プルトニウム239

プルトニウム239（²³⁹プルトニウム239 （PuまたはPu-239）はプルトニウムの同位体 です。プルトニウム239は核兵器の製造に使用される主要な核分裂性同位体ですが、ウラン235もその目的で使用されます。プルトニウム239は、ウラン235およびウラン233とともに、熱スペクトル原子炉の燃料として使用できることが実証されている3つの同位体の1つでもあります。プルトニウム239の半減期は24,110年です。 ^{[ 4 ]}

プルトニウム239は臨界質量が小さいこと、また高濃縮兵器級ウラン235よりも安価に大量のほぼ純粋な^239Puを生産できることから、核兵器や原子力発電所での使用につながった。原子炉内でウラン235（存在比0.720%）原子が核分裂すると2～3個の中性子が発生し、これらの中性子はウラン238（存在比99.3%）に吸収されてプルトニウム239やその他の同位体を生成する。プルトニウム239も原子炉内でウラン235とともに中性子を吸収して核分裂を起こす。

一般的な核燃料の中で、^239Puは臨界質量が最も小さい。タンパー処理されていない球状の臨界質量は約11kg  （24.2 ポンド）で、直径は10.2cm （4インチ）である。 ^{[ 5 ]} 適切な起爆装置、中性子反射体、爆縮形状、タンパーを使用すれば、臨界質量はその半分以下にすることができる。

^239Pu原子1個の核分裂により、 207.1 MeV = 3.318 × 10 ⁻¹¹ J、すなわち19.98 TJ/ mol = 83.61 TJ/kg ^{[ 6 ]} 、または約23ギガワット時/kgのエネルギーが発生します。

プルトニウムは、最も豊富なウラン同位体であるウラン238から作られます。239Pu^{は通常、原子炉内で燃料棒に含まれる個々の238U}原子の核変換によって生成されます。238U原子が中性子放射線にさらされると^、原子核が中性子を捕獲し、 239Uに変化することが^あります。これは、運動エネルギーが低いほど頻繁に起こります（^238Uの核分裂活性化エネルギーは6.6 MeVであるため）。^{[ 7 ]} 239U^はその後、急速に2つの^β−崩壊（電子と反ニュートリノの放出）を起こします（${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$) 原子核内に陽子を残して、最初の β ⁻崩壊で^{239 U が239} Npに、2 番目の β ⁻崩壊で^{239 Np が239} Puに変化する: ^{[ 8 ] [ 9 ]}

${\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->[\beta^-][23.5\ {\ce {min}}] {}^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.356\ {\ce {d}}] {}^{239}_{94}プ}}}$

この反応は比較的遅いため、かなりの量の曝露後でも、^239Puは依然として大量の^238U（およびおそらく他のウラン同位体）、酸素、元の物質の他の成分、および核分裂生成物と混ざったままです。燃料が原子炉内で数日間曝露された場合にのみ、^{239Puを他の物質から}化学的に分離して高純度の^239Pu金属を得ることができます。

^239Puは235Uよりも核分裂の確率が高く、核分裂イベントごとに生成される中性子の数も多いため、臨界質量が小さい。^{[ 10 ]}純粋な^239Puは自発核分裂による中性子放出率も比較的低く（10核分裂/秒・kg）、爆発連鎖反応が始まる前に超臨界質量を組み立てることが可能である。

しかし実際には、原子炉で生成されるプルトニウムには、生成過程で^239Puが追加の中性子を吸収する傾向があるため、必ず一定量の^240Puが含まれる。240Pu^は自発核分裂の発生率が高く（415,000核分裂/秒・kg）、望ましくない不純物である。そのため、^240Puを相当量含むプルトニウムは核兵器への使用には適さない。中性子を放出するため取り扱いが難しくなり、また、240Puの存在は「フィズル」と呼ばれる現象を引き起こす可能性がある。これは、小さな爆発が起こり、兵器は破壊されるものの、燃料の大部分が核分裂しないというものである。このような制約があるため、プルトニウム兵器はガン型ではなく、インプロージョン型でなければならない。さらに、^239Puと^240Puは化学的に区別できないため、分離するには高価で困難な同位体分離が必要となる。兵器級プルトニウムは、 ^240Puを7%以下含有するものと定義されています。これは、^238Uを中性子源に短時間だけ曝露することで、生成される^240Puを最小限に抑えることによって達成されます（これにより、短寿命同位体である^238Puと^241Pu、および後者の崩壊による^{241Amも減少するという重要な効果も得られます）。}

