Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Искусственные нуклиды с атомным номером 94, но с разными массовыми числами
Artificial nuclides with atomic number of 94 but with different mass numbers
Плутоний (Pu) является искусственным элементом, за исключением незначительных количеств, образующихся при захвате нейтронов ураном, поэтому ему не может быть присвоен стандартный атомный вес. Как и все искусственные элементы, он не имеет стабильных изотопов. Он был синтезирован задолго до обнаружения в природе, первым синтезированным изотопом был плутоний-238 в 1940 году. Характеризовано двадцать радиоизотопов плутония. Наиболее стабильными являются плутоний-244 с периодом полураспада 80,8 миллиона лет, плутоний-242 с периодом полураспада 373 300 лет, плутоний-239 с периодом полураспада 24 110 лет и плутоний-240 с периодом полураспада 6 560 лет. Этот элемент также имеет восемь метастабильных состояний, все из которых имеют период полураспада менее одной секунды. Атомные массы изотопов плутония варьируются от 228,0387 а.е.м. (Pu) до 247,074 а.е.м. (Pu). Основными типами распада до наиболее стабильного изотопа Pu являются спонтанное деление и альфа-распад; основным типом распада после него – бета-распад. Основными продуктами распада до Pu являются изотопы урана и нептуния (без учета продуктов деления), а основными продуктами распада после – изотопы америция.
Plutonium (Pu) is an artificial element, except for trace quantities resulting from neutron capture by uranium, and thus a standard atomic weight cannot be given. Like all artificial elements, it has no stable isotopes. It was synthesized long before being found in nature, the first isotope synthesized being plutonium 238 in 1940. Twenty plutonium radioisotopes have been characterized. The most stable are plutonium 244 with a half life of 80.8 million years; plutonium 242 with a half life of 373,300 years; and plutonium 239 with a half life of 24,110 years; and plutonium 240 with a half life of 6,560 years. This element also has eight meta states; all have half lives of less than one second. Isotopes of plutonium range in atomic weight from 228.0387 u (Pu) to 247.074 u (Pu). The primary decay modes before the most stable isotope, Pu, are spontaneous fission and alpha decay; the primary mode after is beta emission. The primary decay products before Pu are isotopes of uranium and neptunium (not considering fission products), and the primary decay products after are isotopes of americium.
Известные изотопы
Плутоний-238 имеет период полураспада 87,74 года и испускает альфа-частицы. Чистый Pu для радиоизотопных термоэлектрических генераторов, используемых для питания некоторых космических аппаратов, производится путем захвата нейтронов ядром нептуния-237, но плутоний из отработавшего ядерного топлива может содержать до нескольких процентов Pu, образовавшегося из Np, в результате альфа-распада Cm или (n,2n)-реакций. Плутоний-239 имеет период полураспада 24 100 лет. Pu и Pu являются делящимися; это означает, что их ядра могут расщепляться под воздействием медленных тепловых нейтронов, высвобождая энергию, гамма-излучение и дополнительные нейтроны. Таким образом, он способен поддерживать ядерную цепную реакцию, что находит применение в ядерном оружии и ядерных реакторах. Pu синтезируется путем облучения урана-238 нейтронами в ядерном реакторе, после чего извлекается посредством ядерной переработки топлива. Последующий захват нейтронов приводит к образованию последовательно более тяжелых изотопов. Плутоний-240 имеет высокую скорость спонтанного деления, что увеличивает фоновое нейтронное излучение плутония. Плутоний классифицируется по содержанию Pu: оружейный (<7%), топливный (7–19%) и реакторный (>19%). Сорта более низкого качества менее пригодны для создания бомб и тепловых реакторов, но могут использоваться в быстрых реакторах. Плутоний-241 является делящимся, но подвергается бета-распаду с периодом полураспада 14 лет, превращаясь в америций-241. Плутоний-242 не является делящимся и обладает низкой воспроизводимостью (требует захвата еще 3 нейтронов для превращения в делящийся), а также имеет низкое сечение захвата нейтронов и более длительный период полураспада, чем у любого из более легких изотопов. Плутоний-244 – наиболее стабильный изотоп плутония, с периодом полураспада около 80 миллионов лет. Он не образуется в значительных количествах в ядерных реакторах из-за короткого периода полураспада Pu, однако некоторое количество образуется при ядерных взрывах. Pu был обнаружен в межзвездном пространстве и имеет второй по величине период полураспада среди всех непервичных радиоизотопов.
