Химия - Плутоний - Изотопы

01 марта 2011


Оглавление:
1. Плутоний
2. История
3. Свойства
4. Нахождение в природе
5. Изотопы
6. Сплавы
7. Меры предосторожности
8. Методы отделения
9. Применение
10. Плутоний в художественных произведениях

Открытие изотопов плутония началось с 1940 года, когда был получен плутоний-238. В настоящее время он считается одним из важнейших нуклидов. Годом позднее был открыт самый важный нуклид — плутоний-239, впоследствии нашедший свое применение в ядерной и космической промышленности. Химический элемент является актиноидом, один из его изотопов, который упомянут выше, входит в основную тройку делящихся изотопов. Как известно, изотопы всех актиноидов являются радиоактивными, так как они нестабильны, могли найти свое применение и в медицине, если бы не их жесткое радиоизлучение, в том числе плутония.

Наиболее важные ядерные свойства нуклидов плутония перечислены в таблице:

Ядерные свойства изотопов плутония
Массовое число	Период полураспада	Тип распада	Основное излучение, МэВ	Способ получения
228	1,1 сек	α ≈ 100 % β < 0,1	7,950
229	> 2×10 сек	α	7,590
230	1,7 мин	α ≤ 100 %	7,175
231	8,6 мин	β ≤ 99,8 % α ≥ 0,2 %	4,007
232	34 мин	ЭЗ ≥ 80 %   α ≤ 20 %	α 6,60    6,54	23392U
233	20,9 мин	ЭЗ 99,88 %  α 0,12 %	α 6,30   γ 0,235	23392U
234	8,8 ч	ЭЗ 94 %  α 6 %	α 6,202    6,151	23592U
235	25,6 мин	ЭЗ > 99 % α 3×10 %	α 5,85   γ 0,049	23592U 23392U
236	2,85 лет 3,5×10 лет	α СД	α 5,768    5,721	23592U Доч. 23693Np
237	45,4 сут	ЭЗ > 99 % α 3,3×10 %	α 5,65    5,36	23592U 23793Np
238	87,74 лет 4,8×10 лет	α СД	α 5,499  5,457	Доч. 24296Cm Доч. 23893Np
239	2,41×10 лет 5,5×10 лет	α СД	α 5,155    5,143 γ 0,129	Доч. 23993Np Захват нейтронов
240	6,563×10 лет 1,34×10 лет	α СД	α 5,168    5,123	Многократный захват нейтронов
241	14,4 года	β > 99 % α 2,41×10 %	α 4,896    4,853 β 0,021 γ 0,149	Многократный захват нейтронов
242	3,76×10 лет 6,8×10 лет	α СД	α 4,901    4,857	Многократный захват нейтронов
243	4,956 ч	β	β 0,58 γ 0,084	Многократный захват нейтронов
244	8,26×10 лет 6,6×10 лет	α СД	α 4,589    4,546	Многократный захват нейтронов
245	10,5 ч	β	β 1,28 γ 0,327	24494Pu
246	10,85 сут	β	β 0,384 γ 0,224	24594Pu

Из изотопов плутония на данный момент известно о существовании 19-ти его нуклидов с массовыми числами 228—247. Только 4 из них нашли свое применение. Свойства изотопов имеют некоторую характерную особенность, по которой можно судить об их дальнейшем изучении — четные изотопы имеют большие периоды полураспада, чем нечетные.

Министерство энергетики США делит смеси плутония на три вида:

1. оружейный плутоний
2. топливный плутоний и
3. реакторный плутоний

Термин «сверхчистый плутоний» используется для описания смеси изотопов плутония, в которых содержатся 2—3 процента Pu .

Всего два изотопа этого элемента являются более способными к ядерному делению, нежели остальные; более того, это единственные изотопы, которые подвергаются ядерному делению при действии тепловых нейтронов. Среди продуктов взрыва термоядерных бомб обнаружены также Рu и Рu , периоды полураспада которых несоизмеримо малы.

Изотопы и синтез

Известны около 20 изотопов плутония, все они радиоактивны. Самым долгоживущим из них является плутоний-244, с периодом полураспада 80,8 млн лет; плутоний-242 имеет более короткий период полураспада — 372 300 лет; плутоний-239 — 24 110 лет'. Все остальные изотопы имеют период полураспада меньше 7 тыс. лет. Этот элемент имеет 8 метастабильных состояний, периоды полураспада этих изомеров не превышают 1 с.

