Изотопи плутонијума

Плутонијум (₉₄Pu) је вештачки елемент, осим у траговима као резултат уранијумовог неутронског захвата, и због тога стандардна атомска маса не може бити дата. Као сваки вештачки елемент, нема стабилних изотопа. Синтетисан је знатно пре него што је пронађен у природи, први изотоп синтетисан је био ²³⁸Pu 1940. године. Карактеризовано је двадесет радиоизотопа. Најстабилнији су плутонијум-244 са временом полураспада од 80,8 милиона година, плутонијум-242 са временом полураспада од 373.300 година и плутонијум-239 са временом полураспада од 24.110 година, Сви остали радиоактивни изотопи имају времена полураспада од мање од 7.000 година. Овај елемент такође има 8 изомера; сви имају времена полураспада мање од једне секунде^[1].

Главни изотопи плутонијума

Главни изотопи плутонијума (₉₄Pu)

Изотоп			Распад
	Распростањеност	Време полураспада	Начин	Производ
238Pu	траг	87.74 y	SF	–
			α	234U
239Pu	траг	2.41×104 y	SF	–
			α	235U
240Pu	траг	6500 y	SF	–
			α	236U
241Pu	синтетички	14 y	β−	241Am
			SF	–
242Pu	синтетички	3.73×105 y	SF	–
			α	238U
244Pu	траг	8.08×107 y	α	240U
			SF	–

Списак изотопа

Изотоп[2]	Z	N	Изотопска маса(Da)	Време полураспада	Начин распада	Производ	Распрострањеност
	Енергија побуђености
228Pu	94	134	228,03874(3)	1.1(+20−5) s	α (99,9%)	224U	синтетички
					β+ (0,1%)	228Np
229Pu	94	135	229,04015(6)	120(50) s	α	225U	синтетички
230Pu	94	136	230,039650(16)	1,70(17) min	α	226U	синтетички
					β+ (rare)	230Np
231Pu	94	137	231,041101(28)	8,6(5) min	β+	231Np	синтетички
					α (rare)	227U
232Pu	94	138	232,041187(19)	33,7(5) min	EC (89%)	232Np	синтетички
					α (11%)	228U
233Pu	94	139	233,04300(5)	20,9(4) min	β+ (99,88%)	233Np	синтетички
					α (0,12%)	229U
234Pu	94	140	234,043317(7)	8,8(1) h	EC (94%)	234Np	синтетички
					α (6%)	230U
235Pu	94	141	235,045286(22)	25,3(5) min	β+ (99,99%)	235Np	синтетички
					α (0,0027%)	231U
236Pu	94	142	236,0460580(24)	2,858(8) y	α	232U	синтетички
					SF (1,37×10−7%)	(разни)
					CD (2×10−12%)	208Pb28Mg
					β+β+ (ретко)	236U
237Pu	94	143	237,0484097(24)	45,2(1) d	EC	237Np	синтетички
					α (0,0042%)	233U
237m1Pu	145,544(10)2 keV			180(20) ms	IT	237Pu	синтетички
237m2Pu	2900(250) keV			1,1(1) µs			синтетички
238Pu	94	144	238,0495599(20)	87,7(1) y	α	234U	Траг
					SF (1,9×10−7%)	(разни)
					CD (1,4×10−14%)	206Hg 32Si
					CD (6×10−15%)	180Yb 30Mg 28Mg
239Pu	94	145	239,0521634(20)	2,411(3)×104 y	α	235U	Tраг
					SF (3,1×10−10%)	(разни)
239m1Pu	391,584(3) keV			193(4) ns			синтетички
239m2Pu	3100(200) keV			7,5(10) µs			синтетички
240Pu	94	146	240,0538135(20)	6,561(7)×103 y	α	236U	Траг
					SF (5,7×10−6%)	(разни)
					CD (1,3×10−13%)	206Hg 34Si
241Pu	94	147	241,0568515(20)	14,290(6) y	β− (99,99%)	241Am	синтетички
					α (0,00245%)	237U
					SF (2,4×10−14%)	(разни)
241m1Pu	161,6(1) keV			0,88(5) µs			синтетички
241m2Pu	2200(200) keV			21(3) µs			синтетички
242Pu	94	148	242,0587426(20)	3,75(2)×105 y	α	238U	синтетички
					SF (5,5×10−4%)	(rразни)
243Pu	94	149	243,062003(3)	4,956(3) h	β−	243Am	синтетички
243mPu	383,6(4) keV			330(30) ns			синтетички
244Pu	94	150	244,064204(5)	8,00(9)×107 y	α (99,88%)	240U	Tраг
					SF (0,123%)	(разни)
					β−β− (7,3×10−9%)	244Cm
245Pu	94	151	245,067747(15)	10,5(1) h	β−	245Am	синтетички
246Pu	94	152	246,070205(16)	10,84(2) d	β−	246mAm	синтетички
247Pu	94	153	247,07407(32)#	2,27(23) d	β−	247Am	синтетички

