Плутоний-238

У этого термина существуют и другие значения, см. Плутоний (значения).

Плуто́ний-238 (англ. plutonium-238) — радиоактивный нуклид химического элемента плутония с атомным номером 94 и массовым числом 238. Является первым открытым изотопом плутония. Был открыт в 1940 году Гленом Сиборгом, Дж. Кеннеди, Артуром Валем и Э. М. Макмилланом^[3] в результате бомбардировки урана-238 дейтронами^[4]:

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{92}U} (\mathrm {d} ,\mathrm {2n} )\mathrm {^{238}_{93}Np} \ {\xrightarrow[{2,117\ \mathrm {d} }]{\beta ^{-}\ 1,292\ \mathrm {MeV} }}\ \mathrm {^{238}_{94}Pu} .}$

Плутоний-238
Таблетка диоксида плутония-238 (применяется в РИТЭГах), раскаленная докрасна вследствие значительного энерговыделения в условиях термической изоляции.
Название, символ	Плутоний-238, 238Pu
Нейтронов	144
Свойства нуклида
Атомная масса	238,0495599(20)[1] а. е. м.
Дефект массы	46 164,7(18)[1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	7 568,354(8)[1] кэВ
Период полураспада	87,7(1)[2] лет
Продукты распада	234U
Родительские изотопы	238Np (β−) 238Am (β+) 242Cm (α)
Спин и чётность ядра	0+[2]
Канал распада Энергия распада α-распад 5,59320(19)[1] МэВ Спонтанное деление
Таблица нуклидов
Медиафайлы на Викискладе

Период полураспада плутония-238 составляет 87,7(1) года. Плутоний-238 является практически чистым альфа-излучателем. Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 633,7 ГБк.

Один грамм чистого плутония-238 генерирует приблизительно 0,567 Вт мощности.

Образование и распад

Плутоний-238 образуется в результате следующих распадов:

• β⁻-распад нуклида ²³⁸Np (период полураспада составляет 2,117(2)^[2] суток):

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{93}Np} \rightarrow \mathrm {^{238}_{94}Pu} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}$

• β⁺-распад нуклида ²³⁸Am (период полураспада составляет 98(2)^[2] мин):

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{95}Am} \rightarrow \mathrm {^{238}_{94}Pu} +e^{+}+\nu _{e};}$

• α-распад нуклида ²⁴²Cm (период полураспада составляет 162,8(2)^[2] суток):

${\displaystyle \mathrm {^{242}_{96}Cm} \rightarrow \mathrm {^{238}_{94}Pu} +\mathrm {^{4}_{2}He} .}$

Распад плутония-238 происходит по следующим направлениям:

• α-распад в ²³⁴U (вероятность ≈100 %^[2], энергия распада 5 593,20(19) кэВ^[1]):

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm {^{234}_{92}U} +\mathrm {^{4}_{2}He}$ ;}

энергия испускаемых α-частиц 5 456,3 кэВ (в 28,98 % случаев) и 5 499,03 кэВ (в 70,91 % случаев)^[5].

• Спонтанное деление (вероятность 1,9(1)⋅10⁻⁷ %)^[2];

Получение

Плутоний-238 образуется в любом ядерном реакторе, работающем на природном или малообогащённом уране, содержащем в основном изотоп ²³⁸U. При этом происходят следующие ядерные реакции^[4][6]:

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{92}U} (\mathrm {n} ,\mathrm {2n} )\mathrm {^{237}_{92}U} \ {\xrightarrow[{6,75\ \mathrm {d} }]{\beta ^{-}\ 518,6\ \mathrm {keV} }}\ \mathrm {^{237}_{93}Np}$ ;}

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{92}U} (\mathrm {n} ,\gamma )\mathrm {^{236}_{92}U} (\mathrm {n} ,\gamma )\mathrm {^{237}_{92}U} \ {\xrightarrow[{6,75\ \mathrm {d} }]{\beta ^{-}\ 518,6\ \mathrm {keV} }}\ \mathrm {^{237}_{93}Np}$ ;}

${\displaystyle \mathrm {^{237}_{93}Np} (\mathrm {n} ,\gamma )\mathrm {^{238}_{93}Np} \ {\xrightarrow[{2,117\ \mathrm {d} }]{\beta ^{-}\ 1,292\ \mathrm {MeV} }}\ \mathrm {^{238}_{94}Pu} .}$

Весовые количества чистого плутония-238 получают путём облучения нейтронами нептуния-237, который, в свою очередь, добывают из отработанного ядерного топлива^[6].

Цена одного килограмма плутония-238 составляет примерно 2,5 млн долларов США^[7].

Применение

Плутоний-238 используют в радиоизотопных источниках энергии (например, в РИТЭГах)^[6]. Ранее (до появления литиевых батарей^[8]) использовались в кардиостимуляторах^[9][10].

США использовали РИТЭГ-и с плутонием-238 на примерно 30 космических аппаратах НАСА, включая «Вояджеры» и «Кассини». Так, космический аппарат «Кассини» содержал три РИТЭГ-а с 33 килограммами диоксида плутония-238, которые обеспечивали генерацию 870 ватт электрической мощности^[11]. Марсоходы «Кьюриосити» и "Персеверанс" несут РИТЭГ-и MMRTG с 4,8 кг плутония-238, обеспечивающие 125 Вт электрической мощности^[12]. Кроме электрической генерации, РИТЭГ-и своим тепловыделением поддерживают тепловой баланс космических аппаратов и роверов. Также, в аппаратах "Соджорнер", "Спирит" и "Опортьюнити" использовались радиоизотопные источники тепла размером с гальванический элемент типоразмера D для поддержания теплового режима работы электронной аппаратуры, в том числе и цифровых вычислительных машин. Также, атмосферный зонд автоматической межпланетной станции "Галилео" обладал подобными источниками тепла.

Производство

В США производство изотопа плутония-238 было остановлено в 1988 году (Саванна Ривер)^[13]. Министерство энергетики США подписало в 1992 году пятилетний договор о покупке изотопа у России в объёме 10 кг и возможностью увеличения поставок не более чем до 40 кг. В рамках договора заключалось несколько контрактов, соглашение продлевалось. В 2009 году поставки были прерваны из-за реструктуризации российской ядерной промышленности^[14].

Начиная с 1993 года, большинство РИТЭГов на американских космических аппаратах используют изотоп, приобретаемый у России. По состоянию на 2005 год было закуплено примерно 16,5 кг^[15][16].

В 2009 Министерство энергетики США запросило финансирование на возобновление производства изотопа на территории США^[17][18]. Стоимость проекта оценивалась в 75—90 миллионов долларов за пять лет^[19] Финансирование проекта разделено между Министерством энергетики и NASA^[19]. Конгресс предоставил NASA по 10 миллионов в 2011 и 2012 годах^[19], но отказал в финансировании Министерству энергетики^[19].

В 2013 году Национальная лаборатория Оук-Ридж (штат Теннеси) начала производство плутония-238 с проектной мощностью в 1,5—2 килограмма изотопа в год^[20][21][22].

См. также

• Изотопы плутония