Изото́пы плутония — разновидности атомов (и ядер) химического элемента плутония, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Плутоний не имеет стабильных изотопов. Следы плутония-244 были обнаружены в природе. Самым долгоживущим изотопом является 244Pu с периодом полураспада 80 млн лет.
Из изотопов плутония на данный момент известно о существовании его 20 нуклидов с массовыми числами 228—247. Только 4 из них нашли своё применение. Свойства изотопов имеют некоторую характерную особенность, по которой можно судить об их дальнейшем изучении — чётные изотопы имеют бо́льшие периоды полураспада, чем нечётные (однако данное предположение относится только к менее важным его нуклидам).
Министерство энергетики США делит смеси плутония на три вида: оружейный плутоний (содержащий не менее 94 % изотопа 239Pu) топливный плутоний (от 7 до 18 % 240Pu) и реакторный плутоний (содержание 240Pu более 18 %) Термин «сверхчистый плутоний» используется для описания смеси изотопов плутония, в которых содержатся 2—3 процента 240Pu.
Всего два изотопа этого элемента (239Pu и 241Pu) 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 247Рu и 255Рu, периоды полураспада которых несоизмеримо малы.
Таблица изотопов плутония Символ нуклида Z(p) N(n) Масса изотопаДанные приведены по (а. е. м.) Период полураспада(T1/2)Канал распадаПродукт распада Спин и чётность ядраДанные приведены по Распространённость изотопа в природе Энергия возбуждения 227Pu 94 133 0,78 сhttps://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.110.044302 228Pu 94 134228,03874(3)1,1(+20−5) с α (99,9%) 224U0+ β+ (0,1%) 228Np 229Pu 94 135 229,04015(6) 120(50) с α 225U 3/2+#230Pu 94 136230,039650(16)1,70(17)мин α 226U0+ β+ (редко) 230Np231Pu 94 137231,041101(28)8,6(5)мин β+ 231Np3/2+# α (редко) 227U232Pu 94 138232,041187(19)33,7(5)мин ЭЗ (89%) 232Np0+ α (11%) 228U233Pu 94 139233,04300(5)20,9(4)мин β+ (99,88%) 233Np5/2+# α (0,12%) 229U234Pu 94 140234,043317(7)8,8(1) ч ЭЗ (94%) 234Np0+ α (6%) 230U235Pu 94 141235,045286(22)25,3(5)мин β+ (99,99%) 235Np(5/2+) α (0,0027%) 231U236Pu 94 142236,0460580(24)2,858(8) года α 232U0+ СД (1,37⋅10−7%) (разные) КР (2⋅10−12%) 208Pb28Mg β+β+ (редко) 236U237Pu 94 143237,0484097(24)45,2(1) сут ЭЗ 237Np7/2− α (0,0042%) 233U 237m1Pu 145,544(10)2 кэВ 180(20) мс ИП 237Pu 1/2+ 237m2Pu 2900(250) кэВ 1,1(1) мкс238Pu 94 144238,0495599(20)87,7(1) лет α 234U0+ СД (1,9⋅10−7%) (разные) КР (1,4⋅10−14%) 206Hg32Si КР (6⋅10−15%) 180Yb30Mg28Mg239Pu 94 145239,0521634(20)2,411(3)⋅104 лет α 235U1/2+ СД (3,1⋅10−10%) (разные) 239m1Pu 391,584(3) кэВ 193(4)нс 7/2− 239m2Pu 3100(200) кэВ 7,5(10) мкс (5/2+)240Pu 94 146240,0538135(20)6,561(7)⋅103 лет α 236U0+ СД (5,7⋅10−6%) (разные) КР (1,3⋅10−13%) 206Hg34Si241Pu 94 147241,0568515(20)14,290(6) лет β− (99,99%) 241Am5/2+ α (0,00245%) 237U СД (2,4⋅10−14%) (разные) 241m1Pu 161,6(1) кэВ 0,88(5) мкс 1/2+ 241m2Pu 2200(200) кэВ 21(3) мкс242Pu 94 148242,0587426(20)3,75(2)⋅105 лет α 238U0+ СД (5,5⋅10−4%) (разные) 243Pu 94 149 243,062003(3) 4,956(3) ч β− 243Am 7/2+ 243mPu 383,6(4) кэВ 330(30)нс (1/2+)244Pu 94 150244,064204(5)8,00(9)⋅107 лет α (99,88%) 240U0+ СД (0,123%) (разные) β−β− (7,3⋅10−9%) 244Cm 245Pu 94 151 245,067747(15) 10,5(1) ч β− 245Am (9/2−) 246Pu 94 152 246,070205(16) 10,84(2) сут β− 246mAm 0+ 247Pu 94 153 247,07407(32)# 2,27(23) сут β− 247Am 1/2+# ← Изотопы нептуния | Изотопы америция →
Пояснения к таблице
Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.
Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада. Символами, выделенными жирным курсивом, обозначены радиоактивные продукты распада, имеющие периоды полураспада, сравнимые с возрастом Земли или превосходящие его и вследствие этого присутствующие в природной смеси.
Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями и ). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.
Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.
Изотопы и синтез
Известны около 20 изотопов плутония, все они радиоактивны. Наиболее долгоживущие изотопы — плутоний-244, с периодом полураспада 80,8 млн лет; плутоний-242 — 372 300 лет; плутоний-239 — 24 110 лет, плутоний-240 — 6560 лет, плутоний-238 — 87 лет, плутоний-241 — 14 лет. Все остальные изотопы имеют период полураспада меньше 3 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 (и, при достаточной энергии, позитронный бета-распад) 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 −-активны.
Основным каналом распада наиболее лёгких изотопов плутония (с 228 по 231) является альфа-распад, хотя канал электронного захвата для них также открыт. Основным каналом распада лёгких изотопов плутония (с 232 по 235 включительно) является электронный захват, с ним конкурирует альфа-распад. Основными каналами радиоактивного распада изотопов с массовыми числами между 236 и 244 (кроме 237У плутония-237 основным каналом распада является электронный захват, однако обнаружен также менее вероятный канал альфа-распада. У плутония-241 основным каналом распада является бета-минус-распад, однако обнаружены также менее вероятные каналы альфа-распада и спонтанного деления., 241 и 243) являются альфа-распад и (с меньшей вероятностью) спонтанное деление. Основным каналом распада изотопов плутония, массовые числа которых превосходят 244 (а также 243Pu и 241Pu), является бета-минус-распад в изотопы америция (95 протонов). Плутоний-241 является членом «вымершего» радиоактивного ряда нептуния.
Бета-стабильными (то есть испытывающими лишь распады с изменением массового числа) являются изотопы с массовыми числами 236, 238, 239, 240, 242, 244.
Синтез плутония Плутоний в промышленных масштабах получается двумя путями: облучением урана (см. реакцию ниже), содержащегося в ядерных реакторах; 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 (d, 2n)-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 (1941, Сиборг). Однако она неэкономична. В промышленности плутоний-238 получают двумя путями: выделением из облучённого ядерного топлива (в смеси с другими изотопами плутония, разделение которых очень дорого), 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 (в том числе в энергетических как побочный продукт) 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 Второй мировой войны, предсказали существование данной реакции в 1940 г.
Тяжёлые изотопы плутония
Более тяжёлые изотопы нарабатываются в реакторах из 239Pu 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 (при воздействии нейтрона) и излучают γ-частицы.
Выделение тепла изотопами плутонияИзотоп Тип распада Период полураспада(в годах) Тепловыделение(Вт/кг) Спонтанное делениенейтроны (1/(г·с)) Комментарий238Pu альфа в 234U 87,74 560 2600 Очень высокая температура распада. Даже в небольших количествах может привести к саморазогреву. Используется в РТГ.239Pu альфа в 235U 24100 1,9 0,022 Основной ядерный продукт.240Pu альфа в 236U, спонтанное деление 6560 6,8 910 Является основной примесью в плутонии-239. Высокий показатель спонтанного деления не позволяет использовать в ядерной промышленности.241Pu бета в 241Am 14,4 4,2 0,049 Распадается до америция-241; его накопление представляет угрозу для полученных образцов.242Pu альфа в 238U 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 (что соответствует 5,75 МэВ). Было установлено, что данная группа относилась к изотопу 236Pu, образующемуся благодаря реакции 235U(α,3n)236Pu. Позднее было обнаружено, что возможны такие реакции, как: 237Np(a, p4n)236Pu; 237Np(α,5n)236Am → () 236Pu. В настоящее время его получают благодаря взаимодействию дейтрона с ядром урана-235. Изотоп образуется благодаря α-излучателю (T½ 27 сут) и β-излучателя (T½ 22 ч). Плутоний-236 является альфа-излучателем, способным к спонтанному делению. Скорость самопроизвольного деления составляет 5,8 делений на 1 г/ч, что соответствует периоду полураспада для этого процесса — 3,5 лет.
Плутоний-238 имеет интенсивность самопроизвольного деления 1,1 делений/(с·кг), что в 2,6 раза больше 240Pu, и очень высокую тепловую мощность: 567 Вт/кг. Изотоп обладает очень сильным альфа-излучением (при воздействии на него нейтронов), которое в 283 раза сильнее 239Pu, что делает его более серьёзным 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 Ки/г.