Введение

Искусственные нуклиды с атомным номером 93, но с разными массовыми числами

Нептуний (93Np) обычно считается искусственным элементом, хотя следовые количества встречаются в природе, поэтому стандартный атомный вес не может быть установлен. Как и все следовые или искусственные элементы, он не имеет стабильных изотопов. Первым синтезированным и идентифицированным изотопом был 239Np в 1940 году, полученный путем облучения урана-238 нейтронами с образованием урана-239, который затем подвергся бета-распаду до нептуния-239. Следовые количества обнаруживаются в природе в результате реакций захвата нейтронов атомами урана, что было установлено лишь в 1951 году. Характеризовано двадцать пять радиоизотопов нептуния, наиболее стабильными из которых являются нептуний-237 с периодом полураспада 2,14 миллиона лет, нептуний-236 с периодом полураспада 154 000 лет и нептуний-235 с периодом полураспада 396,1 дня. Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 4,5 дней, а большинство из них – менее 50 минут. Этот элемент также имеет пять метастабильных состояний, наиболее стабильным из которых является нептуний-236m (t1/2 22,5 часа). Изотопы нептуния варьируются от нептуния-219 до нептуния-244, хотя промежуточный изотоп нептуний-221 пока не был обнаружен. Основным способом распада до наиболее стабильного изотопа, нептуния-237, является электронный захват (с существенным альфа-излучением), а после него – бета-распад. Основными продуктами распада до нептуния-237 являются изотопы урана и протактиния, а основными продуктами после – изотопы плутония. Нептуний – самый тяжелый элемент, для которого известно положение протонной капельной линии; самый легкий связанный изотоп – 220Np.

Нептун-235

Нептуний-235 содержит 142 нейтрона и имеет период полураспада 396,1 дня. Этот изотоп распадается следующими способами:
Альфа-распад: энергия распада составляет 5,2 МэВ, а продуктом распада является протактиний-231. Электронный захват: энергия распада составляет 0,125 МэВ, а продуктом распада является уран-235.

Масса этого изотопа нептуния составляет 235,0440633 а.е.м.

Нептун-236

Нептуний-236 имеет 143 нейтрона и период полураспада 154 000 лет. Он может распадаться следующими способами: захват электрона: энергия распада составляет 0,93 МэВ, а продуктом распада является уран-236. Обычно он распадается (с периодом полураспада 23 миллиона лет) до тория-232. Бета-распад: энергия распада 0,48 МэВ, а продуктом распада является плутоний-236. Обычно он распадается (период полураспада 2,8 года) до урана-232, который обычно распадается (период полураспада 69 лет) до тория-228, который распадается за несколько лет до свинца-208. Альфа-распад: энергия распада составляет 5,007 МэВ, а продуктом распада является протактиний-232. Он распадается с периодом полураспада 1,3 дня до урана-232. Этот изотоп нептуния имеет массу 236,04657 а.е.м. Это делящийся материал; его расчетная критическая масса составляет , хотя точные экспериментальные данные недоступны. Нептуний-236 производится в небольших количествах посредством реакций захвата (n,2n) и (γ,n) нептуния-237, однако его практически невозможно отделить в значительных количествах от исходного нептуния-237. Именно поэтому, несмотря на его низкую критическую массу и большое нейтронное сечение, он не был широко исследован в качестве ядерного топлива для оружия или реакторов. Были исследованы несколько альтернативных способов производства этого изотопа, в частности, те, которые уменьшают изотопное разделение от нептуния-237 или изомера нептуния-236m. Было показано, что наиболее благоприятными реакциями для накопления нептуния-236 являются протонное и дейтеронное облучение урана-238. Однако он имеет низкую вероятность деления при облучении тепловыми нейтронами, что делает его непригодным в качестве топлива для водо-водяных ядерных электростанций (в отличие, например, от быстрых реакторов или систем с ускорителями).

Инвентаризация отработавшего ядерного топлива

Нептуний-237 — единственный изотоп нептуния, образующийся в значительных количествах в ядерном топливном цикле, как в результате последовательного захвата нейтронов ураном-235 (который делится в большинстве случаев, но не всегда), так и ураном-236, или в (n,2n) реакциях, когда быстрый нейтрон изредка выбивает нейтрон из урана-238 или изотопов плутония. Со временем нептуний-237 также образуется в отработавшем ядерном топливе как продукт распада америция-241. Нептуний-237 считается одним из наиболее подвижных радионуклидов на площадке хранилища ядерных отходов Юка-Маунтин (штат Невада), где в ненасыщенной зоне вулканического туфа выше уровня грунтовых вод преобладают окислительные условия.

Сырье для производства

При воздействии нейтронной бомбардировки нептуний-237 может захватывать нейтрон, подвергаться бета-распад и превращаться в плутоний-238, который полезен в качестве источника тепловой энергии в радиоизотопном термоэлектрическом генераторе (RTG или РИТЭГ) для производства электроэнергии и тепла. Первый тип термоэлектрического генератора SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power) был разработан и использован НАСА в 1960-х годах и в ходе миссий "Аполлон" для питания приборов, оставленных астронавтами на поверхности Луны. Термоэлектрические генераторы также устанавливались на борту глубококосмических зондов, таких как миссии "Pioneer 10" и "Pioneer 11", программа "Voyager", миссия "Cassini-Huygens" и "New Horizons". Они также обеспечивают электроэнергию и тепло для Марсианской научной лаборатории (марсоход Curiosity) и миссии "Mars 2020" (марсоход Perseverance), исследующих холодную поверхность Марса. Марсоходы Curiosity и Perseverance оснащены последней версией многоцелевого RTG – более эффективной и стандартизированной системой, получившей название MMRTG. Эти применения экономически целесообразны в тех случаях, когда источники фотоэлектрической энергии слабы или нестабильны из-за большого расстояния зондов от Солнца или когда роверы сталкиваются с климатическими явлениями, которые могут блокировать солнечный свет в течение длительного времени (например, марсианские пылевые бури). Космические зонды и марсоходы также используют тепловую мощность генератора для обогрева своих приборов и внутренних компонентов.

Недостаток запасов

Длительный период полураспада (T ~ 88 лет) плутония-238 и отсутствие гамма-излучения, способного мешать работе бортовых электронных компонентов или облучать людей, делает его радионуклидом выбора для электротермогенераторов. Нептуний-237, следовательно, является ключевым радионуклидом для производства плутония-238, который необходим для глубококосмических аппаратов, требующих надежного и долговечного источника энергии без обслуживания. Запасы плутония-238, накопленные в Соединенных Штатах со времен Манхэттенского проекта благодаря ядерному комплексу в Ханфорде (действовавшему в штате Вашингтон с 1943 по 1977 год) и разработке атомного оружия, практически исчерпаны. Поэтому для возобновления производства плутония-238 необходимо извлечение и очистка достаточного количества нового нептуния-237 из облученного ядерного топлива для пополнения запасов, необходимых для исследования космоса с помощью автоматических аппаратов.

Нептун-239

Нептуний-239 содержит 146 нейтронов и имеет период полураспада 2,356 дня. Он образуется в результате β−-распада короткоживущего урана-239 и затем подвергается еще одному β−-распаду с образованием плутония-239. Это основной способ получения плутония, поскольку уран-239 может быть получен путем захвата нейтронов ядром урана-238. Уран-237 и нептуний-239 рассматриваются как основные опасные радиоизотопы в течение первых часов и недели после ядерных осадков, вызванных ядерным взрывом, причем нептуний-239 преобладает "в спектре на протяжении нескольких дней".