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 ²⁴⁴ Pu 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 :

1. оружейный плутоний (содержащий не менее 94 % изотопа ²³⁹ Pu)
2. (от 7 до 18 % ²⁴⁰ Pu) и
3. (содержание ²⁴⁰ Pu более 18 %)

Термин «сверхчистый плутоний» используется для описания смеси изотопов плутония, в которых содержатся 2—3 процента ²⁴⁰ Pu .

Всего два изотопа этого элемента ( ²³⁹ Pu и ²⁴¹ Pu) 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 ²⁴⁷ Рu и ²⁵⁵ Рu , периоды полураспада которых несоизмеримо малы.

Таблица изотопов плутония

Символ нуклида	Z ( p )	N( n )	Масса изотопа ( а. е. м. )	Период полураспада (T 1/2 )	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра	Распространённость изотопа в природе
	Энергия возбуждения
228 Pu	94	134	228,03874(3)	1,1(+20−5) с	α (99,9%)	224 U	0+
					β + (0,1%)	228 Np
229 Pu	94	135	229,04015(6)	120(50) с	α	225 U	3/2+#
230 Pu	94	136	230,039650(16)	1,70(17)мин	α	226 U	0+
					β + (редко)	230 Np
231 Pu	94	137	231,041101(28)	8,6(5)мин	β +	231 Np	3/2+#
					α (редко)	227 U
232 Pu	94	138	232,041187(19)	33,7(5)мин	ЭЗ (89%)	232 Np	0+
					α (11%)	228 U
233 Pu	94	139	233,04300(5)	20,9(4)мин	β + (99,88%)	233 Np	5/2+#
					α (0,12%)	229 U
234 Pu	94	140	234,043317(7)	8,8(1) ч	ЭЗ (94%)	234 Np	0+
					α (6%)	230 U
235 Pu	94	141	235,045286(22)	25,3(5)мин	β + (99,99%)	235 Np	(5/2+)
					α (0,0027%)	231 U
236 Pu	94	142	236,0460580(24)	2,858(8) года	α	232 U	0+
					СД (1,37⋅10 −7 %)	(разные)
					КР (2⋅10 −12 %)	208 Pb 28 Mg
					β + β + (редко)	236 U
237 Pu	94	143	237,0484097(24)	45,2(1) сут	ЭЗ	237 Np	7/2−
					α (0,0042%)	233 U
237m1 Pu	145,544(10)2 кэВ			180(20) мс	ИП	237 Pu	1/2+
237m2 Pu	2900(250) кэВ			1,1(1) мкс
238 Pu	94	144	238,0495599(20)	87,7(1) лет	α	234 U	0+
					СД (1,9⋅10 −7 %)	(разные)
					КР (1,4⋅10 −14 %)	206 Hg 32 Si
					КР (6⋅10 −15 %)	180 Yb 30 Mg 28 Mg
239 Pu	94	145	239,0521634(20)	2,411(3)⋅10 4 лет	α	235 U	1/2+
					СД (3,1⋅10 −10 %)	(разные)
239m1 Pu	391,584(3) кэВ			193(4)нс			7/2−
239m2 Pu	3100(200) кэВ			7,5(10) мкс			(5/2+)
240 Pu	94	146	240,0538135(20)	6,561(7)⋅10 3 лет	α	236 U	0+
					СД (5,7⋅10 −6 %)	(разные)
					КР (1,3⋅10 −13 %)	206 Hg 34 Si
241 Pu	94	147	241,0568515(20)	14,290(6) лет	β − (99,99%)	241 Am	5/2+
					α (0,00245%)	237 U
					СД (2,4⋅10 −14 %)	(разные)
241m1 Pu	161,6(1) кэВ			0,88(5) мкс			1/2+
241m2 Pu	2200(200) кэВ			21(3) мкс
242 Pu	94	148	242,0587426(20)	3,75(2)⋅10 5 лет	α	238 U	0+
					СД (5,5⋅10 −4 %)	(разные)
243 Pu	94	149	243,062003(3)	4,956(3) ч	β −	243 Am	7/2+
243m Pu	383,6(4) кэВ			330(30)нс			(1/2+)
244 Pu	94	150	244,064204(5)	8,00(9)⋅10 7 лет	α (99,88%)	240 U	0+
					СД (0,123%)	(разные)
					β − β − (7,3⋅10 −9 %)	244 Cm
245 Pu	94	151	245,067747(15)	10,5(1) ч	β −	245 Am	(9/2−)
246 Pu	94	152	246,070205(16)	10,84(2) сут	β −	246m Am	0+
247 Pu	94	153	247,07407(32)#	2,27(23) сут	β −	247 Am	1/2+#

