Плутоний изотоптары және олардың радиоактивті қасиеттері

Кіріспе

Атомдық нөмірі 94-ке тең, бірақ массалық саны әртүрлі жасанды нуклидтер.

Плутоний (Pu) – жасанды элемент, уранның нейтрондарды сіңіруінен пайда болған шамалы мөлшерлерді есептемегенде, оған стандартты атомдық салмақ берілмейді. Барлық жасанды элементтер сияқты, оның тұрақты изотоптары жоқ. Бұл элемент табиғатта табылар алдында синтезделген, алғаш синтезделген изотоп 1940 жылы плутоний-238 болды. Жиырма плутоний радиоизотобы сипатталған. Ең тұрақтылары: 80,8 миллион жыл жартылай ыдырау периодымен 244 плутоний; 373 300 жыл жартылай ыдырау периодымен 242 плутоний; 24 110 жыл жартылай ыдырау периодымен 239 плутоний; және 6 560 жыл жартылай ыдырау периодымен 240 плутоний. Бұл элементтің сегіз мета-күйі бар, олардың барлығының жартылай ыдырау периоды бір секундтан кем. Плутоний изотоптарының атомдық массасы 228,0387 u (Pu) – 247,074 u (Pu) аралығында. Ең тұрақты изотоптан (Pu) бұрынғы негізгі ыдырау түрлері – спонтанды бөліну және альфа-ыдырау, ал одан кейінгі негізгі түр – бета-эмиссия. Pu-дан бұрынғы негізгі ыдырау өнімдері – уран мен нептуний изотоптары (бөліну өнімдерін есепке алмағанда), ал одан кейінгі негізгі ыдырау өнімдері – америций изотоптары.

Белгілі изотоптар

Плутоний-238 87,74 жыл жартылай ыдырау мерзіміне ие және альфа бөлшектер шығарады. Кейбір ғарыш кемелерін қуаттандыратын радиоизотоптық термоэлектрлік генераторлар үшін таза Pu нептуний-237 нейтрондарын ұстау арқылы өндіріледі, бірақ қолданылған ядролық отыннан алынған плутонийде бірнеше процент Pu болуы мүмкін, ол Np, Cm-нің альфа ыдырауынан немесе (n,2n) реакцияларынан пайда болады. Плутоний-239-дың жартылай ыдырау мерзімі 24 100 жылды құрайды. Pu және Pu бөлінетін изотоптар; яғни олардың ядролары баяу термиялық нейтрондармен бомбаланғанда энергия, гамма сәулеленуі және қосымша нейтрондар бөліп шығарады. Осылайша, ядролық тізбекті реакцияны қолдауға болады, бұл ядролық қарулар мен ядролық реакторларда қолдануға мүмкіндік береді. Pu ядролық реакторда уран-238-ді нейтрондармен сәулелендіру арқылы синтезделеді, содан кейін отынды ядролық қайта өңдеу арқылы қалпына келтіріледі. Нейтрондарды одан әрі ұстау нәтижесінде бір-бірінен кейін ауыр изотоптар пайда болады. Плутоний-240 жоғары деңгейде спонтанды ыдырауға ұшырайды, бұл плутонийдің фонындағы нейтрондық сәулеленуін арттырады. Плутоний Pu құрамына қарай сапалық деңгейге бөлінеді: қару сапасы (<7%), отын сапасы (7–19%) және реактор сапасы (>19%). Төмен сапалы плутоний бомбалар мен жылу реакторлары үшін жарамсыз, бірақ жылдам реакторлар үшін отын ретінде қолданылуы мүмкін. Плутоний-241 бөлінетін изотоп, бірақ 14 жыл жартылай ыдырау мерзімімен бета-ыдырауға ұшырайды, нәтижесінде америций-241 пайда болады. Плутоний-242 бөлінетін емес, сондай-ақ өте құнарлы емес (бөлінетін болу үшін тағы 3 нейтронды ұстау қажет); оның нейтронды ұстау қимасы төмен және жеңіл изотоптардың кез келгенінен ұзақ жартылай ыдырау мерзіміне ие. Плутоний-244 – плутонийдің ең тұрақты изотопы, жартылай ыдырау мерзімі шамамен 80 миллион жылды құрайды. Pu-дың жартылай ыдырау мерзімі қысқа болғандықтан, ол ядролық реакторларда маңызды мөлшерде өндірілмейді, бірақ ядролық жарылыстар кезінде аз мөлшерде өндіріледі. Pu жұлдызаралық кеңістікте табылды және алғашқы емес радиоизотоптардың арасында екінші ең ұзақ жартылай ыдырау мерзіміне ие.

