Izotopy plutonia - Isotopes of plutonium

Hlavní izotopy z plutonium  (94Pu)
IzotopRozklad
hojnostpoločas rozpadu (t1/2)režimuproduktu
238Pustopa87,74 rSF–
α234U
239Pustopa2.41×104 ySF–
α235U
240Pustopa6500 letSF–
α236U
241Pusyn14 letβ−241Dopoledne
SF–
242Pusyn3.73×105 ySF–
α238U
244Pustopa8.08×107 yα240U
SF–

Plutonium (94Pu) je umělý prvek, s výjimkou stopových množství vyplývajících z zachycení neutronů uranem, a tedy a standardní atomová hmotnost nelze dát. Stejně jako všechny umělé prvky nemá stabilní izotopy. Byl syntetizován dlouho předtím, než byl nalezen v přírodě, první izotop syntetizovaná bytost 238Pu v roce 1940. Dvacet plutonia radioizotopy byly charakterizovány. Nejstabilnější jsou plutonium-244 s poločas rozpadu 80,8 milionů let, plutonium-242 s poločasem 373 300 let a plutonium-239 s poločasem rozpadu 24 110 let. Všechny zbývající radioaktivní izotopy mají poločasy života méně než 7 000 let. Tento prvek má také osm meta státy; všichni mají poločasy kratší než jedna sekunda.

The izotopy plutonia rozsah v atomová hmotnost ze dne 228.0387u (228Pu) na 247,074 u (247Pu). Primární režimy rozpadu před nejstabilnějším izotopem, 244Pu, jsou spontánní štěpení a alfa emise; primární režim po je emise beta. Primární produkty rozpadu před 244Pu jsou izotopy uranu a neptunium (neuvažuji štěpné produkty ) a primární produkty rozpadu po jsou izotopy amerického.

Seznam izotopů

Nuklid
[n 1]		ZNIzotopová hmota (Da )
[č. 2][č. 3]		Poločas rozpadu
Rozklad
režimu
[č. 4]		Dcera
izotop
[č. 5][č. 6]		Roztočit a
parita
[č. 7][č. 8]		Izotopový
hojnost
Budicí energie
228Pu94134228.03874(3)1,1 (+ 20–5) sα (99,9%)224U0+
β+ (.1%)228Np
229Pu94135229.04015(6)120 (50) sα225U3/2+#
230Pu94136230.039650(16)Min. 1,70 (17)α226U0+
β+ (vzácný)230Np
231Pu94137231.041101(28)8,6 (5) minβ+231Np3/2+#
α (vzácné)227U
232Pu94138232.041187(19)33,7 (5) minES (89%)232Np0+
α (11%)228U
233Pu94139233.04300(5)20,9 (4) minβ+ (99.88%)233Np5/2+#
α (0,12%)229U
234Pu94140234.043317(7)8,8 (1) hES (94%)234Np0+
α (6%)230U
235Pu94141235.045286(22)25,3 (5) minβ+ (99.99%)235Np(5/2+)
α (0,0027%)231U
236Pu94142236.0460580(24)2,858 (8) rα232U0+
SF (1.37×10−7%)(rozličný)
CD (2×10−12%)208Pb
28Mg
β+β+ (vzácný)236U
237Pu94143237.0484097(24)45,2 (1) dES237Np7/2−
α (0,0042%)233U
237m1Pu145,544 (10) 2 keV180 (20) msTO237Pu1/2+
237m2Pu2900 (250) keV1,1 (1) µs
238Pu94144238.0495599(20)87,7 (1) rα234U0+Stopa[č. 9]
SF (1,9 × 10−7%)(rozličný)
CD (1,4 × 10−14%)206Hg
32Si
CD (6 × 10−15%)180Yb
30Mg
28Mg
239Pu[č. 10][č. 11]94145239.0521634(20)2.411(3)×104 yα235U1/2+Stopa[č. 12]
SF (3,1 × 10−10%)(rozličný)
239m1Pu391,584 (3) keV193 (4) ns7/2−
239m2Pu3100 (200) keV7,5 (10) us(5/2+)
240Pu94146240.0538135(20)6.561(7)×103 yα236U0+Stopa[č. 13]
SF (5,7 × 10−6%)(rozličný)
CD (1,3 × 10−13%)206Hg
34Si
241Pu[č. 10]94147241.0568515(20)14 290 (6) rβ− (99.99%)241Dopoledne5/2+
α (0,00245%)237U
SF (2,4 × 10−14%)(rozličný)
241m1Pu161,6 (1) keV0,88 (5) us1/2+
241m2Pu2200 (200) keV21 (3) us
242Pu94148242.0587426(20)3.75(2)×105 yα238U0+
SF (5,5 × 10−4%)(rozličný)
243Pu[č. 10]94149243.062003(3)4,956 (3) hβ−243Dopoledne7/2+
243 mPu383,6 (4) keV330 (30) ns(1/2+)
244Pu94150244.064204(5)8.00(9)×107 yα (99,88%)240U0+Stopa[č. 14]
SF (0,123%)(rozličný)
β−β− (7.3×10−9%)244Cm
245Pu94151245.067747(15)10,5 (1) hβ−245Dopoledne(9/2−)
246Pu94152246.070205(16)10,84 (2) dβ−246 mDopoledne0+
247Pu94153247.07407(32)#2,27 (23) dβ−247Dopoledne1/2+#
  1. ^ mPu - nadšený jaderný izomer.
  2. ^ () - Nejistota (1σ) je uveden v stručné formě v závorkách za odpovídajícími posledními číslicemi.
  3. ^ # - Atomic mass checked #: hodnota a nejistota odvozené nikoli z čistě experimentálních údajů, ale alespoň částečně z trendů z Mass Surface (TMS ).
  4. ^ Režimy rozpadu:
    CD:Rozpad klastru
    ES:Zachycení elektronů
    TO:Izomerní přechod
    SF:Spontánní štěpení
  5. ^ Tučné kurzíva symbol jako dcera - dcera produkt je téměř stabilní.
  6. ^ Tučný symbol jako dcera - dcera produkt je stabilní.
  7. ^ () hodnota rotace - označuje rotaci se slabými argumenty přiřazení.
  8. ^ # - Hodnoty označené # nejsou čistě odvozeny z experimentálních údajů, ale alespoň částečně z trendů sousedních nuklidů (TNN ).
  9. ^ Dvojitý rozpad beta produkt 238U
  10. ^ A b C štěpný nuklid
  11. ^ Nejužitečnější izotop pro jaderné zbraně
  12. ^ Zachycení neutronů produkt 238U
  13. ^ Meziprodukt rozpadu produktu 244Pu
  14. ^ Mezihvězdné, některé také mohou být prvotní ale takové nároky jsou sporné