Plutonium 238 has a half life of 87.74 years and emits alpha particles. Pure Pu for radioisotope thermoelectric generators that power some spacecraft is produced by neutron capture on neptunium 237 but plutonium from spent nuclear fuel can contain as much as a few percent Pu, originating from Np, alpha decay of Cm, or (n,2n) reactions. Plutonium 239 has half life 24,100 years. Pu and Pu are fissile; meaning their nuclei can split by being bombarded by slow thermal neutrons, releasing energy, gamma radiation and more neutrons. It can therefore sustain a nuclear chain reaction, leading to applications in nuclear weapons and nuclear reactors. Pu is synthesized by irradiating uranium 238 with neutrons in a nuclear reactor, then recovered via nuclear reprocessing of the fuel. Further neutron capture produces successively heavier isotopes. Plutonium 240 has a high rate of spontaneous fission, raising the background neutron radiation of plutonium. Plutonium is graded by proportion of Pu: weapons grade (<7%), fuel grade (7–19%) and reactor grade (>19%). Lower grades are less suited for bombs and thermal reactors but can fuel fast reactors. Plutonium 241 is fissile, but beta decays with a half life of 14 years to americium 241. Plutonium 242 is not fissile, nor very fertile (requiring 3 more neutron captures to become fissile); and has a low neutron capture cross section, and a longer half life than any of the lighter isotopes. Plutonium 244 is the most stable isotope of plutonium, with a half life of about 80 million years. It is not significantly produced in nuclear reactors because Pu has a short half life, but some is produced in nuclear explosions. Pu has been found in interstellar space and has the second longest half life of any non primordial radioisotope.
Производство и использование
Пу, расщепляющийся изотоп, который является вторым по распространенности ядерным топливом в ядерных реакторах после урана-235 и наиболее используемым топливом в процессе деления ядерного оружия, образуется из урана-238 путем захвата нейтрона с последующими двумя бета-распадами. Пу, Пу и Пу образуются при дальнейшем захвате нейтронов. Изотопы с нечетной массой Pu и Pu имеют примерно 3/4 вероятности деления при захвате теплового нейтрона и примерно 1/4 вероятности удержания нейтрона и превращения в следующий более тяжелый изотоп. Изотопы с четной массой являются воспроизводимыми, но не расщепляющимися, и также имеют меньшую вероятность (поперечное сечение) захвата нейтронов; поэтому они накапливаются в ядерном топливе, используемом в тепловых реакторах – конструкции, применяемой в подавляющем большинстве современных атомных электростанций. В плутонии, который используется повторно в тепловых реакторах в топливе MOX, Pu может быть даже наиболее распространенным изотопом. Однако все изотопы плутония и другие актиниды делятся под воздействием быстрых нейтронов. Pu обладает умеренным поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов, в результате чего производство Pu в тепловом реакторе может достигать сопоставимого с производством Pu уровня. Пу имеет период полураспада 14 лет и немного более высокие поперечные сечения для тепловых нейтронов, чем у Pu, как для деления, так и для поглощения. Пока ядерное топливо находится в реакторе, ядро Pu гораздо вероятнее расщепится или захватит нейтрон, чем подвергнется распаду. На долю Pu приходится значительная часть делений в топливе для тепловых реакторов, которое использовалось в течение некоторого времени. Однако в отработавшем ядерном топливе, которое не подвергается быстрой переработке, а охлаждается в течение многих лет после использования, большая часть Pu распадается бета-распадом до америция-241 – одного из минорных актинидов, сильного альфа-излучателя, который сложно использовать в тепловых реакторах. Пу имеет особенно низкое поперечное сечение для захвата тепловых нейтронов; для превращения в другой расщепляющийся изотоп (курий-245 или Pu) требуется поглощение трех нейтронов, после чего происходит деление. Даже в этом случае существует вероятность, что один из этих двух расщепляющихся изотопов не расщепится, а поглотит четвертый нейтрон, превратившись в курий-246 (на пути к еще более тяжелым актинидам, таким как калифорний, который является источником спонтанного деления и сложен в обращении) или снова в Pu; таким образом, среднее количество нейтронов, поглощенных до деления, еще выше 3. Следовательно, Pu особенно не подходит для переработки в тепловом реакторе и лучше использовать в быстром реакторе, где он может быть расщеплен напрямую. Однако низкое поперечное сечение Pu означает, что в течение одного цикла в тепловом реакторе будет преобразовано относительно небольшое его количество. Период полураспада Pu примерно в 15 раз больше, чем период полураспада Pu; следовательно, он в 1/15 раза менее радиоактивен и не является одним из основных источников радиоактивности ядерных отходов. Гамма-излучение Pu также слабее, чем у других изотопов. Пу имеет период полураспада всего 5 часов и распадается бета-распадом до америция-243. Поскольку у Pu мало возможностей захватить дополнительный нейтрон до распада, ядерный топливный цикл не производит долгоживущий Pu в значительном количестве. Pu обычно не образуется в ядерном топливном цикле в таких же больших количествах, но часть его образуется из нептуния-237 путем захвата нейтрона (эта реакция также может использоваться с очищенным нептунием для получения Pu, относительно свободного от других изотопов плутония, для использования в радиоизотопных термоэлектрических генераторах), в результате (n,2n)-реакции быстрых нейтронов на Pu или при альфа-распаде курия-242, который образуется при захвате нейтронов америцием. Он обладает значительным поперечным сечением для деления тепловыми нейтронами, но с большей вероятностью захватывает нейтрон и превращается в Pu.