Массовое число известных изотопов элемента варьируется от 228 до 247. Все они испытывают один или несколько типов радиоактивного распада:

• электронный захват с образованием изотопов нептуния;
• бета-минус-распад с образованием изотопов америция;
• альфа-распад с образованием изотопов урана;
• спонтанное деление с образованием широкого спектра дочерних изотопов элементов из средней части периодической таблицы, многие из которых β-активны.

Основным каналом распада наиболее лёгких изотопов плутония является альфа-распад, хотя канал электронного захвата для них также открыт. Основным каналом распада лёгких изотопов плутония является электронный захват, с ним конкурирует альфа-распад. Основными каналами радиоактивного распада изотопов с массовыми числами между 236 и 244  являются альфа-распад и спонтанное деление. Основным каналом распада изотопов плутония, массовые числа которых превосходят 244, является бета-минус-распад в изотопы америция. Плутоний-241 является членом "вымершего" радиоактивного ряда нептуния.

Бета-стабильными являются изотопы с массовыми числами 236, 238, 239, 240, 242, 244.

Синтез плутония

Плутоний в промышленных масштабах получается двумя путями:

1. облучением урана, содержащегося в ядерных реакторах;
2. облучением в реакторах трансурановых элементов, выделенных из отработанного топлива.

После облучения в обоих случаях выполняется отделение химическими способами плутония от урана, трансурановых элементов и продуктов деления.

Плутоний-238

Плутоний-238, использующийся в радиоизотопных генераторах энергии, лабораторно может синтезироваться в обменной-реакции на уране-238:

В данном процессе дейтрон попадает в ядро урана-238, в результате чего образуется нептуний-238 и два нейтрона. Далее нептуний-238 испытывает бета-минус-распад в плутоний-238. Именно в этой реакции был впервые получен плутоний. Однако она неэкономична. В промышленности плутоний-238 получают двумя путями:

• выделением из облучённого ядерного топлива, поэтому чистый плутоний-238 таким методом не нарабатывается
• с помощью нейтронного облучения в реакторах нептуния-237.

Цена одного килограмма плутония-238 составляет примерно 1 млн долларов США.

Плутоний-239

Плутоний-239, делящийся изотоп, используемый в ядерном оружии и в ядерной энергетике, промышленно синтезируется в ядерных реакторах с помощью следующей реакции при участии ядер урана и нейтронов с помощью бета-минус-распада и с участием изотопов нептуния как промежуточного продукта распада:

Нейтроны, излучаемые при делении урана-235, захватываются ураном-238 с образованием урана-239; затем через цепочку двух β-распадов образуются нептуний-239 и далее плутоний-239. Сотрудники засекреченной британской группы Tube Alloys , которые занимались изучением плутония во время 2-ой мировой войны, предсказали существование данной реакции в 1940 г.

Тяжёлые изотопы плутония

Более тяжёлые изотопы нарабатываются в реакторах из Pu по цепочке последовательных нейтронных захватов, каждый из которых увеличивает массовое число нуклида на единицу.

Свойства некоторых изотопов

Изотопы плутония претерпевают радиоактивный распад, вследствие которого выделяется тепловая энергия. Разные изотопы излучают разное количество тепла. Тепловыделение обычно записывается в пересчёте на Вт/кг или мВт/кг. В случаях, когда плутоний присутствует в больших количествах и нет теплоотвода, тепловая энергия может расплавить содержащий плутоний материал.

Все изотопы плутония способны к ядерному делению и излучают γ-частицы.