Aktinidy vs. štěpné produkty

Aktinidy a štěpné produkty do poločasu rozpadu
Aktinidy[1] podle řetěz rozpaduPoločas rozpadu
rozsah (A )		Štěpné produkty z 235U podle výtěžek[2]
4n4n+14n+24n+3
4.5–7%0.04–1.25%<0.001%
228Ra№4–6 a†155Euþ
244Cmƒ241Puƒ250Srov227Ac№10–29 a90Sr85Kr113 mCDþ
232Uƒ238Puƒ243Cmƒ29–97 a137Čs151Smþ121 mSn
248Bk[3]249Srovƒ242 mDopoledneƒ141–351 a

Žádné štěpné produkty
mít poločas
v rozsahu
100–210 ka ...

241Dopoledneƒ251Srovƒ[4]430–900 a
226Ra№247Bk1,3–1,6 ka
240Pu229Čt246Cmƒ243Dopoledneƒ4,7–7,4 ka
245Cmƒ250Cm8,3–8,5 ka
239Puƒ24,1 ka
230Čt№231Pa№32–76 ka
236Npƒ233Uƒ234U№150–250 ka‡99Tc₡126Sn
248Cm242Pu327–375 ka79Se₡
1,53 Ma93Zr
237Npƒ2,1–6,5 Ma135Čs₡107Pd
236U247Cmƒ15–24 Ma129Já₡
244Pu80 Ma

... ani za 15,7 Ma[5]

232Čt№238U№235Uƒ č0,7–14,1 Ga

Legenda pro symboly horního indexu
₡ má termální zachycení neutronů průřez v rozmezí 8–50 stodol
ƒ štěpitelný
m metastabilní izomer
№ primárně a přirozeně se vyskytující radioaktivní materiál (NORMA)
þ neutronový jed (průřez zachycení tepelných neutronů větší než 3k stodoly)
† rozsah 4–97 a: Produkt štěpení se středně dlouhou životností
‡ nad 200 ka: Produkt štěpení s dlouhou životností

Pozoruhodné izotopy

Výroba a použití

Peleta z plutonium-238, zářící z vlastního tepla, používané pro radioizotopové termoelektrické generátory.
Proměna tok mezi 238Pu a 244Cm dovnitř LWR.[7]
Rychlost transmutace není zobrazena a velmi se liší podle nuklidu.
245Cm-248Cm mají dlouhou životnost se zanedbatelným rozpadem.