プルトニウムは、含有する汚染物質であるプルトニウム240の割合に基づいて分類される。

• 超高品位2～3％
• 武器等級3～7％
• 燃料グレード7～18％
• 原子炉グレード18%以上

兵器用のプルトニウムを製造する原子炉は、一般的にウラン^238を中性子に照射し、照射済みのウラン^238を新しいウラン²³⁸と頻繁に交換する手段を備えている。非濃縮ウランまたは中濃縮ウランで稼働する原子炉には、大量のウラン²³⁸が含まれている。しかし、ほとんどの商用原子力発電用原子炉の設計では、燃料要素を交換するために原子炉全体を数週間停止する必要がある。そのため、これらの原子炉は兵器製造に適さない同位体の混合物としてプルトニウムを生成する。このような原子炉には、ウラン^238の塊を炉心付近に配置して頻繁に交換できる装置を追加することも、頻繁に停止させることもできるため、核拡散が懸念される。このため、国際原子力機関は認可された原子炉を頻繁に検査している。商用の動力炉設計の中には、RBMK（大気圧型原子炉）やPHWR（加圧重水炉）のように、停止せずに燃料交換が可能なものもあり、核拡散のリスクがある。対照的に、カナダのCANDU重水減速天然ウラン燃料炉も運転中に燃料交換が可能であるが、通常は生成した^{239Puのほとんどを}その場で消費するため、 ほとんどの原子炉よりも本質的に核拡散リスクが低いだけでなく、「アクチニド焼却炉」として運転することもできる。^{[ 11 ]}アメリカのIFR（一体型高速炉）も焼却モードで運転することができ、高速炉以外では容易に燃焼できないプルトニウム242同位体や長寿命アクチニドを蓄積しないという利点がある。また、IFR燃料は可燃性同位体の割合が高いのに対し、CANDUでは燃料を希釈するために不活性物質が必要となるため、IFRは再処理が必要になる前に燃料のより多くの割合を燃焼させることができる。プルトニウムの大部分は、研究炉またはプルトニウム生産炉（増殖炉と呼ばれる）で生産される。増殖炉は、燃料消費量よりも多くのプルトニウムを生産するためである。原理的には、このような原子炉は天然ウランを極めて効率的に利用する。実際には、その建設と運転は非常に困難であるため、一般的にはプルトニウム生産のみに使用される。増殖炉は一般的に（常にではないが）高速炉である。これは、高速中性子の方がプルトニウム生産においてやや効率的であるためである。

プルトニウム239は、臨界量を確保しやすいことから、ウラン235よりも核兵器に頻繁に使用されています。ウラン濃縮、すなわちウラン^{235とウラン238}の比率を兵器級まで高めるプロセスは、一般的にウラン²³⁸からプルトニウム239を製造し、その後化学的に分離するプロセスよりも時間とコストがかかります。

^238Uを含む稼働中の原子炉では、核燃料中にプルトニウム239が蓄積されます。^{[ 12 ]}兵器級プルトニウムの製造に使用される原子炉とは異なり、商用原子力発電炉は通常、高燃焼度で運転されるため、照射された原子炉燃料中にかなりの量のプルトニウムが蓄積されます。プルトニウム239は、運転中の原子炉炉心と、燃料集合体の耐用年数（通常は数年）の終わりに原子炉から取り出された使用済み核燃料の両方に存在します。使用済み核燃料には、一般的に約0.8%のプルトニウム239が含まれています。

原子炉燃料中に存在するプルトニウム239は、ウラン235と同様に中性子を吸収して核分裂を起こすことができる。プルトニウム239は運転中に原子炉炉心で常に生成されるため、使用済み燃料の再処理なしにプルトニウム239を原子力発電所の核燃料として使用できる。プルトニウム239は、生成されたのと同じ燃料棒内で核分裂を起こす。プルトニウム239の核分裂は、一般的な商用原子力発電所で生成される総エネルギーの3分の1以上を提供する。^{[ 13 ]}プルトニウム239の一部が核分裂によって常に「燃焼」されていなければ、原子炉燃料は使用期間中に0.8%をはるかに超えるプルトニウム239を蓄積するだろう。

少量のプルトニウム239を意図的に新しい核燃料に添加することができる。このような燃料は、二酸化ウラン（UO₂）と二酸化プルトニウム（PuO₂）の混合物であることから、_MOX（_混合酸化物）燃料と呼ばれる。プルトニウム239を添加することで、燃料中のウラン濃縮の必要性を低減できる。

プルトニウム239はアルファ粒子を放出してウラン235になります。アルファ放出体であるプルトニウム239は、外部放射線源としては特に危険ではありませんが、粉塵として吸入すると非常に危険で発がん性があります。プルトニウム酸化物ナノ粒子として吸入された1ポンド（454グラム）のプルトニウムは、肺に入り込んで留まるサイズであるため、200万人に癌を引き起こす可能性があると推定されています。^{[ 14 ]}しかし、この推定は、批判されている線量線形無閾値モデルに基づいています。^{[ 15 ]}

経口摂取されたプルトニウムは、消化管から吸収される量がごくわずかであるため、はるかに危険性が低い。 ^{[ 16 ] [ 17 ]} 800  mg では、放射線に関して重大な健康リスクを引き起こす可能性は低い。^{[ 14 ]}重金属であるプルトニウムは、化学的にも毒性がある。

• プルトニウムの同位体

• 米国国立医学図書館（NLM）有害物質データベース – プルトニウム、放射性物質
• Kaye and Laby Onlineに掲載されている^239Puデータを含む核種一覧表
• プルトニウム239の半減期（ 2011年8月15日にWayback Machineにアーカイブ済み）