プルトニウムの同位体

プルトニウム( ₉₄ Pu) は、ウランによる中性子捕獲から生じる微量を除いて人工元素であるため、標準原子量を与えることができません。すべての人工元素と同様に、安定同位体はありません。自然界で発見されるずっと前に合成され、最初に合成された同位体は 1940 年の²³⁸ Pu です。22 種類のプルトニウム放射性同位体が特徴付けられています。最も安定しているのは、半減期が 8,080 万年の²⁴⁴ Pu 、半減期が 373,300 年の 242 Pu、^半減期が 24,110 年の^{239 Pu、および半減期が 6,560 年の240 Pu です。この元素には 8 つの}メタ状態もあり、その半減期はすべて 1 秒未満です。

プルトニウムの既知の同位体は、²²⁶ Pu から²⁴⁷ Pu の範囲です。最も安定した同位体である^{244 Pu の前の主な}崩壊モードは、自発核分裂とアルファ崩壊です。その後の主なモードはベータ放出です^。244 Puの前の主な崩壊生成物は、ウランとネプツニウムの同位体 (核分裂生成物は考慮しません)であり、その後の主な崩壊生成物はアメリシウムの同位体です。

• プルトニウム238の半減期は87.74年^[12]で、アルファ粒子を放出します。一部の宇宙船に電力を供給する放射性同位元素熱電発電機用の純粋な²³⁸ Puは、ネプツニウム237の中性子捕獲によって生成されますが、使用済み核燃料からのプルトニウムには、 ²³⁷ Np、²⁴² Cmのアルファ崩壊、または(n,2n)反応に由来する²³⁸ Puが数パーセントも含まれることがあります。
• ^{プルトニウム}239 の半減期は 24,100 年です。239 Pu と²⁴¹ Pu は核分裂性です。つまり、その原子核は低速熱中性子の衝突によって分裂し、エネルギー、ガンマ線、およびより多くの中性子を放出します。したがって、核連鎖反応を維持できるため、核兵器や原子炉に応用できます。239 Pu^は、原子炉でウラン 238に中性子を照射して合成され、その後、燃料の核再処理によって回収されます。さらに中性子が捕獲されると、より重い同位体が連続的に生成されます。
• プルトニウム 240 は自発核分裂率が高く、プルトニウムのバックグラウンド中性子放射線を増加させます。プルトニウムは²⁴⁰ Pu の割合によって、兵器級(<7%)、燃料級 (7～19%)、原子炉級(>19%) に分類されます。低級は爆弾や熱中性子炉には適していませんが、高速炉の燃料として使用できます。
• プルトニウム 241 は核分裂性ですが、半減期 14 年でベータ崩壊してアメリシウム 241になります。
• プルトニウム 242 は核分裂性ではなく、また核分裂親和性も非常に低い (核分裂性になるにはさらに 3 回の中性子捕獲が必要)。また、中性子捕獲断面積が低く、より軽い同位体よりも半減期が長い。
• プルトニウム244はプルトニウムの中で最も安定した同位体で、半減期は約8000万年です。243 Puの半減期は短いため、原子炉で大量に生成されることはありませんが、^核爆発でいくらか生成されます。244 Puは星間空間で発見^されており^[13]、非原始放射性同位体の中で2番目に長い半減期を持っています。

^{239 Pu は、}ウラン 235に次いで原子炉で2番目に多く使用されている核燃料であり、核兵器の核分裂部分で最も多く使用されている核分裂性同位体であり、中性子捕獲とそれに続く 2 回のベータ崩壊によって ウラン 238から生成されます。

²⁴⁰ Pu、²⁴¹ Pu、および²⁴² Pu は、さらなる中性子捕獲によって生成されます。奇数質量同位体²³⁹ Pu と^{241 Pu は、}熱中性子を捕獲すると約 3/4 の確率で核分裂を起こし、約 1/4 の確率で中性子を保持して次に重い同位体になります。偶数質量同位体は核分裂性はありませんが、中性子を捕獲する確率 (断面積) も低いため、熱中性子炉 (今日のほぼすべての原子力発電所の設計) で使用される核燃料に蓄積する傾向があります。MOX燃料として熱中性子炉で 2 度使用されたプルトニウムでは、²⁴⁰ Pu が最も一般的な同位体である可能性があります。ただし、すべてのプルトニウム同位体と他のアクチニドは、高速中性子によって核分裂します。²⁴⁰ Pu は中程度の熱中性子吸収断面積を持っているため、熱中性子炉における^{241 Pu の生成量は239} Pu の生成量と同じくらい大きな割合になります。