Выделение тепла изотопами плутония
Изотоп	Тип распада	Период полураспада	Тепловыделение	Спонтанное деление нейтроны)	Комментарий
Pu	альфа в U	87,74	560	2600	Очень высокая температура распада. Даже в небольших количествах может привести к саморазогреву. Используется в РТГ.
Pu	альфа в U	24100	1,9	0,022	Основной ядерный продукт.
Pu	альфа в U, спонтанное деление	6560	6,8	910	Является основной примесью в плутонии-239. Высокий показатель спонтанного деления не позволяет использовать в ядерной промышленности.
Pu	бета в Am	14,4	4,2	0,049	Распадается до америция-241; его накопление представляет угрозу для полученных образцов.
Pu	альфа в U	376000	0,1	1700	—

Критические массы некоторых изотопов актиноидов
Нуклид	Критическая масса, кг	Диаметр, см	Источник
Уран-233	15	11
Уран-235	52	17
Нептуний-236	7	8,7
Нептуний-237	60	18
Плутоний-238	9,04—10,07	9,5—9,9
Плутоний-239	10	9,9
Плутоний-240	40	15
Плутоний-241	12	10,5
Плутоний-242	75—100	19—21

Плутоний-236 был найден в плутониевой фракции, полученной из природного урана, при измерении радиоизлучения которой наблюдался пробег α-частиц, равный 4,35 см. Было установлено, что данная группа относилась к изотопу Pu, образующемся благодаря реакции UPu. Позднее было обнаружено, что возможны такие реакции как: NpPu; NpAm → Pu. В настоящее время его получают благодаря взаимодействию дейтрона с ядром урана-235. Изотоп образуется благодаря α-излучателю 24096Cm и β-излучателя 23693Np. Плутоний-236 является альфа-излучателем, способным с спонтанному делению. Скорость самопроизвольного деления составляет 5,8×10 делений на 1 г/ч, что соответствует периоду полураспада для этого процесса — 3,5×10 лет.

Плутоний-238 имеет интенсивность самопроизвольного деления 1,1×10 делений/с·кг, что в 2,6 раза больше Pu, и очень высокую тепловую мощность: 567 Вт/кг. Изотоп обладает очень сильным альфа-излучением, которое в 283 раза сильнее Pu, что делает его более серьезным источником нейтронов при реакции α → n. Содержание плутония-238 редко когда превышает 1 % от общего состава плутония, однако излучение нейтронов и нагрев делают его очень неудобным для обращения. Его удельная радиоактивность составляет 17,1 кюри/г.

Плутоний-239 имеет большие сечения рассеивания и поглощения, чем уран и большее число нейтронов в расчете на одно деление, и меньшую критическую массу, которая составляет 10 кг в альфа-фазе. При ядерном распаде плутония-239 посредством воздействия на него нейтронами, этот нуклид распадается на два осколка, выделяя примерно 200 МэВ энергии. Это приблизительно в 50 млн раз больше выделяемой при горении энергии. «Сгорая» в ядерном реакторе изотоп выделяет 2×10 ккал. Чистый Pu имеет среднюю величину испускания нейтронов от спонтанного деления примерно 30 нейтронов/с·кг. Тепловая мощность составляет 1,92 Вт/кг, что делает его теплым на ощупь. Удельная активность равна 61,5 мКи/г.

Плутоний-240 является основным изотопом загрязняющим оружейный Pu. Уровень его содержания главным образом важен из-за интенсивности спонтанного деления, которая составляет 415 000 делений/с·кг, но испускается примерно 1×10 нейтронов/с·кг, так как каждое деление рождает приблизительно 2,2 нейтрона, что примерно в 30 000 раз больше, чем у Pu. Плутоний-240 хорошо делится, чуть лучше чем U. Тепловой выход больше, чем у плутония-239 и составляет 7,1 Вт/кг, что обостряет проблему перегрева. Удельная активность равна 227 мКи/г.

Плутоний-241 имеет низкий нейтронный фон и умеренную тепловую мощность и потому непосредственно не влияет на удобство применения плутония. Однако он с периодом полураспада 14 лет превращается в америций-241, который плохо делится и обладает большой тепловой мощностью, ухудшая качество оружейного плутония. Таким образом, плутоний-241 влияет на старение оружейного плутония. Удельная активность — 106 Ки/г.

Интенсивность испускания нейтронов плутония-242 составляет 840 000 делений/с·кг, плохо подвержен ядерному делению. При заметной концентрации серьезно увеличивает требуемую критическую массу и нейтронный фон. Имея большую продолжительность жизни и маленькое сечение захвата нуклид накапливается в переработанном реакторном топливе. Удельная активность составляет 4 мКи/г.

Просмотров: 26839

<<< Платина

Подгруппа бора >>>