Өндірісі мен қолданылуы

Пу, ядролық реакторларда уран-235-тен кейін ең көп қолданылатын екінші ядролық отын және ядролық қарудың бөліну бөлігінде ең көп қолданылатын отын, уран-238-ден нейтронды тұтқындау арқылы және екі бета-ыдыраудан өндіріледі. Пу, Пу және Пу нейтрондарды одан әрі ұстап алу арқылы түзіледі. Жұп массалы изотоптар Pu және Pu термиялық нейтронды ұстағанда бөлінуге шамамен 3/4 мүмкіндікке ие, ал нейтронды ұстап, келесі ауыр изотопқа айналу мүмкіндігі шамамен 1/4 құрайды. Тақ массалы изотоптар құнарлы, бірақ бөлінгіш емес, сонымен қатар нейтрондарды ұстап алу ықтималдығы (қимасы) төмен; сондықтан олар бүгінгі күнгі барлық ядролық электр станцияларының конструкциясы – жылу реакторында қолданылатын ядролық отынға жинақталуға бейім. Плутонийдің термиялық реакторларда екінші рет пайдаланылған МОХ отынында Pu ең көп таралған изотоп болуы мүмкін. Дегенмен, барлық плутоний изотоптары мен басқа актинидтер жылдам нейтрондармен бөлінеді. Pu орташа термиялық нейтронды сіңіру қимасына ие, сондықтан термиялық реактордағы Pu өндірісі Pu өндірісімен салыстырылатын маңызды үлес құрайды. Pu 14 жыл жартылай өмір сүреді және бөлшектену мен сіңіруде Pu-ға қарағанда термиялық нейтрон қимасы сәл жоғары. Ядролық отын реакторда пайдаланылған кезде, Pu ядросы ыдырауға немесе нейтронды тұтқындауға ыдыраудан гөрі әлдеқайда жиі ұшырайды. Біршама уақыттан бері қолданылып келе жатқан термиялық реактор отынының бөлінуінің маңызды бөлігі Pu-ға жатады. Алайда, ядролық қайта өңдеуден тез өтпейтін, бірақ пайдаланылғаннан кейін бірнеше жыл бойы салқындатылатын пайдаланылған ядролық отынның көп бөлігі немесе көпшілігі америций-241-ге бета-ыдырауға ұшырайды, ол кішігірім актинидтердің бірі, күшті альфа-эмиттер және термиялық реакторларда қолдануға қиын. Pu-дың термиялық нейтрондарды тұтқындау қимасы өте төмен; және басқа бөлінгіш изотопқа (курий-245 немесе Pu) және бөлінуге айналу үшін үш нейтронды сіңіру қажет. Тіпті сонда да, екі бөлінгіш изотоптың бірі бөлінбей, төртінші нейтронды сіңіріп, 246 курийге айналуы мүмкін (келифорний сияқты одан да ауыр актинидтерге бара жатқанда, ол өздігінен бөліну арқылы нейтрон шығаратын және оны басқару қиын) немесе қайтадан Pu болып қалуы мүмкін; сондықтан бөлінуден бұрын сіңірілген нейтрондардың орташа саны 3-тен де жоғары. Сондықтан Pu жылу реакторында қайта өңдеуге әсіресе жарамсыз және оны тікелей бөлінуі мүмкін жылдам реакторда жақсырақ пайдалануға болады. Алайда, Pu-дың төмен қимасы оның салыстырмалы түрде аз бөлігі термиялық реактордағы бір цикл кезінде трансмутацияланады дегенді білдіреді. Pu-дың жартылай ыдырау мерзімі Pu-дың жартылай ыдырау мерзіміне қарағанда 15 есе ұзын; сондықтан ол радиоактивтіліктің 1/15 бөлігі және ядролық қалдықтардың радиоактивтілігіне үлкен үлес қосатын факторлардың бірі емес. Pu гамма сәулелерін шығаруы басқа изотоптарға қарағанда әлсіз. Pu-дың жартылай ыдырау мерзімі 5 сағат, бета-ыдырау арқылы америций-243 түзіледі. Pu-дың ыдырау алдында қосымша нейтронды тұтқындауға мүмкіндігі аз болғандықтан, ядролық отын циклі ұзақ өмір сүретін Pu-ны елеулі мөлшерде өндірмейді. Pu әдетте ядролық отын циклында көп мөлшерде өндірілмейді, бірақ кейбір нептуний-237-ден нейтронды тұтқындау арқылы (бұл реакцияны тазартылған нептуниймен радиоизотоптық термоэлектр генераторларында пайдалану үшін Pu-ды басқа плутоний изотоптарынан салыстырмалы түрде босату үшін қолдануға болады), Pu-ға жылдам нейтрондардың (n,2n) реакциясы арқылы немесе Am-ді нейтронды тұтқындау арқылы өндірілетін curium-242 альфа-ыдырауы арқылы өндіріледі. Ол бөліну үшін маңызды жылулық нейтрон қимасына ие, бірақ нейтронды тұтқындап, Pu болу ықтималдығы жоғары.

