プルトニウム239

プルトニウム239、 ²³⁹プ

核分裂が検出された最初のプルトニウムサンプルは、上の写真にあるプルトニウム 239 のサンプルでした。
一般的な
シンボル	239プウ
名前	プルトニウム239、239Pu、Pu-239
陽子 ( Z )	94
中性子 ( N )	145
核種データ
半減期 （t 1/2）	24 110 年
同位体質量	239.0521634日
スピン	+ 1 ⁄ 2
親同位体	243 Cm  ( α ) 239 Am  ( EC ) 239 Np  ( β − )
崩壊生成物	235う
減衰モード
減衰モード	崩壊エネルギー( MeV )
アルファ崩壊	5.156
プルトニウムの同位体 核種の完全な表

プルトニウム239（²³⁹
プ
プルトニウム239 （Pu-239）はプルトニウムの同位体である。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あるが、ウラン235もその目的に使用される。プルトニウム239は、ウラン235とウラン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つの主要な同位体の1つでもある。プルトニウム239の半減期は24,110年である。^[1]

プルトニウム 239 の核特性と、高濃縮兵器級ウラン 235よりも安価に、ほぼ純粋な²³⁹ Pu を大量に生産できることから、プルトニウムは核兵器や原子力発電所で使用されています。原子力発電所の原子炉内でウラン 235 の原子が核分裂すると2 ～ 3 個の中性子が生成され、これらの中性子はウラン 238 に吸収されてプルトニウム 239 やその他の同位体を生成します。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します。

一般的な核燃料の中で、^{239 Pu の}臨界質量は最も小さい。球形の未加工の臨界質量は約 11 kg (24.2 ポンド)、^[2]直径は 10.2 cm (4 インチ) である。適切なトリガー、中性子反射体、爆縮ジオメトリ、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。

²³⁹ Puの原子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、^[3]または約23ギガワット時/kgが発生します。

^{プルトニウム}はウラン 238から作られる。239 Pu は通常、原子炉内で燃料棒に含まれるウランの同位体の 1 つの個々の原子の転換によって生成される。時折、 ^{238 U の原子が}中性子放射線にさらされると、その原子核が中性子を捕獲し、 ²³⁹ Uに変化する。これは、運動エネルギーが低いほど頻繁に起こる ( ²³⁸ U の核分裂活性化は 6.6MeV であるため)。その後、^{239 U は急速に 2 つの}β ⁻崩壊(電子と反ニュートリノ( )の放出) を起こし、原子核に陽子が残る。最初の β ⁻崩壊で^{239 U は}ネプツニウム 239に変化し、2 番目の β ⁻崩壊で^{239 Np は239} Puに変化する。 ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

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

核分裂活動は比較的まれであるため、相当の曝露を受けた後でも、²³⁹ Pu は大量の²³⁸ U (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、²³⁹ Pu を残りの物質から化学的に分離して、高純度の²³⁹ Pu 金属を得ることができます。

^{239 Pu は235} U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が多いため、臨界質量は小さくなります。純粋な^{239 Pu は、}自発核分裂による中性子放出率もかなり低いため(10 核分裂/s·kg)、爆発連鎖反応が始まる前に超臨界性の高い質量を組み立てることが可能です。

しかし、実際には、原子炉で生成されたプルトニウムには、²³⁹ Pu が生成中に追加の中性子を吸収する傾向があるため、一定量の²⁴⁰ Puが必ず含まれます。240 Pu^は自発核分裂率が高く (415,000 核分裂/s-kg)、望ましくない汚染物質となります。その結果、²⁴⁰ Pu をかなり多く含むプルトニウムは、核兵器に使用するには適していません。中性子放射線を放出するため、取り扱いが難しくなり、その存在により「不発弾」が発生し、小さな爆発が発生して兵器は破壊されますが、燃料の大部分は核分裂しません。この制限があるため、プルトニウムベースの兵器は、銃型ではなく爆縮型でなければなりません。さらに、²³⁹ Pu と²⁴⁰ Pu は化学的に区別できないため、それらを分離するには高価で困難な同位体分離が必要になります。兵器級プルトニウムは、 ²⁴⁰ Pu の含有量が 7% 以下であると定義されています。これは、生成される^{240 Pu を最小限に抑えるために、 238} U を中性子源に短時間だけさらすことで実現されます。

プルトニウムは、含まれる汚染物質プルトニウム 240 の割合に応じて分類されます。

• スーパーグレード2～3%
• 武器グレード3～7%
• 燃料グレード7～18%
• 原子炉等級18%以上

したがって、兵器用のプルトニウムを製造するために使用される原子炉は、通常、²³⁸ U を中性子線にさらし、照射された²³⁸ U を新しい²³⁸ U と頻繁に交換する手段を備えています。非濃縮ウランまたは中濃縮ウランで稼働している原子炉には、大量の²³⁸ U が含まれています。ただし、ほとんどの商用原子力発電原子炉の設計では、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ります。そのため、兵器の製造には適さない同位体の混合物でプルトニウムが生成されます。このような原子炉には、 ²³⁸ U スラグを炉心の近くに置いて頻繁に交換できる機械を追加することも、頻繁に停止することもできるため、核拡散が懸念されます。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ます。ボリショイ・モシュチ・カナルニイ（RBMK）や加圧重水炉（PHWR）などのいくつかの商用発電用原子炉の設計では、停止せずに燃料交換が可能であり、核拡散のリスクがある可能性がある。対照的に、カナダのCANDU重水減速天然ウラン燃料原子炉も運転中に燃料交換が可能であるが、通常は生成する^{239 Puのほとんどを}その場で消費する。 したがって、ほとんどの原子炉よりも本質的に核拡散性が低いだけでなく、「アクチニド焼却炉」としても運転することができる。^[4]アメリカのIFR （Integral Fast Reactor）も焼却モードで運転することができ、高速炉以外では簡単に燃やすことが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 燃料には燃焼可能な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である。つまり、IFR では再処理が必要になる前に燃料のより高い割合を燃焼できる。プルトニウムのほとんどは研究用原子炉またはプルトニウム製造原子炉(増殖炉と呼ばれる) で製造される。これは、消費する燃料よりも多くのプルトニウムを製造するためである。原理上、このような原子炉は天然ウランを極めて効率的に使用する。実際には、その建設と運転は非常に難しいため、通常はプルトニウムの製造にのみ使用される。増殖炉は一般に (常にというわけではないが)高速炉であり、これは高速中性子の方がプルトニウム製造にいくらか効率的であるためである。