Значајни изотопи

• Плутонијум-238^[3] има време полураспада 87,74 године и емијуте алфа честице. Чист ²³⁸Pu који се користи у термоелектричним генераторима који напајају неке свемирске летелице добија се електронским захватом нептунијума-237 .
• Плутонијум-239 је најзначајнији изотоп плутонијума, са временом полураспада 24.100 година. ²³⁹Pu и ²⁴¹Pu су фисилни, што значи да њихова језгра могу да се раздвоје спорим бомбардовањем неутронима, том приликом испуштају енергију, гама радијацију и више неутрона. Из тог разлога могу да се користе да одржавају нуклеарну ланчану реакцију, која омогућава примену у нуклеарним оружијима и нуклеарним реакторима. ²³⁹Pu је синтетисан изразавањем уранијума-238 неутронима. Даљим неутронским захватом се добијају узастопно тежи изотопи.
• Плутонијум-240 има високу стопу спонтане фисије. Плутонијум се категоризује по проценту ²⁴⁰Pu: квалитета за оружије (<7%), квалитета за гориво (7–19%), квалитета за реакторе (> 19%).
• Плутонијум-241је фисилан, али такође се распада бета распадом у америцијум-241.
• Плутонијум-242 није фисилан, нијеје знатно фертилан(захтева 3 неутрона да буду захваћена како би постао фисилан) има дуже време полураспада него било који лакши изотоп
• Плутонијум-244 је најстабилнији изотоп плутонијума, са временом плураспада од 80 милиона година.Не производи се често јер ²⁴³Pu има кратко време плураспада.

Производња и употреба

²³⁹Pu, фисилни изотоп који је друго најкоришћеније нуклеарно гориво после уранијума-235, и најкоришћенији у фисијском делу нуклеарних оружија, производи се из уранијума-238 неутронским хватањем праћеним са два бета израчивања.

Гранула плутонијума-238, која светли од своје сопствене топлоте, користи се за термоелектричне генераторе.

²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, и ²⁴²Pu се производе даљим неутронским хватањем. Изотопи непарне масе ²³⁹Pu и ²⁴¹Pu имају 3/4 шансе да прођу кроз фисију при захвату неутрона и 1/4 шансу да постану следећи тежи изотоп. Изотопи парне масе су фертилни и имају знатно мање стопе неутронског захвата^[4].

Полуживот ²⁴¹Pu има 14 година и има нешто веће пресеке термичких неутрона од ²³⁹Pu и за фисију и за апсорпцију. Док се нуклеарно гориво користи у реактору, језгро од ²⁴¹Pu је вероватније да ће се цепати или да зароби неутрон, него да пропадне. ²⁴¹Pu представља значајан део фисије у гориву термичког реактора које се користи већ неко време. Међутим, у истрошеном нуклеарном гориву које се брзо не подвргне преради нуклеарне обраде, већ се хлади годинама након употребе, већи део или већи део ²⁴¹Pu ће бета пропасти на америциум-241, један од мањих актинида, јак алфа емитер и тешко га је употребити у термичким реакторима.

²⁴²Pu има посебно низак пресек за хватање термичких неутрона; и потребне су три апсорпције неутрона да би постали још један дељиви изотоп (куријум-245 или ²⁴¹Pu) и фисија. Чак и тада, постоји шанса да један од ова два дељива изотопа неће успети да се дели, али уместо тога, апсорбује четврти неутрон, постајући куријум-246 (на путу ка још тежим актинидима попут калифорнијског, који је неутронски емитир спонтаном дељењем и тешко га је ручка) или опет постаје ²⁴²Pu; па је средњи број неутрона апсорбираних пре фисије чак већи од 3. Стога је ²⁴²Pu посебно неприкладан за рециклирање у термичком реактору и боље би се користио у бржем реактору. Међутим, низак пресек ²⁴²Pu значи да ће се релативно мало тога претворити током једног циклуса у термичком реактору. Полуживот ²⁴²Pu-а је око 15 пута дужи од полуживота ²³⁹Pu; стога је 1/15 радиоактиван и није један од већих који доприноси радиоактивности нуклеарног отпада. Емисија гама зрака ²⁴²Pu је такође слабија од оне других изотопа^[4].

Полуживот ²⁴³Pu је само 5 сати, а бета пропада до америциума-243. Пошто ²⁴³Pu има мало могућности за хватање додатног неутрона пре распада, циклус нуклеарног горива не даје дуговечну ²⁴⁴Pu у значајној количини.

²³⁸Pu се обично не производи у толико великим количинама нуклеарним горивним циклусом, али неки се производе из нептунијума-237 хватањем неутрона (ова реакција се такође може користити са пречишћеним нептунијумом да би се произвео ²³⁸Pu релативно без других изотопа плутонијума за употребу у радиоизотопској термоелектричној енергији генератори), реакцијом (н, 2н) брзих неутрона на ²³⁹Pu или алфа распадом куријума-242, која настаје хватањем неутрона из ²⁴¹Am. Има значајан термички пресек неутрона за фисију, али је вероватније да ће заробити неутрон и постати ²³⁹Pu^[4].

240Pu као препрека нуклеарном оружију

Плутонијум-240 пролази кроз спонтану фисију као секундарни начин распада, малом али значајном стопом. Присуство ²⁴⁰Pu ограхичава његову употребу у нуклеарном оружију, јер неутрони из спонтане фисије започињу прерану ланчану реакцију, која доводи до тога да се језгро измести и онемогућава потпуну имплозију.