Кіріспе
Атомдық нөмірі 93, бірақ массалық саны әртүрлі жасанды нуклидтер.
Нептуний (93Np) әдетте жасанды элемент саналады, бірақ оның шамалы мөлшердесі табиғатта кездеседі, сондықтан стандартты атомдық салмағын беру мүмкін емес. Барлық іздік немесе жасанды элементтер сияқты, оның тұрақты изотоптары жоқ. Алғаш синтезделген және анықталған изотоп – 1940 жылы 239Np, ол уран-238-ді нейтрондармен бомбалау арқылы уран-239 алу үшін пайда болды, содан кейін ол бета-ыдырау арқылы нептуний-239-ға айналды. Уран атомдарының нейтрондарды сіңіру реакциясы нәтижесінде табиғатта шамалы мөлшердесі табылады, бұл факт 1951 жылға дейін анықталмаған. Нептунийдің жиырма бес радиоизотопы сипатталған, олардың ең тұрақтысы – 2,14 миллион жыл жартылай ыдырау периоды бар нептуний-237, 154 000 жыл жартылай ыдырау периоды бар нептуний-236 және 396,1 күн жартылай ыдырау периоды бар нептуний-235. Қалған радиоактивті изотоптардың жартылай ыдырау периоды 4,5 күннен кем, ал олардың көпшілігі 50 минуттан кем. Бұл элементтің бес мета-күйі бар, ең тұрақтысы – нептуний-236m (t1/2 22,5 сағат). Нептунийдің изотоптары нептуний-219-дан нептуний-244-ке дейін, бірақ аралық изотоп нептуний-221 әлі анықталмаған. Нептунийдің ең тұрақты изотопы – нептуний-237-ден бұрынғы негізгі ыдырау түрі – электронды тұтқындау (электронды тұтқындаумен қатар альфа-ыдырау да болады), ал одан кейінгі негізгі түрі – бета-ыдырау. Нептуний-237-ден бұрынғы негізгі ыдырау өнімдері – уран мен протактиний изотоптары, ал одан кейінгі негізгі өнімдер – плутоний изотоптары. Нептуний – протондық тамшы сызығының орналасуы белгілі ең ауыр элемент; ең жеңіл байланысқан изотопы – 220Np.
Нептуний-235
Нептуний-235 142 нейтроннан тұрады және 396,1 күн жартылай ыдырау периодына ие. Бұл изотоп келесідей ыдырайды:
Альфа-эмиссия: ыдырау энергиясы 5,2 МэВ, ал ыдырау өнімі – 231 протактиний. Электронды тұтқындау: ыдырау энергиясы 0,125 МэВ, ал ыдырау өнімі – 235 уран.
Alpha emission: the decay energy is 5.2 MeV and the decay product is protactinium 231. Electron capture: the decay energy is 0.125 MeV and the decay product is uranium 235
Нептунийдің бұл изотопының массасы 235,044 063 3 u құрайды.
Нептуний-236
Нептуний-236 143 нейтроннан тұрады және оның жартылай ыдырау периоды 154 000 жылды құрайды. Ол келесі әдістер арқылы ыдырай алады: Электронды тұтқындау: ыдырау энергиясы 0,93 МэВ, ал ыдырау өнімі – уран-236. Бұл көбінесе торий-232-ге ыдырайды (жартылай ыдырау периоды 23 миллион жыл). Бета-эмиссия: ыдырау энергиясы 0,48 МэВ, ал ыдырау өнімі – плутоний-236. Бұл көбінесе уран-232-ге (жартылай ыдырау периоды 2,8 жыл) ыдырайды, ол әдетте торий-228-ге (жартылай ыдырау периоды 69 жыл) ыдырайды, ал ол бірнеше жылдың ішінде 208 қорғасынға ыдырайды. Альфа-эмиссия: ыдырау энергиясы 5,007 МэВ, ал ыдырау өнімі – протактиний-232. Бұл 1,3 күн жартылай ыдырау периодымен уран-232-ге ыдырайды. Нептунийдің осы нақты изотопының массасы 236,04657 у. Бұл бөлінетін материал; оның шамамен сыни массасы белгілі, бірақ нақты эксперименттік деректер жоқ. Нептуний-236 аз мөлшерде (n,2n) және (γ,n) реакциялары арқылы нептуний-237-ні тұтқындау арқылы өндіріледі, алайда оны аналық нептуний-237-ден маңызды көлемде бөлуге шамасы жетпейді. Осы себепті, төмен сыни массасы мен жоғары нейтрондық қимасына қарамастан, ол қару немесе реакторлардағы ядролық отын ретінде кеңінен зерттелмеген. Бұл изотопты өндірудің бірнеше балама жолдары зерттелді, атап айтқанда, нептуний-237 немесе нептуний-236m изомерінен изотоптық бөлінуді азайтатын жолдар. Нептуний-236-ны жинақтау үшін ең қолайлы реакциялар – уран-238-ді протондармен және дейтеронмен сәулелендіру екені көрсетілді. Алайда, термиялық нейтрондармен бомбалау кезінде оның бөліну ықтималдығы төмен, бұл оны жеңіл сумен жұмыс істейтін атом электр станциялары үшін қолайсыз етеді (мысалы, жылдам реакторларға немесе үдеткішпен басқарылатын жүйелерге қарағанда).
