プルトニウム240

プルトニウム240（²⁴⁰プルトニウム(Pu )またはPu-240は、プルトニウム239が核分裂を起こさずに中性子を捕獲したときに生成されるプルトニウムの同位体です。その自発核分裂の検出により、 1944年にロスアラモスで発見され、マンハッタン計画に重要な影響を与えました。 ^{[ 4 ]}

他の主要なプルトニウム同位体と同様に、通常の崩壊ではより安定なウラン同位体（^236U）が生成され、人間の時間スケールではそれ以上の崩壊系列は事実上存在しない。地質学的時間スケールでは、トリウム系列に倣うことになる。

^240Puは、二次崩壊モードとして、小さいながらも重要な割合で自発核分裂を起こします。240Puの存在は、核爆弾におけるプルトニウムの使用を制限します。なぜなら、自発核分裂による中性子束が連鎖反応を早期に開始させ、完全な爆縮に達する前にエネルギーを早期に放出し、物理的に炉心を拡散させてしまうからです（「フィズル」）。^{[ 5 ] [ 6 ]}

^239Puが中性子を捕獲した場合、約62%から73%の確率で核分裂を起こし、残りの確率で^{240Puを生成します。}原子炉内に核燃料が長く留まるほど、燃料中の^240Puの割合は高くなります。

同位体^240Puは、239Pu ⁽289.5 ± 1.4対269.3 ± 2.9バーン）、^{[ 7 ] [ 8 ]}だが、熱中性子核分裂断面積はごくわずか (0.064 バーン) である。同位体²⁴⁰ Pu が中性子を捕獲すると、核分裂するよりもプルトニウム 241になる可能性が約 4500 倍高い。一般に、奇数質量数の同位体は中性子を吸収しやすく、中性子吸収時に偶数質量数の同位体よりも容易に核分裂を起こすことができる。したがって、偶数質量数の同位体は、特に熱原子炉では蓄積する傾向がある。

プルトニウムをベースとした核弾頭のコアには必然的に^240Puがいくらか含まれるため、その設計が複雑になり、純粋な^239Puが最適と考えられている。^{[ 9 ]}これにはいくつかの理由がある。

• ^240Puは自発核分裂率が高い。炉心が超臨界状態にあるときに迷走中性子が1つでも混入すると、炉心が最適な形状に圧縮される前であっても、ほぼ瞬時に爆発する。したがって、^240Puの存在はランダムに不完全核分裂を引き起こし、爆発収量は潜在収量よりもはるかに低くなる。^{[ 9 ] [ 6 ]}
• ^239Pu以外の同位体は、はるかに多くの放射線を放出するため、作業員による取り扱いが複雑になる。^{[ 9 ]}
• ^239Pu以外の同位体はより多くの崩壊熱を発生させ、それが蓄積されると精密炉心の相変化による歪みを引き起こす可能性がある。^{[ 9 ]}

第二次世界大戦中、マンハッタン計画の科学者たちは自発核分裂の問題を徹底的に研究した。^{[ 10 ]}この問題により、核分裂性物質を最適な超臨界質量構成に組み立てるのに最大ミリ秒かかるガン型核兵器でのプルトニウムの使用が妨げられ、組み立てが数マイクロ秒で起こる爆縮型兵器の開発が必要となった。 ^{[ 11 ]}この設計でも、トリニティ実験に先立って、^240Pu不純物によって爆発が最大出力に達しない確率が12%になると推定されていた。^{[ 9 ]}

²⁴⁰の量を最小化する兵器級プルトニウム（^²⁴⁰ Puが7%未満）は、使用後わずか90日で燃料を再処理することで得られます。このような急速な燃料サイクルは民生用原子炉では非常に非現実的であり、通常は専用の兵器級プルトニウム生産原子炉でのみ実施されます。使用済み民生用原子炉燃料から得られるプルトニウムは、通常、^{²³⁹ Puが70%未満、²⁴⁰} Puが約26%です。プルトニウムは、他のプルトニウム同位体（短寿命の238と241は、取り扱い、保管、崩壊熱に関して問題がある）で構成されているため、核兵器の製造に使用しにくくなっている。^{[ 5 ] [ 9 ] [ 12 ] [ 13 ]しかし、1940年代以降に導入された核兵器設計については、 240}がどの程度核兵器の製造に使用できるかについて、かなりの議論がなされてきた。プルトニウムは兵器製造の障壁となる。詳しくは「原子炉級プルトニウム」の記事を参照のこと。

• 燃焼
• 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