvärden för aktinider vid transport  (eng.) (pdf). Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire. Hämtad 23 november 2010. Arkiverad från originalet 22 augusti 2011.
  19. ↑ Problem imorgon? Separerade Neptunium 237 och Americium  (engelska)  (länk ej tillgänglig) . Del V. ISIS (1999). Hämtad 23 november 2010. Arkiverad från originalet 22 augusti 2011.
  20. ↑ 1 2 A. Blanchard; KR Yates; JF Zino; D. Biswas; D.E. Carlson; H. Hoang; D. Heemstra. Uppdaterade kritiska massuppskattningar för Plutonium-238  (engelska)  (länk ej tillgänglig) . US Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information. Hämtad 23 november 2010. Arkiverad från originalet 27 september 2011.
  21. ↑ 1 2 Amory B. Lovins. Kärnvapen och kraftreaktorplutonium  (engelska)  // Nature magazine: artikel. - 1980. - Iss. 283 , nr. 5750 . - s. 817-823 . - doi : 10.1038/283817a0 .
  22. ↑ Beckman I. N. Plutonium . - Handledning. - M . : MGU im. M.V. Lomonosov, 2009.
  23. ↑ 1 2 3 4 5 6 Plutonium (otillgänglig länk) . nuclear-weapons.nm.ru (2002). Hämtad 13 november 2010. Arkiverad från originalet 15 mars 2009. 
  24. ↑ NMT-avdelningen återvinner, renar Plutonium-238-oxidbränsle för framtida rymduppdrag  (  otillgänglig länk) . Los Alamos National Laboratory (LANL) (26 juni 1996). Tillträdesdatum: 22 december 2010. Arkiverad från originalet 22 augusti 2011.
 isotoper
  ett 2                             3 fyra 5 6 7 åtta 9 tio elva 12 13 fjorton femton 16 17 arton
ett x H   x han
2 x Li x vara   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 _
fyra 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 Mån x Tc x Ru x Rh x Pd xAg _ x CD x in x Sn x Sb x Te x jag x Xe
6 x Cs x Ba xLa _ 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 Kl xRn _
7 xFr _ x Ra x Ac xTh _ xPa _ x U xNp _ x Pu x Am x cm xBk _ x Jfr x Es xFm _ xMd _ x Nej xLr _ xRf _ xDb _ xSg _ x Bh x Hs x Mt xDs _ xRg _ x Cn xNh _ xFl _ x Mc xLv _ x Ts xOg _
 
alkaliska metaller alkaliska jordartsmetaller Lantanider Aktinider övergångsmetaller
lättmetaller _ Halvmetaller icke-metaller Halogener ädelgaser Egenskaper okända