239Pu, štěpný izotop, který je druhým nejpoužívanějším jaderné palivo po jaderných reaktorech uran-235 a nejpoužívanější palivo v štěpení část nukleární zbraně, se vyrábí z uran-238 zachycením neutronů následovaným dvěma beta rozpady.

240Pu, 241Pu a 242Pu jsou produkovány dalším zachycením neutronů. Liché izotopy 239Pu a 241Pu má asi 3/4 šanci podstoupit štěpení při zajetí a tepelný neutron a asi 1/4 šance na udržení neutron a stát se dalším těžším izotopem. Rovnoměrné izotopy jsou úrodný materiál ale ne štěpné a také mají nižší celkovou pravděpodobnost (průřez ) zachycení neutronů; proto mají tendenci se hromadit v jaderném palivu použitém v tepelném reaktoru, což je design téměř všech jaderné elektrárny dnes. V plutoniu, které bylo podruhé použito v tepelných reaktorech v MOX palivo, 240Pu může být dokonce nejběžnějším izotopem. Všechny izotopy plutonia a další aktinidy však jsou štěpný s rychlé neutrony. 240Pu má střední průřez absorpce tepelných neutronů, takže 241Výroba Pu v tepelném reaktoru se stává významnou částí stejně velkou jako 239Výroba Pu.

241Pu má poločas rozpadu 14 let a má o něco vyšší průřezy tepelných neutronů než 239Pu pro štěpení i absorpci. Zatímco se jaderné palivo používá v reaktoru, a 241Pu jádro mnohem pravděpodobněji štěpí nebo zachytí neutron než se rozpadne. 241Pu představuje významnou část štěpení v palivu tepelného reaktoru, které se již nějakou dobu používá. Nicméně, v vyhořelé jaderné palivo který rychle neprochází jaderným přepracováním, ale místo toho je chlazen roky po použití, většina nebo většina z nich 241Pu se beta rozpadne na americium-241, jeden z drobné aktinidy, silný alfa emitor a obtížně použitelný v tepelných reaktorech.

242Pu má obzvláště nízký průřez pro zachycení tepelných neutronů; a trvá tři absorpce neutronů, aby se stal dalším štěpným izotopem (buď kurium -245 nebo 241Pu) a štěpení. Dokonce i tehdy existuje šance, že jeden z těchto dvou štěpných izotopů nebude štěpit, ale místo toho absorbuje čtvrtý neutron a stane se kuriem-246 (na cestě k ještě těžším aktinidům, jako je kalifornium, což je emitor neutronů spontánním štěpením a je obtížné s ním manipulovat) nebo se stává 242Pu znovu; takže průměrný počet neutronů absorbovaných před štěpením je dokonce vyšší než 3. Proto 242Pu je zvláště nevhodný pro recyklaci v tepelném reaktoru a měl by být lépe použit v a rychlý reaktor kde může být štěpena přímo. Nicméně, 242Nízký průřez Pu znamená, že během jednoho cyklu bude v tepelném reaktoru přeměněno relativně málo z něj. 242Poločas Pu je asi 15krát delší 239Poločas Pu; proto je 1/15 radioaktivní a není jedním z největších přispěvatelů jaderný odpad radioaktivita.242Hnis gama paprsek emise jsou také slabší než emise ostatních izotopů.[8]

243Pu má poločas pouze 5 hodin, beta se rozpadá na americium-243. Protože 243Pu má malou příležitost zachytit další neutron před rozpadem jaderný palivový cyklus neprodukuje dlouhodobé 244Pu ve významném množství.

238Pu se běžně nevyrábí ve velkém množství v jaderném palivovém cyklu, ale některé se vyrábí z neptunium-237 zachycením neutronů (tuto reakci lze také použít k výrobě čištěného neptunia 238Pu relativně prostý jiných izotopů plutonia pro použití v radioizotopové termoelektrické generátory ), (n, 2n) reakcí rychlých neutronů na 239Pu, nebo alfa rozpadem kurium -242, který je produkován zachycením neutronů z 241Dopoledne. Má značný tepelný neutronový průřez pro štěpení, ale je pravděpodobnější, že zachytí neutron a stane se 239Pu.

