Izotopi plutonijuma

Plutonijum (₉₄Pu) je veštački element, osim u tragovima kao rezultat uranijumovog neutronskog zahvata, i zbog toga standardna atomska masa ne može biti data. Kao svaki veštački element, nema stabilnih izotopa. Sintetisan je znatno pre nego što je pronađen u prirodi, prvi izotop sintetisan je bio ²³⁸Pu 1940. godine. Karakterizovano je dvadeset radioizotopa. Najstabilniji su plutonijum-244 sa vremenom poluraspada od 80,8 miliona godina, plutonijum-242 sa vremenom poluraspada od 373.300 godina i plutonijum-239 sa vremenom poluraspada od 24.110 godina, Svi ostali radioaktivni izotopi imaju vremena poluraspada od manje od 7.000 godina. Ovaj element takođe ima 8 izomera; svi imaju vremena poluraspada manje od jedne sekunde^[1].

Glavni izotopi plutonijuma

Glavni izotopi plutonijuma (₉₄Pu)
Izotop			Raspad
	Rasprostanjenost	Vreme poluraspada	Način	Proizvod
²³⁸Pu	trag	87.74 y	SF	–
²³⁸Pu	trag	87.74 y	α	²³⁴U
²³⁹Pu	trag	2.41×10⁴ y	SF	–
²³⁹Pu	trag	2.41×10⁴ y	α	²³⁵U
²⁴⁰Pu	trag	6500 y	SF	–
²⁴⁰Pu	trag	6500 y	α	²³⁶U
²⁴¹Pu	sintetički	14 y	β⁻	²⁴¹Am
²⁴¹Pu	sintetički	14 y	SF	–
²⁴²Pu	sintetički	3.73×10⁵ y	SF	–
²⁴²Pu	sintetički	3.73×10⁵ y	α	²³⁸U
²⁴⁴Pu	trag	8.08×10⁷ y	α	²⁴⁰U
²⁴⁴Pu	trag	8.08×10⁷ y	SF	–