Electron capture: the decay energy is 0.93 MeV and the decay product is uranium 236. This usually decays (with a half life of 23 million years) to thorium 232. Beta emission: the decay energy is 0.48 MeV and the decay product is plutonium 236. This usually decays (half life 2.8 years) to uranium 232, which usually decays (half life 69 years) to thorium 228, which decays in a few years to lead 208. Alpha emission: the decay energy is 5.007 MeV and the decay product is protactinium 232. This decays with a half life of 1.3 days to uranium 232. This particular isotope of neptunium has a mass of 236.04657 u. It is a fissile material; it has an estimated critical mass of , though precise experimental data is not available. Neptunium 236 is produced in small quantities via the (n,2n) and (γ,n) capture reactions of Neptunium 237, however, it is nearly impossible to separate in any significant quantities from its parent Neptunium 237. It is for this reason that despite its low critical mass and high neutron cross section, it has not been researched extensively as a nuclear fuel in weapons or reactors. Several alternative production routes for this isotope have been investigated, namely those that reduce isotopic separation from Neptunium 237 or the isomer Neptunium 236m. The most favorable reactions to accumulate Neptunium 236 were shown to be proton and deuteron irradiation of uranium 238. However, it has a low probability of fission on bombardment with thermal neutrons, which makes it unsuitable as a fuel for light water nuclear power plants (as opposed to fast reactor or accelerator driven systems, for example).
Пайдаланылған ядролық отынның қоры
Нептуний-237 – ядролық отын циклында маңызды көлемде түзілетін жалғыз нептуний изотопы. Ол 235 уранның (көбінесе, бірақ әрқашан емес) және 236 уранның тікелей нейтрондарды қабылдауы арқылы, сондай-ақ (n,2n) реакцияларында, жылдам нейтронның 238 ураннан немесе плутоний изотоптарынан нейтронды шығарып тастауы нәтижесінде пайда болады. Ұзақ мерзімде нептуний-237 пайдаланылған ядролық отында америций-241 ыдырауының өнімі ретінде де түзіледі. Нептуний-237 Юка тауы (Невада штаты) ядролық қалдықтар қоймасындағы ең жылдам қозғалатын радионуклидтердің бірі саналады, онда су деңгейінен жоғарыдағы вулкандық туфтың қанықпаған аймағында тотығу жағдайлары басым.
Өндіріске арналған шикізат
Нептуний-237 нейтронды бомбалау кезінде нейтронды сіңіріп алады, бета-ыдырауға ұшырайды және плутоний-238-ге айналады. Бұл өнім электр энергиясы мен жылу өндіру үшін радиоизотоптық термоэлектр генераторында (RTG немесе RITEG) жылу энергиясының көзі ретінде пайдалы. Бірінші типті термоэлектр генераторы SNAP (Ядролық қосымша қуат жүйесі) 1960 жылдары NASA-да және Аполлон миссиясы кезінде ғарышкерлер Ай бетінде қалдырған құралдарды қуаттандыру үшін әзірленді және қолданылды. Термоэлектрлік генераторлар сондай-ақ Pioneer 10 және 11 миссиялары, Voyager бағдарламасы, Cassini–Huygens миссиясы және New Horizons сияқты терең ғарыш зерттеулеріне орнатылды. Олар сонымен қатар Марс ғылыми зертханасына (Curiosity ровері) және Марс 2020 миссиясына (Perseverance ровері) электр және жылу қуатын жеткізеді, олар Марстың суық бетін зерттейді. Curiosity және Perseverance роверлері RTG-ның ең соңғы нұсқасымен жабдықталған, бұл тиімді және стандартталған MMRTG деп аталатын жүйе. Бұл қолданыстар фотоэлектрлік қуат көздері нашар немесе тұрақсыз болған жағдайларда экономикалық тұрғыдан тиімді, мысалы, зерттеушілер күннен тым алыс болғанда немесе роверлер ұзақ уақыт бойы күн сәулесін кедергілейтін климаттық құбылыстарға тап болғанда (мысалы, Марстағы шаңды дауылдар). Ғарыш зерттеушілері мен роверлер генератордың жылуын өз құралдары мен ішкі бөліктерін жылы ұстау үшін де пайдаланады.
Қорлардың жетіспеушілігі
Плутоний-238-дің ұзақ жартылай ыдырау периоды (T ~ 88 жыл) және борттағы электрондық компоненттердің жұмысына кедергі келтіретін немесе адамдарды сәулелендіруі мүмкін γ сәулеленудің болмауы, оны электр термогенераторлары үшін таңдаулы радионуклид етеді. Сондықтан нептуний-237 плутоний-238 өндірісі үшін маңызды радионуклид болып табылады, ол техникалық қызмет көрсетусіз сенімді және ұзақ қызмет ететін энергия көзін қажет ететін терең ғарыш зерттеулері үшін аса қажет. Манхэттен жобасынан бері АҚШ-та жиналған плутоний-238 қоры, Вашингтон штатында 1943 жылдан 1977 жылға дейін жұмыс істеген Ханфорд ядролық кешенінің және атом қаруын жасаудың нәтижесінде, қазірде таусылып барады. Сондықтан, роботтық зондтармен ғарыш зерттеулері үшін қажетті қорды толықтыру мақсатында плутоний-238 өндірісін қайта жандандыру үшін, сәулеленген ядролық отыннан жеткілікті мөлшерде жаңа нептуний-237-ні бөліп алу және тазалау қажет.
Нептуний-239
Нептуний-239 146 нейтроннан тұрады және жартылай ыдырау периоды 2,356 күнге тең. Ол қысқа ғұмырлы уран-239-дың β− ыдырауы арқылы түзіледі және келесі β− ыдырау нәтижесінде плутоний-239-ға айналады. Бұл плутоний өндірудің басты жолы, себебі 239U уран-238-дің нейтронды сіңіруі арқылы алынуы мүмкін. Ядролық жарылыстан кейін туындаған радиоактивті жауын-шашынның алғашқы сағаттарынан бір аптаға дейінгі кезеңінде уран-237 және нептуний-239 ең қауіпті радиоизотоптар саналады, ал 239Np «бірнеше күн бойы» осы спектрде басымдық танытады.