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 и -242
Поперечное сечение деления для Pu составляет 747,9 барнов для тепловых нейтронов, в то время как поперечное сечение активации составляет 270,7 барнов (соотношение приближается к 11 делениям на каждые 4 захвата нейтронов). Более высокие изотопы плутония образуются при длительном использовании уранного топлива. Для отработавшего топлива с высокой степенью выгорания концентрация изотопов плутония будет выше, чем для топлива с низкой степенью выгорания, которое перерабатывается для получения плутония оружейного качества. + Образование 240Pu, 241Pu и 242Pu из изотопа 238U.
The fission cross section for Pu is 747.9 barns for thermal neutrons, while the activation cross section is 270.7 barns (the ratio approximates to 11 fissions for every 4 neutron captures). The higher plutonium isotopes are created when the uranium fuel is used for a long time. For high burnup used fuel, the concentrations of the higher plutonium isotopes will be higher than the low burnup fuel that is reprocessed to obtain weapons grade plutonium. + The formation of 240Pu, 241Pu, and 242Pu from 238U Isotope Thermal neutroncross section(barns) DecayMode Half life Capture Fission 238U 2.683 0.000 α 4.468 x 109 years 239U 20.57 14.11 β− 23.45 minutes 239Np 77.03 – β− 2.356 days 239Pu 270.7 747.9 α 24,110 years 240Pu 287.5 0.064 α 6,561 years 241Pu 363.0 1012 β− 14.325 years 242Pu 19.16 0.001 α 373,300 years
| Изотоп | Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (барн) | Поперечное сечение деления (барн) | Тип распада | Период полураспада |
|---|---|---|---|---|
| 238U | 2,683 | 0,000 | α | 4,468 x 109 лет |
| 239U | 20,57 | 14,11 | β− | 23,45 минут |
| 239Np | 77,03 | – | β− | 2,356 дня |
| 239Pu | 270,7 | 747,9 | α | 24 110 лет |
| 240Pu | 287,5 | 0,064 | α | 6 561 год |
| 241Pu | 363,0 | 1012 | β− | 14,325 лет |
| 242Pu | 19,16 | 0,001 | α | 373 300 лет |
The fission cross section for Pu is 747.9 barns for thermal neutrons, while the activation cross section is 270.7 barns (the ratio approximates to 11 fissions for every 4 neutron captures). The higher plutonium isotopes are created when the uranium fuel is used for a long time. For high burnup used fuel, the concentrations of the higher plutonium isotopes will be higher than the low burnup fuel that is reprocessed to obtain weapons grade plutonium. + The formation of 240Pu, 241Pu, and 242Pu from 238U Isotope Thermal neutroncross section(barns) DecayMode Half life Capture Fission 238U 2.683 0.000 α 4.468 x 109 years 239U 20.57 14.11 β− 23.45 minutes 239Np 77.03 – β− 2.356 days 239Pu 270.7 747.9 α 24,110 years 240Pu 287.5 0.064 α 6,561 years 241Pu 363.0 1012 β− 14.325 years 242Pu 19.16 0.001 α 373,300 years
Плутоний-239
Плутоний-239 – один из трех делящихся материалов, используемых для производства ядерного оружия и в некоторых ядерных реакторах в качестве источника энергии. Другими делящимися материалами являются уран-235 и уран-233. Pu практически отсутствует в природе. Он образуется в результате облучения урана-238 нейтронами. Уран-238 содержится в значительном количестве в большинстве видов ядерного топлива, следовательно, Pu непрерывно образуется в этих реакторах. Поскольку Pu сам может делиться под воздействием нейтронов с выделением энергии, он обеспечивает часть выработки энергии в ядерном реакторе. + Образование Pu из U
Plutonium 239 is one of the three fissile materials used for the production of nuclear weapons and in some nuclear reactors as a source of energy. The other fissile materials are uranium 235 and uranium 233. Pu is virtually nonexistent in nature. It is made by bombarding uranium 238 with neutrons. Uranium 238 is present in quantity in most reactor fuel; hence Pu is continuously made in these reactors. Since Pu can itself be split by neutrons to release energy, Pu provides a portion of the energy generation in a nuclear reactor. + The formation of Pu from U Element Isotope Thermal neutron capturecross section (barn) Thermal neutron fission Cross section (barn) decay mode Half life U 238 2.68 5·10 α 4.47 x 10 years U 239 22 15 β 23 minutes Np 239 30 1 β 2.36 days Pu 239 271 750 α 24,110 years
