Плуто́ний-238 ( англ. plutonium-238 ) — радиоактивный нуклид химического элемента плутония с атомным номером 94 и массовым числом 238. Является первым открытым изотопом плутония . Был открыт в 1940 году Гленом Сиборгом , Дж. Кеннеди, Артуром Валем и Э. М. Макмилланом в результате бомбардировки урана-238 дейтронами :

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{92}U} (\mathrm {d} ,\mathrm {2n} )\mathrm {^{238}_{93}Np} \ {\xrightarrow[{2,117\ \mathrm {d} }]{\beta ^{-}\ 1,292\ \mathrm {MeV} }}\ \mathrm {^{238}_{94}Pu} .}$

Период полураспада плутония-238 составляет 87,7(1) года . Плутоний-238 является практически чистым альфа-излучателем. Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 633,7 ГБк .

Один грамм чистого плутония-238 генерирует приблизительно 0,567 Вт мощности .

Образование и распад

Плутоний-238 образуется в результате следующих распадов:

• β ⁻ -распад нуклида (период полураспада составляет 2,117(2) суток):

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{93}Np} \rightarrow \mathrm {^{238}_{94}Pu} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}$

• β ⁺ -распад нуклида (период полураспада составляет 98(2) мин):

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{95}Am} \rightarrow \mathrm {^{238}_{94}Pu} +e^{+}+\nu _{e};}$

• α-распад нуклида (период полураспада составляет 162,8(2) суток):

${\displaystyle \mathrm {^{242}_{96}Cm} \rightarrow \mathrm {^{238}_{94}Pu} +\mathrm {^{4}_{2}He} .}$

Распад плутония-238 происходит по следующим направлениям:

• α-распад в ²³⁴ U (вероятность ≈100 % , энергия распада 5 593,20(19) кэВ ):

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm {^{234}_{92}U} +\mathrm {^{4}_{2}He} ;}$

энергия испускаемых α-частиц 5 456,3 кэВ (в 28,98 % случаев) и 5 499,03 кэВ (в 70,91 % случаев) .

• Спонтанное деление (вероятность 1,9(1)⋅10 ⁻⁷ %) ;

Получение

Плутоний-238 образуется в любом ядерном реакторе, работающем на природном или малообогащённом уране , содержащем в основном изотоп ²³⁸ U . При этом происходят следующие ядерные реакции :

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{92}U} (\mathrm {n} ,\mathrm {2n} )\mathrm {^{237}_{92}U} \ {\xrightarrow[{6,75\ \mathrm {d} }]{\beta ^{-}\ 518,6\ \mathrm {keV} }}\ \mathrm {^{237}_{93}Np} ;}$

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{92}U} (\mathrm {n} ,\gamma )\mathrm {^{236}_{92}U} (\mathrm {n} ,\gamma )\mathrm {^{237}_{92}U} \ {\xrightarrow[{6,75\ \mathrm {d} }]{\beta ^{-}\ 518,6\ \mathrm {keV} }}\ \mathrm {^{237}_{93}Np} ;}$

${\displaystyle \mathrm {^{237}_{93}Np} (\mathrm {n} ,\gamma )\mathrm {^{238}_{93}Np} \ {\xrightarrow[{2,117\ \mathrm {d} }]{\beta ^{-}\ 1,292\ \mathrm {MeV} }}\ \mathrm {^{238}_{94}Pu} .}$

Весовые количества чистого плутония-238 получают путём облучения нейтронами нептуния-237 , который, в свою очередь, добывают из отработанного ядерного топлива .

Цена одного килограмма плутония-238 составляет примерно 2,5 млн долларов США .

Применение

Плутоний-238 используют в радиоизотопных источниках энергии (например, в РИТЭГах ) . Ранее (до появления литиевых батарей ) использовались в кардиостимуляторах .

США использовали РИТЭГ-и с плутонием-238 на примерно 30 космических аппаратах НАСА, включая « Вояджеры » и « Кассини ». Так, космический аппарат «Кассини» содержал три РИТЭГ-а с 33 килограммами диоксида плутония -238, которые обеспечивали генерацию 870 ватт электрической мощности . Марсоходы « Кьюриосити » и " Персеверанс " несут РИТЭГ-и MMRTG с 4,8 кг плутония-238, обеспечивающие 125 Вт электрической мощности . Кроме электрической генерации, РИТЭГ-и своим тепловыделением поддерживают тепловой баланс космических аппаратов и роверов. Также, в аппаратах " Соджорнер ", " Спирит " и " Опортьюнити " использовались радиоизотопные источники тепла размером с гальванический элемент типоразмера D для поддержания теплового режима работы электронной аппаратуры, в том числе и цифровых вычислительных машин. Также, атмосферный зонд автоматической межпланетной станции " Галилео " обладал подобными источниками тепла.

Производство

В США производство изотопа плутония-238 было остановлено в 1988 году ( Саванна Ривер ) . Министерство энергетики США подписало в 1992 году пятилетний договор о покупке изотопа у России в объёме 10 кг и возможностью увеличения поставок не более чем до 40 кг. В рамках договора заключалось несколько контрактов, соглашение продлевалось. В 2009 году поставки были прерваны из-за реструктуризации российской ядерной промышленности .

Начиная с 1993 года, большинство РИТЭГов на американских космических аппаратах используют изотоп, приобретаемый у России. По состоянию на 2005 год было закуплено примерно 16,5 кг .

В 2009 Министерство энергетики США запросило финансирование на возобновление производства изотопа на территории США . Стоимость проекта оценивалась в 75—90 миллионов долларов за пять лет Финансирование проекта разделено между Министерством энергетики и NASA . Конгресс предоставил NASA по 10 миллионов в 2011 и 2012 годах , но отказал в финансировании Министерству энергетики .

В 2013 году Национальная лаборатория Оук-Ридж (штат Теннеси) начала производство плутония-238 с проектной мощностью в 1,5—2 килограмма изотопа в год .

См. также

• Изотопы плутония

Примечания

Ссылки

• Ave Mosher, от 26 февраля 2014 на Wayback Machine // Wired, 2013-09-19 (англ.)