プルトニウムの同位体

プルトニウム（_94Pu）は、ウランによる中性子捕獲によって生じる微量を除いて人工元素であり、したがって標準原子量を与えることはできません。^{[注1 ]}すべての人工元素と同様に、安定同位体は存在しません。プルトニウムは自然界で発見される前に合成されており、最初に合成された同位体は1940年の^238Puです。22種類のプルトニウム放射性同位体が特定されています。最も安定なのは、半減期が⁸¹³⁰万年の244Pu、^半減期が37万5000年の^242Pu 、半減期が2万4110年の239Pu、半減期が6561年の^240Puです。この元素には8つのメタ状態もあり、すべて半減期が1秒未満です。

プルトニウムの既知の同位体は^{226Puから247Pu}までです。最も安定な同位体である^244Puより前の主な崩壊モードは自発核分裂とアルファ崩壊であり、それ以降の主な崩壊モードはベータ崩壊です。244Puより前の^主な崩壊生成物はウランとネプツニウムの同位体（核分裂生成物は除く）であり、それ以降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^{[ 17 ]}で、アルファ粒子を放出します。宇宙船の動力源となる放射性同位体熱電発電機用の純粋な^238Puは、ネプツニウム237へ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、 ^237Np、^242Cmのアルファ崩壊、または(n,2n)反応に由来する^238Puが数パーセント含まれている可能性があります。
• プルトニウム239の半減期は24,100年です。239Pu^と241Pu^は核分裂性です。つまり、低速熱中性子の照射によって原子核が分裂し、エネルギー、ガンマ線、そしてさらに多くの中性子を放出します。そのため、核連鎖反応を持続させることができ、核兵器や原子炉への応用につながります。239Puは、原子炉内でウラン238^に中性子を照射することによって合成され、その後、燃料の核再処理によって回収されます。さらに中性子を捕獲すると、より重い同位体が順次生成されます。
• 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量を増加させます。プルトニウムは^240Puの含有率によって、兵器級（7%未満）、燃料級（7～19%）、原子炉級（19%超）に分類されます。低級プルトニウム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は核分裂性物質ですが、ベータ崩壊によって半減期14年でアメリシウム241に変化します。
• プルトニウム242は核分裂性を持たず、増殖性も非常に低い（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小さく、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な同位体で、半減期は約8000万年です。243Pu^の半減期が短い ため、原子炉では大量には生成されませんが、核爆発では一部生成されます。244Pu^は星間空間で発見されており^{[ 18 ]}、原始的ではない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。

プルトニウム^239は、ウラン235に次いで原子炉で2番目に多く使用される核燃料であり、核兵器の核分裂部分で最も多く使用される燃料である核分裂性同位体であり、ウラン238から中性子捕獲とそれに続く2回のベータ崩壊によって生成される。

^240Pu、^241Pu、および^242Puは、さらなる中性子捕獲によって生成されます。奇数質量同位体である^239Puと^241Puは、熱中性子を捕獲した際に核分裂を起こす確率が約3/4 、中性子を保持して次の重い同位体になる確率が約1/4です。偶数質量同位体は増殖性がありますが核分裂性はなく、中性子捕獲の確率（断面積）も低いため、現在ほとんどすべての原子力発電所の設計である熱中性子炉で使用される核燃料に蓄積される傾向があります。MOX燃料で熱中性子炉で2回目に使用されたプルトニウムでは、^240Puが最も一般的な同位体である可能性さえあります。ただし、すべてのプルトニウム同位体およびその他のアクチニドは、高速中性子によって核分裂します。^240Puは中程度の熱中性子吸収断面積を持つため、熱中性子炉における^{241Puの生成量は、 239Pu}の生成量と同程度の割合になる。

^241Puの半減期は14年で、核分裂と吸収の両方において^{239Puよりもわずかに高い熱中性子断面積を持っています。原子炉で核燃料が使用されている間、 241Pu}原子核は崩壊するよりも核分裂するか中性子を捕獲する可能性がはるかに高くなります。241Pu^は、しばらく使用されている熱中性子炉燃料中の核分裂のかなりの部分を占めています。しかし、使用後すぐに再処理されずに何年も冷却される使用済み核燃料では、 ^241Puの大部分またはほとんどがベータ崩壊して、マイナーアクチニドの1つであるアメリシウム241になります。アメリシウム241は強いアルファ線放出体であり、熱中性子炉での使用が困難です。