Spisak izotopa

Izotop^[2]	Z	N	Izotopska masa(Da)	Vreme poluraspada	Način raspada	Proizvod	Rasprostranjenost
Izotop^[2]	Energija pobuđenosti			Vreme poluraspada	Način raspada	Proizvod	Rasprostranjenost
²²⁸Pu	94	134	228,03874(3)	1.1(+20−5) s	α (99,9%)	²²⁴U	sintetički
²²⁸Pu	94	134	228,03874(3)	1.1(+20−5) s	β⁺ (0,1%)	²²⁸Np	sintetički
²²⁹Pu	94	135	229,04015(6)	120(50) s	α	²²⁵U	sintetički
²³⁰Pu	94	136	230,039650(16)	1,70(17) min	α	²²⁶U	sintetički
²³⁰Pu	94	136	230,039650(16)	1,70(17) min	β⁺ (rare)	²³⁰Np	sintetički
²³¹Pu	94	137	231,041101(28)	8,6(5) min	β⁺	²³¹Np	sintetički
²³¹Pu	94	137	231,041101(28)	8,6(5) min	α (rare)	²²⁷U	sintetički
²³²Pu	94	138	232,041187(19)	33,7(5) min	EC (89%)	²³²Np	sintetički
²³²Pu	94	138	232,041187(19)	33,7(5) min	α (11%)	²²⁸U	sintetički
²³³Pu	94	139	233,04300(5)	20,9(4) min	β⁺ (99,88%)	²³³Np	sintetički
²³³Pu	94	139	233,04300(5)	20,9(4) min	α (0,12%)	²²⁹U	sintetički
²³⁴Pu	94	140	234,043317(7)	8,8(1) h	EC (94%)	²³⁴Np	sintetički
²³⁴Pu	94	140	234,043317(7)	8,8(1) h	α (6%)	²³⁰U	sintetički
²³⁵Pu	94	141	235,045286(22)	25,3(5) min	β⁺ (99,99%)	²³⁵Np	sintetički
²³⁵Pu	94	141	235,045286(22)	25,3(5) min	α (0,0027%)	²³¹U	sintetički
²³⁶Pu	94	142	236,0460580(24)	2,858(8) y	α	²³²U	sintetički
					SF (1,37×10⁻⁷%)	(razni)
					CD (2×10⁻¹²%)	²⁰⁸Pb²⁸Mg
					β⁺β⁺ (retko)	²³⁶U
²³⁷Pu	94	143	237,0484097(24)	45,2(1) d	EC	²³⁷Np	sintetički
²³⁷Pu	94	143	237,0484097(24)	45,2(1) d	α (0,0042%)	²³³U	sintetički
^237m1Pu	145,544(10)2 keV			180(20) ms	IT	²³⁷Pu	sintetički
^237m2Pu	2900(250) keV			1,1(1) µs			sintetički
²³⁸Pu	94	144	238,0495599(20)	87,7(1) y	α	²³⁴U	Trag
					SF (1,9×10⁻⁷%)	(razni)
					CD (1,4×10⁻¹⁴%)	²⁰⁶Hg ³²Si
					CD (6×10⁻¹⁵%)	¹⁸⁰Yb ³⁰Mg ²⁸Mg
²³⁹Pu	94	145	239,0521634(20)	2,411(3)×10⁴ y	α	²³⁵U	Trag
²³⁹Pu	94	145	239,0521634(20)	2,411(3)×10⁴ y	SF (3,1×10⁻¹⁰%)	(razni)	Trag
^239m1Pu	391,584(3) keV			193(4) ns			sintetički
^239m2Pu	3100(200) keV			7,5(10) µs			sintetički
²⁴⁰Pu	94	146	240,0538135(20)	6,561(7)×10³ y	α	²³⁶U	Trag
					SF (5,7×10⁻⁶%)	(razni)
					CD (1,3×10⁻¹³%)	²⁰⁶Hg ³⁴Si
²⁴¹Pu	94	147	241,0568515(20)	14,290(6) y	β⁻ (99,99%)	²⁴¹Am	sintetički
					α (0,00245%)	²³⁷U
					SF (2,4×10⁻¹⁴%)	(razni)
^241m1Pu	161,6(1) keV			0,88(5) µs			sintetički
^241m2Pu	2200(200) keV			21(3) µs			sintetički
²⁴²Pu	94	148	242,0587426(20)	3,75(2)×10⁵ y	α	²³⁸U	sintetički
²⁴²Pu	94	148	242,0587426(20)	3,75(2)×10⁵ y	SF (5,5×10⁻⁴%)	(rrazni)	sintetički
²⁴³Pu	94	149	243,062003(3)	4,956(3) h	β⁻	²⁴³Am	sintetički
^243mPu	383,6(4) keV			330(30) ns			sintetički
²⁴⁴Pu	94	150	244,064204(5)	8,00(9)×10⁷ y	α (99,88%)	²⁴⁰U	Trag
					SF (0,123%)	(razni)
					β⁻β⁻ (7,3×10⁻⁹%)	²⁴⁴Cm
²⁴⁵Pu	94	151	245,067747(15)	10,5(1) h	β⁻	²⁴⁵Am	sintetički
²⁴⁶Pu	94	152	246,070205(16)	10,84(2) d	β⁻	^246mAm	sintetički
²⁴⁷Pu	94	153	247,07407(32)#	2,27(23) d	β⁻	²⁴⁷Am	sintetički

Značajni izotopi

Plutonijum-238^[3] ima vreme poluraspada 87,74 godine i emijute alfa čestice. Čist ²³⁸Pu koji se koristi u termoelektričnim generatorima koji napajaju neke svemirske letelice dobija se elektronskim zahvatom neptunijuma-237 .
Plutonijum-239 je najznačajniji izotop plutonijuma, sa vremenom poluraspada 24.100 godina. ²³⁹Pu i ²⁴¹Pu su fisilni, što znači da njihova jezgra mogu da se razdvoje sporim bombardovanjem neutronima, tom prilikom ispuštaju energiju, gama radijaciju i više neutrona. Iz tog razloga mogu da se koriste da održavaju nuklearnu lančanu reakciju, koja omogućava primenu u nuklearnim oružijima i nuklearnim reaktorima. ²³⁹Pu je sintetisan izrazavanjem uranijuma-238 neutronima. Daljim neutronskim zahvatom se dobijaju uzastopno teži izotopi.
Plutonijum-240 ima visoku stopu spontane fisije. Plutonijum se kategorizuje po procentu ²⁴⁰Pu: kvaliteta za oružije (<7%), kvaliteta za gorivo (7–19%), kvaliteta za reaktore (> 19%).
Plutonijum-241je fisilan, ali takođe se raspada beta raspadom u americijum-241.
Plutonijum-242 nije fisilan, nijeje znatno fertilan(zahteva 3 neutrona da budu zahvaćena kako bi postao fisilan) ima duže vreme poluraspada nego bilo koji lakši izotop
Plutonijum-244 je najstabilniji izotop plutonijuma, sa vremenom pluraspada od 80 miliona godina.Ne proizvodi se često jer ²⁴³Pu ima kratko vreme pluraspada.

Proizvodnja i upotreba

²³⁹Pu, fisilni izotop koji je drugo najkorišćenije nuklearno gorivo posle uranijuma-235, i najkorišćeniji u fisijskom delu nuklearnih oružija, proizvodi se iz uranijuma-238 neutronskim hvatanjem praćenim sa dva beta izračivanja.