Pu, a fissile isotope that is the second most used nuclear fuel in nuclear reactors after uranium 235, and the most used fuel in the fission portion of nuclear weapons, is produced from uranium 238 by neutron capture followed by two beta decays. Pu, Pu, and Pu are produced by further neutron capture. The odd mass isotopes Pu and Pu have about a 3/4 chance of undergoing fission on capture of a thermal neutron and about a 1/4 chance of retaining the neutron and becoming the next heavier isotope. The even mass isotopes are fertile but not fissile and also have a lower probability (cross section) of neutron capture; therefore, they tend to accumulate in nuclear fuel used in a thermal reactor, the design of nearly all nuclear power plants today. In plutonium that has been used a second time in thermal reactors in MOX fuel, Pu may even be the most common isotope. All plutonium isotopes and other actinides, however, are fissionable with fast neutrons. Pu does have a moderate thermal neutron absorption cross section, so that Pu production in a thermal reactor becomes a significant fraction as large as Pu production. Pu has a half life of 14 years, and has slightly higher thermal neutron cross sections than Pu for both fission and absorption. While nuclear fuel is being used in a reactor, a Pu nucleus is much more likely to fission or to capture a neutron than to decay. Pu accounts for a significant portion of fissions in thermal reactor fuel that has been used for some time. However, in spent nuclear fuel that does not quickly undergo nuclear reprocessing but instead is cooled for years after use, much or most of the Pu will beta decay to americium 241, one of the minor actinides, a strong alpha emitter, and difficult to use in thermal reactors. Pu has a particularly low cross section for thermal neutron capture; and it takes three neutron absorptions to become another fissile isotope (either curium 245 or Pu) and fission. Even then, there is a chance either of those two fissile isotopes will fail to fission but instead absorb a fourth neutron, becoming curium 246 (on the way to even heavier actinides like californium, which is a neutron emitter by spontaneous fission and difficult to handle) or becoming Pu again; so the mean number of neutrons absorbed before fission is even higher than 3. Therefore, Pu is particularly unsuited to recycling in a thermal reactor and would be better used in a fast reactor where it can be fissioned directly. However, Pu's low cross section means that relatively little of it will be transmuted during one cycle in a thermal reactor. Pu's half life is about 15 times as long as Pu's half life; therefore, it is 1/15 as radioactive and not one of the larger contributors to nuclear waste radioactivity. Pu's gamma ray emissions are also weaker than those of the other isotopes. Pu has a half life of only 5 hours, beta decaying to americium 243. Because Pu has little opportunity to capture an additional neutron before decay, the nuclear fuel cycle does not produce the long lived Pu in significant quantity. Pu is not normally produced in as large quantity by the nuclear fuel cycle, but some is produced from neptunium 237 by neutron capture (this reaction can also be used with purified neptunium to produce Pu relatively free of other plutonium isotopes for use in radioisotope thermoelectric generators), by the (n,2n) reaction of fast neutrons on Pu, or by alpha decay of curium 242, which is produced by neutron capture of Am. It has significant thermal neutron cross section for fission, but is more likely to capture a neutron and become Pu.

Плутоний-240, -241 және -242

Pu үшін бөліну қимасы термиялық нейтрондар үшін 747,9 барн, ал белсендіру қимасы 270,7 барн құрайды (шамамен, әр 4 нейтрон тұтылуына 11 бөліну келеді). Жоғары плутоний изотоптары уран отыны ұзақ пайдаланғанда түзіледі. Қарқынды күйдірілген пайдаланылған отын үшін жоғары плутоний изотоптарының концентрациясы, қару сапасындағы плутоний алу үшін қайта өңделген аз қарқынды күйдірілген отынға қарағанда жоғары болады. + 238U изотопынан 240Pu, 241Pu және 242Pu түзілуі. Термиялық нейтрон қимасы (барн) Ыдырау режимі Жартылай өмір сүру Қалпына келтіру Фиссион 238U 2.683 0.000 α 4.468 x 109 жыл 239U 20.57 14.11 β− 23.45 минут 239Np 77.03 – β− 2.356 күн 239Pu 270.7 747.9 α 24,110 жыл 240Pu 287.5 0.064 α 6,561 жыл 241Pu 363.0 1012 β− 14.325 жыл 242Pu 19.16 0.001 α 373,300 жыл.