²⁴¹ Pu の半減期は 14 年で、核分裂と吸収の両方において²³⁹ Pu よりも熱中性子断面積がわずかに大きい。原子燃料が原子炉で使用されている間、²⁴¹ Pu の原子核は崩壊するよりも核分裂または中性子捕獲する可能性がはるかに高い。241 Pu は^、しばらく使用された熱中性子炉燃料の核分裂のかなりの部分を占めている。しかし、使用済み核燃料をすぐに核再処理せずに使用後何年も冷却すると、²⁴¹ Pu の多くまたはほとんどがベータ崩壊してアメリシウム 241になる。アメリシウム 241 はマイナーアクチニドの 1 つで、強いアルファ線放出体であり、熱中性子炉での使用は困難である。

²⁴² Pu は熱中性子捕獲断面積が特に低く、別の核分裂性同位体 (キュリウム-245 または²⁴¹ Pu) になって核分裂するには 3 回の中性子吸収が必要です。その場合でも、これら 2 つの核分裂性同位体のいずれかが核分裂に失敗し、代わりに 4 つ目の中性子を吸収してキュリウム -246 (自発核分裂によって中性子を放出し、取り扱いが難しいカリホルニウムなどのさらに重いアクチニドになる途中) になったり、再び²⁴² Pu になったりする可能性があります。そのため、核分裂前に吸収される中性子の平均数は 3 よりもさらに多くなります。したがって、²⁴² Pu は熱炉でのリサイクルには特に適しておらず、直接核分裂できる高速炉で使用した方がよいでしょう。しかし、²⁴² Pu の断面積が低いため、熱炉での 1 サイクルで変換される量は比較的少ない。242 ^{Puの半減期は239} Pu の半減期の約 15 倍であるため、放射能は 1/15 であり、核廃棄物の放射能 の大きな要因の 1 つではありません。242 Pu の^ガンマ線放出も他の同位体よりも弱い。^[15]

²⁴³ Pu の半減期はわずか 5 時間で、ベータ崩壊してアメリシウム 243になります。243 Pu は崩壊前に追加の中性子を捕獲する機会がほとんどないため^、核燃料サイクルでは長寿命の²⁴⁴ Pu が大量に生成されません。

²³⁸ Pu は通常、核燃料サイクルによって大量に生成されることはありませんが、中性子捕獲によってネプツニウム 237から生成されます (この反応は、放射性同位体熱電発電機で使用するために、他のプルトニウム同位体が比較的少ない^{238 Pu を生成するために精製ネプツニウムでも使用できます)。また、高速中性子と239} Puの (n,2n) 反応、または²⁴¹ Amの中性子捕獲によって生成されるキュリウム 242のアルファ崩壊によっても生成されます。これは核分裂に対して大きな熱中性子断面積を持ちますが、中性子を捕獲して²³⁹ Pu になる可能性が高くなります。

²³⁹ Puの核分裂断面積は熱中性子の場合 747.9バーン、放射化断面積は 270.7 バーンです (この比率は、中性子捕獲 4 回につき核分裂 11 回に相当します)。ウラン燃料を長期間使用すると、高プルトニウム同位体が生成されます。高燃焼度の使用済み燃料の場合、高プルトニウム同位体の濃度は、兵器級プルトニウムを得るために再処理される低燃焼度燃料よりも高くなります。

²³⁹ Pu は、核兵器の製造や一部の原子炉のエネルギー源として使用される 3 つの核分裂性物質の 1 つです。他の核分裂性物質はウラン 235とウラン 233です。239 Pu は、自然界には実質的に存在しません。^ウラン238に中性子を照射することで生成されます。ウラン 238 はほとんどの原子炉燃料に大量に含まれているため、これらの原子炉では²³⁹ Pu が継続的に生成されます。239 Pu 自体が中性子によって分裂してエネルギーを放出できるため^、 239 ^Puは原子炉でのエネルギー生成の一部を提供します。