| Элемент | Изотоп | Сечение захвата тепловых нейтронов (барн) | Сечение деления тепловыми нейтронами (барн) | Режим распада | Период полураспада |
|---|---|---|---|---|---|
| U | 238 | 2,68 | 5·10 | α | 4,47 x 10 лет |
| U | 239 | 22 | 15 | β | 23 минуты |
| Np | 239 | 30 | 1 | β | 2,36 дня |
| Pu | 239 | 271 | 750 | α | 24 110 лет |
Plutonium 239 is one of the three fissile materials used for the production of nuclear weapons and in some nuclear reactors as a source of energy. The other fissile materials are uranium 235 and uranium 233. Pu is virtually nonexistent in nature. It is made by bombarding uranium 238 with neutrons. Uranium 238 is present in quantity in most reactor fuel; hence Pu is continuously made in these reactors. Since Pu can itself be split by neutrons to release energy, Pu provides a portion of the energy generation in a nuclear reactor. + The formation of Pu from U Element Isotope Thermal neutron capturecross section (barn) Thermal neutron fission Cross section (barn) decay mode Half life U 238 2.68 5·10 α 4.47 x 10 years U 239 22 15 β 23 minutes Np 239 30 1 β 2.36 days Pu 239 271 750 α 24,110 years
Плутоний-238
В плутонии из обычных реакторов содержится небольшое количество Pu. Однако изотопное разделение будет довольно дорогим по сравнению с другим методом: когда U захватывает нейтрон, он переходит в возбужденное состояние U. Некоторые из возбужденных ядер U подвергаются делению, но другие распадаются в основное состояние U, испуская гамма-излучение. Последующий захват нейтрона образует U; который, с периодом полураспада 7 дней, распадается до Np. Поскольку почти весь нептуний производится таким образом или состоит из быстро распадающихся изотопов, получается почти чистый Np. После химического разделения нептуния Np снова облучается нейтронами реактора для превращения в Np, который распадается до Pu с периодом полураспада 2 дня. + Образование Pu из U
There are small amounts of Pu in the plutonium from usual reactors. However, isotopic separation would be quite expensive compared to another method: when U captures a neutron, it is converted to an excited state of U. Some of the excited U nuclei undergo fission, but some decay to the ground state of U by emitting gamma radiation. Further neutron capture creates U; which, with a half life of 7 days, decays to Np. Since nearly all neptunium is produced in this way or consists of isotopes that decay quickly, one gets nearly pure Np. After chemical separation of neptunium, Np is again irradiated by reactor neutrons to be converted to Np, which decays to Pu with a half life of 2 days. + The formation of Pu from U Element Isotope Thermal neutroncross section decay mode Half life U 235 99 α 703,800,000 years U 236 5.3 α 23,420,000 years U 237 — β 6.75 days Np 237 165 (capture) α 2,144,000 years Np 238 — β 2.11 days Pu 238 — α 87.7 years
Элемент | Изотоп | Сечение захвата тепловых нейтронов | Тип распада | Период полураспада
------- | -------- | -------------------------------- | ----------- | -----------------
U | 235 | 99 | α | 703 800 000 лет
U | 236 | 5,3 | α | 23 420 000 лет
U | 237 | — | β | 6,75 дней
Np | 237 | 165 (захват) | α | 2 144 000 лет
Np | 238 | — | β | 2,11 дня
Pu | 238 | — | α | 87,7 лет