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 Z и N ). 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 β ⁻ -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 237 , 241 и 243) являются альфа-распад и (с меньшей вероятностью) спонтанное деление . Основным каналом распада изотопов плутония, массовые числа которых превосходят 244 (а также ²⁴³ Pu и ²⁴¹ Pu), 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 :

1. облучением урана (см. реакцию ниже), 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 (d, 2n)-реакции на уране-238:

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{1}^{2}D\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ +\ 2\ _{0}^{1}n~;\quad _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2.117\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} }$

В данном процессе дейтрон попадает в ядро урана-238, в результате чего образуется 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 :

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ {\xrightarrow {\gamma }}\ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23.5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$

Нейтроны, излучаемые при делении урана-235 , захватываются ураном-238 с образованием ; затем через цепочку двух β ⁻ -распадов образуются 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 ²³⁹ 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. 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 плутония
Изотоп	Тип распада	Период полураспада (в годах)	Тепловыделение (Вт/кг)	Спонтанное деление нейтроны (1/( г · с ))	Комментарий
238 Pu	альфа в 234 U	87,74	560	2600	Очень высокая температура распада. Даже в небольших количествах может привести к саморазогреву. Используется в РТГ .
239 Pu	альфа в 235 U	24100	1,9	0,022	Основной ядерный продукт.
240 Pu	альфа в 236 U , спонтанное деление	6560	6,8	910	Является основной примесью в плутонии-239. Высокий показатель спонтанного деления не позволяет использовать в ядерной промышленности.
241 Pu	бета в 241 Am	14,4	4,2	0,049	Распадается до америция-241; его накопление представляет угрозу для полученных образцов.
242 Pu	альфа в 238 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
	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 ²³⁶ Pu, образующемуся благодаря реакции ²³⁵ U(α,3n) ²³⁶ Pu. Позднее было обнаружено, что возможны такие реакции, как: ²³⁷ Np(a, p4n) ²³⁶ Pu; ²³⁷ Np(α,5n) ²³⁶ Am → ( ЭЗ) ²³⁶ Pu. В настоящее время его получают благодаря взаимодействию дейтрона с ядром урана-235 . Изотоп образуется благодаря α-излучателю (T _½ 27 сут) и β-излучателя (T _½ 22 ч). Плутоний-236 является альфа-излучателем , способным к спонтанному делению . Скорость самопроизвольного деления составляет 5,8⋅10 ⁷ делений на 1 г/ч, что соответствует периоду полураспада для этого процесса — 3,5⋅10 ⁹ лет .

Плутоний-238 имеет интенсивность самопроизвольного деления 1,1⋅10 ⁶ делений/(с·кг), что в 2,6 раза больше ²⁴⁰ Pu, и очень высокую : 567 Вт/кг. Изотоп обладает очень сильным альфа-излучением (при воздействии на него нейтронов ), которое в 283 раза сильнее ²³⁹ Pu, 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 .

Плутоний-239 имеет большие сечения рассеивания и поглощения, чем уран , и большее число нейтронов в расчёте 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 (примерно равные между собой более лёгкие атомы), выделяя примерно 200 МэВ энергии. Это приблизительно в 50 млн раз больше выделяемой при горении энергии (C+O ₂ → CO ₂ ↑). «Сгорая» в ядерном реакторе, изотоп выделяет 2⋅10 ⁷ ккал . Чистый ²³⁹ Pu имеет среднюю величину испускания нейтронов от спонтанного деления примерно 30 нейтронов/с·кг (примерно 10 делений в секунду на килограмм). Тепловая мощность составляет 1,92 Вт/кг (для сравнения: теплота обмена веществ у взрослого человека составляет меньшую тепловую мощность), что делает его тёплым на ощупь. Удельная активность равна 61,5 мКи/г .

Плутоний-240 является основным изотопом, загрязняющим оружейный ²³⁹ Pu. Уровень его содержания главным образом важен из-за интенсивности спонтанного деления, которая составляет 415 000 делений/с·кг, но испускается примерно 1⋅10 ⁶ нейтронов/(с·кг), так как каждое деление рождает приблизительно 2,2 нейтрона, что примерно в 30 000 раз больше, чем у ²³⁹ Pu. 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 (Тепловая мощность равна 3,4 Вт/кг). 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) (вдвое выше ²⁴⁰ Pu), плохо подвержен ядерному делению. При заметной концентрации серьёзно 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 .

Примечания