プルトニウム 239 は、臨界質量の量で入手しやすいため、ウラン 235 よりも頻繁に核兵器に使用されています。プルトニウム 239 とウラン 235 はどちらも天然ウランから得られます。天然ウランは主にウラン 238 で構成されていますが、ウラン 235 などの他のウラン同位体の痕跡も含まれています。ウランを濃縮するプロセス、つまり²³⁵ U と²³⁸ Uの比率を兵器級に高めるプロセスは、通常、 ²³⁸ Uからプルトニウム 239 を生成してその後再処理するプロセスよりも時間がかかり、コストもかかります。

放射能の少ない「スーパーグレード」核分裂燃料は、空軍のバージョンで使用されている従来のプルトニウムの代わりに、米国海軍の核兵器の初期段階で使用されています。「スーパーグレード」とは、^{239 Pu の含有率が非常に高い (>95%) プルトニウム合金の業界用語で、自発核分裂同位体である240} Puの含有量が非常に少ない(上記参照) ものです。このようなプルトニウムは、MW-日/トン燃焼で測定される非常に短い時間照射された燃料棒から生成されます。照射時間が短いため、追加の中性子捕獲量が制限され、その結果、燃料棒内の²⁴⁰ Pu などの代替同位体生成物の蓄積が制限されます。また、結果として、製造コストがかなり高くなり、一定量のプルトニウムを得るためにはるかに多くの燃料棒を照射して処理する必要があります。

プルトニウム 240 は、核分裂後に中性子を放出するだけでなく、ガンマ線を放出するため、保管されている核兵器からの放射線の大部分の原因となっています。哨戒中であろうと港湾内であろうと、潜水艦の乗組員は、被曝が比較的短時間である空軍ミサイルとは異なり、魚雷室やミサイル発射管に保管されている核兵器のすぐ近くで日常的に生活し、働いています。放射線被曝を減らす必要があるため、多くの海軍の核兵器に使用されている高級スーパーグレード合金の追加コストは正当化されます。スーパーグレードプルトニウムはW80弾頭に使用されています。

²³⁸ Uを含む稼働中の原子炉では、ある程度のプルトニウム239が核燃料に蓄積されます。^[5]兵器級プルトニウムを生産するために使用される原子炉とは異なり、商業用原子力発電原子炉は通常、高燃焼度で稼働するため、照射された原子炉燃料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、稼働中の原子炉心と、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除か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通常、約0.8％のプルトニウム239が含まれています。

原子炉燃料に含まれるプルトニウム 239 は、ウラン 235 と同様に中性子を吸収して核分裂します。プルトニウム 239 は原子炉の運転中に炉心で絶えず生成されるため、使用済み燃料を再処理することなく、プルトニウム 239 を原子力発電所の核燃料として使用することができます。プルトニウム 239 は、生成された同じ燃料棒内で核分裂します。プルトニウム 239 の核分裂は、典型的な商業用原子力発電所で生成される総エネルギーの 3 分の 1 以上を供給します。^[6]プルトニウム 239 の一部が核分裂によって絶えず「燃え尽きる」ことがなければ、原子炉燃料は、その耐用年数の間に 0.8% をはるかに超えるプルトニウム 239 を蓄積することになります。

少量のプルトニウム 239 を意図的に新しい核燃料に加えることもできます。このような燃料は二酸化ウラン (UO ₂ ) と二酸化プルトニウム (PuO _{2 ) の混合物を含むため、} MOX (混合酸化物) 燃料と呼ばれます。プルトニウム 239 を加えると、燃料内のウランを濃縮する必要性が減ります。

プルトニウム239はアルファ粒子を放出してウラン235になる。アルファ線を放出するプルトニウム239は、体外放射線源としては特に危険ではないが、塵として摂取したり吸入したりすると非常に危険で発がん性がある。プルトニウム酸化物の塵として吸入された1ポンド（454グラム）のプルトニウムは、200万人にがんを引き起こす可能性があると推定されている。^[7]しかし、摂取したプルトニウムは、ごくわずかな部分しか消化管に吸収されないため、危険性ははるかに低い。^{[8] [9]}放射線に関する限り、800mgでは大きな健康リスクを引き起こす可能性は低い。^{[7]プルトニウムは}重金属として化学的にも有毒である。プルトニウム#注意事項も参照。

^{兵器級プルトニウム（ 239} Puが 90% 以上）は核兵器の製造に使用され、その目的において他の核分裂性物質に比べて多くの利点があります。239 Pu の割合が低いと、^{信頼性の高い兵器の設計が困難または不可能になります。これは、望ましくない240} Puの自発核分裂（および中性子生成）が原因です。

• テラー・ウラムデザイン

• NLM 有害物質データバンク – プルトニウム、放射性物質
• Kaye and Laby Online の 239Pu データ付き核種表
• プルトニウム 239 の半減期 2011-08-15 にWayback Machineでアーカイブ