There are small amounts of Pu in the plutonium from usual reactors. However, isotopic separation would be quite expensive compared to another method: when U captures a neutron, it is converted to an excited state of U. Some of the excited U nuclei undergo fission, but some decay to the ground state of U by emitting gamma radiation. Further neutron capture creates U; which, with a half life of 7 days, decays to Np. Since nearly all neptunium is produced in this way or consists of isotopes that decay quickly, one gets nearly pure Np. After chemical separation of neptunium, Np is again irradiated by reactor neutrons to be converted to Np, which decays to Pu with a half life of 2 days. + The formation of Pu from U Element Isotope Thermal neutroncross section decay mode Half life U 235 99 α 703,800,000 years U 236 5.3 α 23,420,000 years U 237 — β 6.75 days Np 237 165 (capture) α 2,144,000 years Np 238 — β 2.11 days Pu 238 — α 87.7 years
Плутоний-240 как препятствие для ядерного оружия
Плутоний-240 подвергается спонтанному делению с небольшой, но значительной вероятностью (5,8%). Наличие Pu-240 ограничивает использование плутония в ядерном оружии, поскольку нейтрон, возникающий при спонтанном делении, запускает цепную реакцию преждевременно, вызывая преждевременный выброс энергии, который рассеивает активную часть до достижения полной имплозии. Это препятствует участию большей части активной части в цепной реакции и снижает мощность взрыва. Плутоний, содержащий более 90% Pu-239, называется плутонием оружейного качества; плутоний, полученный из отработавшего ядерного топлива коммерческих атомных электростанций, обычно содержит не менее 20% Pu-240 и называется реакторным плутонием. Однако современное ядерное оружие использует термоядерное усиление, которое смягчает проблему преддетонации; если активная часть способна генерировать ядерный взрыв даже в доли килотонны, чего достаточно для начала термоядерной реакции дейтерия и трития, то результирующий поток нейтронов вызовет деление достаточного количества плутония для обеспечения мощности взрыва в десятки килотонн. Загрязнение Pu-240 является причиной, по которой в плутониевом оружии необходимо использовать имплозивную схему. Теоретически, чистый Pu-239 можно использовать в оружии пушечного типа, но достижение такой степени чистоты крайне затруднительно. Загрязнение плутонием-240 оказалось палкой о двух концах. С одной стороны, оно создавало задержки и трудности в рамках Манхэттенского проекта из-за необходимости разработки технологии имплозии, но эти же трудности служат препятствием для распространения ядерного оружия. Имплозивные бомбы также по своей природе более эффективны и менее подвержены случайной детонации, чем пушечные типы.
Plutonium 240 undergoes spontaneous fission at a small but significant rate (5.8%). The presence of Pu limits the plutonium's use in a nuclear bomb, because a neutron from spontaneous fission starts the chain reaction prematurely, causing an early release of energy that disperses the core before full implosion is reached. This prevents most of the core from participation in the chain reaction and reduces the bomb's yield. Plutonium consisting of more than about 90% Pu is called weapons grade plutonium; plutonium from spent nuclear fuel from commercial power reactors generally contains at least 20% Pu and is called reactor grade plutonium. However, modern nuclear weapons use fusion boosting, which mitigates the predetonation problem; if the pit can generate a nuclear weapon yield of even a fraction of a kiloton, which is enough to start deuterium–tritium fusion, the resulting burst of neutrons will fission enough plutonium to ensure a yield of tens of kilotons. Contamination due to Pu is the reason plutonium weapons must use the implosion method. Theoretically, pure Pu could be used in a gun type bomb, but achieving this level of purity is prohibitively difficult. Plutonium 240 contamination has proven a mixed blessing. While it created delays and headaches during the Manhattan Project because of the need to develop implosion technology, those same difficulties are a barrier to nuclear proliferation. Implosion bombs are also inherently more efficient and less prone to accidental detonation than are gun type bombs.