Плутоний-239

Плутоний-239 ядролық қару жасау үшін және кейбір ядролық реакторларда энергия көзі ретінде қолданылатын үш бөлінетін материалдың бірі болып табылады. Басқа бөлінетін материалдар – уран-235 және уран-233. Плутоний табиғатта дерлік кездеспейді. Ол уран-238-ді нейтрондармен бомбалау арқылы жасалады. Уран-238 көптеген реактор отындарында бар, сондықтан Плутоний осы реакторларда үнемі түзіледі. Плутонийдің өзі нейтрондармен бөлініп, энергияны бөліп шығара алатынын ескеретін болсақ, ол ядролық реакторда энергия өндірудің бір бөлігін қамтамасыз етеді. + U элементінен Pu түзілуі Изотоп Термиялық нейтрондарды сіңіру қимасы (барн) Термиялық нейтрондармен бөліну қимасы (барн) ыдырау түрі Жартылай өмір U 238 2.68 5·10 α 4.47 x 10 жыл U 239 22 15 β 23 минут Np 239 30 1 β 2.36 күн Pu 239 271 750 α 24,110 жыл

Плутоний-238

Әдеттегі реакторлардан алынған плутонийде шамалы мөлшерде Pu бар. Дегенмен, изотоптық бөліну басқа әдіспен салыстырғанда өте қымбатқа түседі: U нейтронды ұстағанда, ол U-дың қозу күйіне өтеді. Қозу күйіндегі U ядроларының бір бөлігі бөлінеді, ал қалғаны гамма сәулесін шығарып, U-дың негізгі күйіне ыдырайды. Нейтрондарды тағы ұстау U-ны жасайды; ол 7 күндік жартылай ыдырау мерзімімен Np-ге ыдырайды. Нептунийдің көбісі осылай түзіледі немесе тез ыдырайтын изотоптардан тұратындықтан, дерлік таза Np алынады. Нептунийді химиялық бөліп алғаннан кейін, Np реакторлық нейтрондармен қайта сәулелендіріліп, Np-ге айналады, ол 2 күнде Pu-ға ыдырайды. + U элементінен Pu пайда болуы Изотоп Термиялық нейтронның тиімді кесімі Ыдырау түрі Жартылай ыдырау мерзімі U 235 99 α 703,800,000 жыл U 236 5,3 α 23,420,000 жыл U 237 — β 6,75 күн Np 237 165 (ұстау) α 2,144,000 жыл Np 238 — β 2,11 күн Pu 238 — α 87,7 жыл

Плутоний-240 ядролық қарудың кедергісі ретінде

Плутоний-240 аз, бірақ маңызды деңгейде (5,8%) спонтанды түрде бөлінеді. Pu-дың болуы плутонийдің ядролық бомбада қолданылуын шектейді, себебі спонтанды бөлінуден туындаған нейтрон тізбекті реакцияны ерте бастап, толық имплозияға жетпес бұрын энергияның ерте босауына және ядроның шашырауына себеп болады. Бұл ядроның көп бөлігінің тізбекті реакцияға қатысуына кедергі келтіріп, бомбаның қуатын азайтады. 90% -дан астам Pu құрамындағы плутоний қару сапасындағы плутоний деп аталады; коммерциялық электр станцияларының пайдаланылған ядролық отынынан алынған плутонийде әдетте кем дегенде 20% Pu болады және ол реакторлық сападағы плутоний деп аталады. Дегенмен, қазіргі заманғы ядролық қарулар синтездік күшейтуді пайдаланады, бұл алдын ала жарылу мәселесін азайтады; егер шұңқыр тіпті килотоннаның бір бөлігін ғана құрайтын ядролық жарылыс қуатын тудыра алса, бұл дейтерий-тритий синтезін бастауға жеткілікті, ал нәтижесінде туындаған нейтрон ағыны ондаған килотонналық қуатты қамтамасыз ету үшін жеткілікті плутонийді бөлінеді. Pu-дың ластануы плутонийлік қарудың имплозиялық әдісін қолдануын талап етеді. Теориялық тұрғыдан таза Pu қару-жарақ типіндегі бомбада қолданылуы мүмкін, бірақ мұндай тазалыққа жету өте қиын. Плутоний-240 ластануы екі жақты әсерге ие болды. Манхэттен жобасында имплозиялық технологияны дамыту қажеттілігінен туындаған кешігулер мен қиындықтар болғанымен, осы қиындықтар ядролық қарудың таралуына тосқауыл қояды. Имплозиялық бомбалар қару-жарақ типіндегі бомбаларға қарағанда тиімдірек және жарылысқа бейімдігі аз.