プルトニウムの同素体

プルトニウムは、常圧下でもさまざまな同素体として存在します。これらの同素体は結晶構造と密度が大きく異なり、α 同素体と δ 同素体は一定圧力下で密度が 25% 以上異なります。

プルトニウムには通常6つの同素体があり、高温および限られた圧力範囲下では7番目の同素体（ゼータ、ζ）を形成します。^{[1]これらの同素体は}エネルギーレベルが非常に似ていますが、密度と結晶構造が大きく異なります。そのため、プルトニウムは温度、圧力、または化学的変化に非常に敏感で、相転移に続いて劇的な体積変化を起こします。^[2]ほとんどの物質とは異なり、プルトニウムは溶融すると密度が2.5％増加しますが、液体金属は温度とともに密度が直線的に減少します。^{[3]さまざまな同素体の密度は16.00 g/cm 3}から19.86 g/cm ³まで異なります。

プルトニウムは、これらの多くの同素体が存在するため、状態が非常に変化しやすいため、機械加工が非常に困難です。たとえば、非合金プルトニウムでは、室温でアルファ (α) 相が存在します。鋳鉄に似た機械加工特性がありますが、わずかに高い温度でベータ (β) 相に変化します。

複雑な相図の理由は完全には解明されていないが、最近の研究では相転移の正確なコンピュータモデルの構築に焦点が当てられている。α相は低対称性の単斜晶構造であるため^[4]、導電性、脆性、強度、圧縮性が低い。^[1]

デルタ（δ）相^[5]のプルトニウムは通常310℃～452℃の範囲で存在するが、少量のガリウム、アルミニウム、セリウムと合金にすると室温で安定し、加工性が向上し、兵器用途で溶接できるようになる。δ相はより典型的な金属特性を持ち、アルミニウムとほぼ同程度の強度と展性がある。核分裂兵器では、プルトニウムコアを圧縮するために使用される爆発衝撃波によって、通常のδ相プルトニウムからより密度の高いα相への転移も引き起こされ、超臨界状態の達成に大きく貢献する。^[6]プルトニウム-ガリウム合金は最も一般的なδ安定化合金である。

ガリウム、アルミニウム、アメリシウム、スカンジウム、セリウムはプルトニウムのδ相を室温で安定させることができます。シリコン、インジウム、亜鉛、ジルコニウムは急速に冷却すると準安定δ状態の形成を可能にします。ハフニウム、ホルミウム、タリウムを大量に含むと、δ相の一部を室温で保持することもできます。ネプツニウムは、高温でα相を安定させることができる唯一の元素です。チタン、ハフニウム、ジルコニウムは、急速に冷却すると室温でβ相を安定させます。^[2]