Výroba

Plutonium-240, -241 a -242

Štěpení průřez pro 239Pu je 747,9 stodoly pro tepelné neutrony, zatímco aktivační průřez je 270,7 stodoly (poměr se blíží 11 štěpením na každé 4 zachycení neutronů). Vyšší izotopy plutonia se vytvářejí při dlouhodobém používání uranového paliva. U použitého paliva s vysokým spalováním budou koncentrace izotopů vyššího plutonia vyšší než palivo s nízkým spalováním, které se přepracovává k získání stupeň zbraní plutonium.

Formace 240Pu, 241Pu a 242Pu z 238U
IzotopTepelný neutron
průřez[9]
(stodoly)		Rozklad
Režim		Poločas rozpadu
ZachyťteŠtěpení
238U2.6830.000α4,468 x 109 let
239U20.5714.11β−23,45 minut
239Np77.03–β−2,356 dnů
239Pu270.7747.9α24 110 let
240Pu287.50.064α6 561 let
241Pu363.01012β−14 325 let
242Pu19.160.001α373 300 let

Plutonium-239

Hlavní článek: Plutonium-239

Plutonium-239 je jedním ze tří štěpných materiálů používaných k výrobě jaderných zbraní a v některých jaderných reaktorech jako zdroj energie. Ostatní štěpné materiály jsou uran-235 a uran-233. Plutonium-239 v podstatě neexistuje. Vyrábí se bombardováním uran-238 s neutrony v jaderném reaktoru. Uran-238 je přítomen v množství ve většině paliva reaktoru; proto se v těchto reaktorech kontinuálně vyrábí plutonium-239. Vzhledem k tomu, že plutonium-239 může být samo štěpeno neutrony za účelem uvolnění energie, poskytuje plutonium-239 část výroby energie v jaderném reaktoru.

Prsten z elektronového rafinovaného plutonia se zbraní čistoty 99,96%. Tento prsten o hmotnosti 5,3 kg je dostatečným množstvím plutonia pro použití v účinné jaderné zbrani. Tvar prstenu je nutný k odchýlení se od sférického tvaru a zabránění kritičnost.
Formace 239Pu z 238U[10]
ŽivelIzotopZachycení tepelných neutronů
průřez (stodola)		Štěpení tepelných neutronů
Průřez (stodola)		režim rozpaduPoločas rozpadu
U2382.685·10−6α4,47 x 109 let
U2392215β−23 minut
Np239301β−2,36 dne
Pu239271750α24 110 let

Plutonium-238

Hlavní článek: Plutonium-238

Existuje malé množství 238Pu v plutoniu obvyklých reaktorů produkujících plutonium. Izotopová separace by však byla poměrně drahá ve srovnání s jinou metodou: když a 235Atom U zachycuje neutron, přeměňuje se na vzrušený stav 236U. Někteří z nadšených 236Jádra U podléhají štěpení, ale některá se rozpadají na základní stav 236U emitováním gama záření. Vytváří se další zachycování neutronů 237U, který má poločas rozpadu 7 dní, a tak se rychle rozpadá na 237Np. Protože téměř všechno neptunium se vyrábí tímto způsobem nebo se skládá z izotopů, které se rychle rozpadají, je člověk téměř čistý 237Np chemickou separací neptunia. Po této chemické separaci 237Np je znovu ozářen neutrony reaktoru, na které se má přeměnit 238Np, který se rozpadá na 238Pu s poločasem 2 dny.

Formace 238Pu z 235U
ŽivelIzotopTepelný neutron
průřez		režim rozpaduPoločas rozpadu
U23599α703 800 000 let
U2365.3α23 420 000 let
U237—β−6,75 dnů
Np237165 (zachycení)α2144000 let
Np238—β−2,11 dne
Pu238—α87,7 let

240Pu jako překážka pro jaderné zbraně

Plutonium-240 podléhá spontánnímu štěpení jako režim sekundárního rozpadu malou, ale významnou rychlostí. Přítomnost někoho 240Pu omezuje použití plutonia v a jaderná bomba, protože tok neutronů ze spontánního štěpení iniciuje řetězová reakce předčasně, což způsobí předčasné uvolnění energie, která fyzicky rozptýlí jádro před plným imploze je dosaženo. To brání většině jádra v účasti na řetězové reakci a snižuje sílu bomby.