通常の原子炉から出るプルトニウムには、微量の²³⁸ Pu が含まれています。しかし、同位体分離は、他の方法に比べてかなりコストがかかります。235 U が中性子を捕獲すると、236 U の励起状態に変換されます。^励起された 236 U 原子核の一部は^核分裂を起こしますが、一部はガンマ線を放出して 236 U の基底状態に崩壊します。さらに中性子が捕獲されると 237 U が生成され^、半減^期が7 日で²³⁷ Np に崩壊します。ほぼすべてのネプツニウムはこのように生成されるか、急速に崩壊する同位体で構成されているため、ほぼ純粋な²³⁷ Np が得られます。ネプツニウムを化学的に分離した後、^{237 Np は再び原子炉中性子に照射されて238} Npに変換され、半減期が 2 日で ^{238 Pu に崩壊します。}

²⁴⁰ Puは、小さいながらも重要な割合で自発核分裂を起こす（5.8 × 10 ⁻⁶ %)。^{[1] 240} Puの存在により、核爆弾におけるプルトニウムの使用が制限される。これは、自発核分裂による中性子が早期に連鎖反応を開始し、完全な爆縮に達する前にエネルギーが早期に放出されて炉心が分散するためである。これにより、炉心の大部分が連鎖反応に参加できなくなり、爆弾の威力が低下する。

約90%以上の^{239 Puからなるプルトニウムは}兵器級プルトニウムと呼ばれ、商用発電炉の使用済み核燃料からのプルトニウムは通常少なくとも20%の^{240 Puを含み、}原子炉級プルトニウムと呼ばれます。しかし、現代の核兵器は核融合ブースティングを使用しており、これにより事前爆発の問題が緩和されています。ピットが1キロトンの数分の1の核兵器の威力を生成できれば、それは重水素-三重水素核融合を開始するのに十分であり、結果として生じる中性子バーストは、数十キロトンの威力を確保するのに十分なプルトニウムを核分裂させます。

プルトニウム兵器が爆縮方式を使わなければならない理由は、240 Pu^による汚染である。理論的には、純粋な^{239 Pu を}銃型爆弾に使用できるが、このレベルの純度を達成することは非常に困難である。240 Pu^{の汚染は、良い面と悪い面の両方があることが証明されている。爆縮技術の開発が必要だったため、}マンハッタン計画中に遅延と頭痛の種をもたらしたが、同じ困難が核拡散の障壁となっている。爆縮爆弾は、銃型爆弾よりも本質的に効率的で、偶発的な爆発が起きにくい。

• 同位体質量:
  • アウディ、ジョルジュ。ベルシヨン、オリヴィエ。ジャン・ブラショー。Wapstra、Aaldert Hendrik (2003)、「核および崩壊特性の NUBASE 評価」、核物理学 A、729 : 3–128、Bibcode :2003NuPhA.729....3A、doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11。 001
• 半減期、スピン、異性体データは、以下のソースから選択されています。
  • アウディ、ジョルジュ。ベルシヨン、オリヴィエ。ジャン・ブラショー。Wapstra、Aaldert Hendrik (2003)、「核および崩壊特性の NUBASE 評価」、核物理学 A、729 : 3–128、Bibcode :2003NuPhA.729....3A、doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11。 001
  • 国立核データセンター。「NuDat 2.x データベース」。ブルックヘブン国立研究所。
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• Magurno, BA; Pearlstein, S., eds. (1981). Proceedings of the conference on nuclear data evaluation methods and procedure. BNL-NCS 51363 (PDF) . Vol. II. Upton: Brookhaven National Laboratory . 2021年3月8日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2014年8月6日閲覧。
• Miner, William N.; Schonfeld, Fred W. (1968)。「プルトニウム」。Clifford A. Hampel (編) 著。化学元素百科事典。ニューヨーク (NY): Reinhold Book Corporation。pp. 540–546。LCCN  68029938。