^242Puは熱中性子捕獲断面積が特に小さく、別の核分裂性同位体（キュリウム245または^241Pu ）に変化して核分裂するには3回の中性子吸収が必要です。それでも、これら2つの核分裂性同位体のいずれかが核分裂せず、代わりに4回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のようなさらに重いアクチニドへの経路）になるか、再び^242Puにな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回よりも多くなります。したがって、^242Puは熱中性子炉でのリサイクルには特に不向きであり、直接核分裂させることができる高速炉で使用する方が適しています。しかし、^242Puの断面積が小さいということは、熱原子炉の1サイクル中に核変換される量が比較的少ないことを意味します。242Pu^の半減期は^239Puの半減期の約15倍であるため、放射能は1/15であり、核廃棄物の放射能に大きく寄与する物質ではありません。242Pu の^ガンマ線放出も他の同位体よりも弱いです。^{[ 20 ]}

^{プルトニウム243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に変化します。プルトニウム^243は崩壊前に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プルトニウム²⁴⁴が大量に生成されることはありません。

^238Puは通常、核燃料サイクルでは大量には生成されませんが、一部はネプツニウム-237から中性子捕獲によって生成されます（この反応は、精製されたネプツニウムを使用して、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^238Puを生成するためにも使用できます）。また、 ^239Puに対する高速中性子の(n,2n)反応、または^{241Am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。キュリウム-242は核分裂に対する熱中性子断面積が大きいですが、中性子を捕獲して^239Puになる可能性の方が高いです。

^240Pu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の存在は、核爆弾におけるプルトニウムの使用を制限する。なぜなら、自発核分裂からのニュートロンが連鎖反応を早期に開始し、完全な爆縮に達する前にコアを拡散させるエネルギーの早期放出を引き起こすからである。これにより、コア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。

90%以上が^{239Puで構​​成されているプルトニウムは}兵器級プルトニウムと呼ばれ、商用原子炉の使用済み核燃料から得られるプルトニウムは一般的に少なくとも20%の^{240Pu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トを使用しており、これにより爆発前の問題が軽減されます。ピットがキロトンの数分の1の核兵器出力を生成できれば、それは重水素と三重水素の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のバーストによって十分なプルトニウムが核分裂し、数十キロトンの出力が確保されます。

^{プルトニウム240}による汚染が、プルトニウム兵器が爆縮方式を採用しなければならない理由である。理論的には、純度の高いプルトニウム^239をガン型爆弾に用いることも可能だが、このレベルの純度を達成することは極めて困難である。プルトニウム^240による汚染は、諸刃の剣と言える。爆縮技術の開発が必要となったため、マンハッタン計画では遅延や困難が生じたが、同じ困難が核拡散の障壁となっている。また、爆縮爆弾はガン型爆弾に比べて本質的に効率が高く、偶発的な爆発も起こりにくい。

• 同位体質量は以下から得られます。
  • 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N UBASE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、および異性体データは、以下の情報源から選択した。
  • 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N UBASE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 3.0データベース」。ブルックヘブン国立研究所。
  • ホールデン、ノーマン E. (2004). 「11. 同位体表」。デイビッド R. ライド編『CRC 化学・物理ハンドブック（第85版）』所収。フロリダ 州ボカラトン：CRC Press。ISBN 978-0-8493-0485-9。

• Magurno, BA; Pearlstein, S. 編 (1981).核データ評価方法と手順に関する会議の議事録。BNL-NCS 51363 (PDF)。第 II 巻 。アプトン:ブルックヘブン国立研究所。2021年 3 月 8 日のオリジナルからアーカイブ(PDF) 。2014年8 月 6 日取得。
• Miner, William N.; Schonfeld, Fred W. (1968). "プルトニウム" . Clifford A. Hampel (編). 『化学元素百科事典』 . ニューヨーク (NY): Reinhold Book Corporation. pp. 540–546 . LCCN 68029938 .