Plutonium sestávající z více než asi 90% 239Pu se volá zbraňové plutonium; plutonium z vyhořelé jaderné palivo z komerčních energetických reaktorů obecně obsahuje nejméně 20% 240Pu a je volán reaktorové plutonium. Moderní jaderné zbraně se však používají podpora fúze, což zmírňuje problém s predetonací; pokud jáma může vygenerovat a výtěžek jaderných zbraní dokonce zlomek a kiloton, což je dost na začátek fúze deuterium-tritium, výsledný výbuch neutronů štěpí dostatek plutonia k zajištění výtěžku desítek kiloton.

240Znečištění Pu je důvod, proč musí plutoniové zbraně používat implozní metoda. Teoreticky čisté 239Pu lze použít v a zbraňová jaderná zbraň, ale dosažení této úrovně čistoty je neúnosně obtížné. 240Kontaminace Pu se ukázala jako smíšené požehnání konstrukce jaderných zbraní. I když to způsobilo zpoždění a bolesti hlavy během Projekt Manhattan kvůli potřebě vyvinout implozivní technologii jsou v současnosti překážkou tytéž potíže šíření jaderných zbraní. Implozní zařízení jsou také ze své podstaty účinnější a méně náchylná k náhodné detonaci než zbraně typu zbraň.

Reference

  1. ^ Plus radium (prvek 88). Ve skutečnosti je to subaktinid, který bezprostředně předchází aktinium (89) a sleduje tříprvkovou mezeru nestability po polonium (84) kde žádné nuklidy nemají poločasy nejméně čtyř let (nejdelší nuklid v mezeře je radon-222 s poločasem rozpadu menším než čtyři dnů). Nejdelší izotop Radia, 1600 let, si tedy zaslouží začlenění prvku zde.
  2. ^ Konkrétně od tepelný neutron štěpení U-235, např. v typickém nukleární reaktor.
  3. ^ Milsted, J .; Friedman, A. M .; Stevens, C. M. (1965). „Alfa poločas rozpadu berkelium-247; nový izomer berkelia-248 s dlouhým poločasem rozpadu.“ Nukleární fyzika. 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. doi:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    „Izotopové analýzy odhalily druh s hmotností 248 v konstantním množství ve třech vzorcích analyzovaných po dobu asi 10 měsíců. Toto bylo připisováno izomeru Bk248 s poločasem rozpadu větším než 9 [let]. Žádný růst srov248 byla detekována a dolní mez pro β− poločas lze nastavit na přibližně 104 [roky]. Nebyla detekována žádná alfa aktivita, kterou lze přičíst novému izomeru; poločas alfa je pravděpodobně větší než 300 [let]. “
  4. ^ Toto je nejtěžší nuklid s poločasem rozpadu nejméně čtyři roky předMoře nestability ".
  5. ^ Vyjma těchto “klasicky stabilní "nuklidy s poločasy významně převyšujícími 232Th; např. zatímco 113 mCd má poločas pouze čtrnáct let, tedy 113Cd je téměř osm kvadrilion let.
  6. ^ Makhijani, Arjun; Seth, Anita (červenec 1997). „Využití zbraní plutonia jako paliva reaktoru“ (PDF). Energie a bezpečnost. Takoma Park, MD: Institute for Energy and Environmental Research. Citováno 4. července 2016.
  7. ^ Sasahara, Akihiro; Matsumura, Tetsuo; Nicolaou, Giorgos; Papaioannou, Dimitri (duben 2004). „Vyhodnocení zdroje neutronů a gama paprsků u vyhořelého paliva LWR s vysokou spotřebou UO2 a MOX“. Journal of Nuclear Science and Technology. 41 (4): 448–456. doi:10,3327 / jnst.41,448. Archivovány od originál dne 19. 11. 2010.
  8. ^ „Plutoniové izotopové výsledky známých vzorků pomocí kódu pro analýzu Snap Gama spektroskopie a rutinního přizpůsobení spektra Robwin“ (PDF).
  9. ^ Národní jaderné datové centrum Interaktivní tabulka nuklidů
  10. ^ Horník 1968, str. 541