²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, i ²⁴²Pu se proizvode daljim neutronskim hvatanjem. Izotopi neparne mase ²³⁹Pu i ²⁴¹Pu imaju 3/4 šanse da prođu kroz fisiju pri zahvatu neutrona i 1/4 šansu da postanu sledeći teži izotop. Izotopi parne mase su fertilni i imaju znatno manje stope neutronskog zahvata^[4].

Poluživot ²⁴¹Pu ima 14 godina i ima nešto veće preseke termičkih neutrona od ²³⁹Pu i za fisiju i za apsorpciju. Dok se nuklearno gorivo koristi u reaktoru, jezgro od ²⁴¹Pu je verovatnije da će se cepati ili da zarobi neutron, nego da propadne. ²⁴¹Pu predstavlja značajan deo fisije u gorivu termičkog reaktora koje se koristi već neko vreme. Međutim, u istrošenom nuklearnom gorivu koje se brzo ne podvrgne preradi nuklearne obrade, već se hladi godinama nakon upotrebe, veći deo ili veći deo ²⁴¹Pu će beta propasti na americium-241, jedan od manjih aktinida, jak alfa emiter i teško ga je upotrebiti u termičkim reaktorima.

²⁴²Pu ima posebno nizak presek za hvatanje termičkih neutrona; i potrebne su tri apsorpcije neutrona da bi postali još jedan deljivi izotop (kurijum-245 ili ²⁴¹Pu) i fisija. Čak i tada, postoji šansa da jedan od ova dva deljiva izotopa neće uspeti da se deli, ali umesto toga, apsorbuje četvrti neutron, postajući kurijum-246 (na putu ka još težim aktinidima poput kalifornijskog, koji je neutronski emitir spontanom deljenjem i teško ga je ručka) ili opet postaje ²⁴²Pu; pa je srednji broj neutrona apsorbiranih pre fisije čak veći od 3. Stoga je ²⁴²Pu posebno neprikladan za recikliranje u termičkom reaktoru i bolje bi se koristio u bržem reaktoru. Međutim, nizak presek ²⁴²Pu znači da će se relativno malo toga pretvoriti tokom jednog ciklusa u termičkom reaktoru. Poluživot ²⁴²Pu-a je oko 15 puta duži od poluživota ²³⁹Pu; stoga je 1/15 radioaktivan i nije jedan od većih koji doprinosi radioaktivnosti nuklearnog otpada. Emisija gama zraka ²⁴²Pu je takođe slabija od one drugih izotopa^[4].

Poluživot ²⁴³Pu je samo 5 sati, a beta propada do americiuma-243. Pošto ²⁴³Pu ima malo mogućnosti za hvatanje dodatnog neutrona pre raspada, ciklus nuklearnog goriva ne daje dugovečnu ²⁴⁴Pu u značajnoj količini.

²³⁸Pu se obično ne proizvodi u toliko velikim količinama nuklearnim gorivnim ciklusom, ali neki se proizvode iz neptunijuma-237 hvatanjem neutrona (ova reakcija se takođe može koristiti sa prečišćenim neptunijumom da bi se proizveo ²³⁸Pu relativno bez drugih izotopa plutonijuma za upotrebu u radioizotopskoj termoelektričnoj energiji generatori), reakcijom (n, 2n) brzih neutrona na ²³⁹Pu ili alfa raspadom kurijuma-242, koja nastaje hvatanjem neutrona iz ²⁴¹Am. Ima značajan termički presek neutrona za fisiju, ali je verovatnije da će zarobiti neutron i postati ²³⁹Pu^[4].

^{240Pu kao prepreka nuklearnom oružiju}

Plutonijum-240 prolazi kroz spontanu fisiju kao sekundarni način raspada, malom ali značajnom stopom. Prisustvo ²⁴⁰Pu ograhičava njegovu upotrebu u nuklearnom oružiju, jer neutroni iz spontane fisije započinju preranu lančanu reakciju, koja dovodi do toga da se jezgro izmesti i onemogućava potpunu imploziju.

Reference

^ Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean;. „The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties”.
^ „National Nuclear Data Center Interactive Chart of Nuclides”.
^ Makhijani, Arjun; Seth, Anita (July 1997). (PDF). Energy and Security. Takoma Park, MD: Institute for Energy and Environmental Research. Retrieved 4 July 2016. „The Use of Weapons Plutonium as Reactor Fuel” (PDF).
^ ^a ^b ^v „Plutonium Isotopic Results of Known Samples Using the Snap Gamma Spectroscopy Analysis Code and the Robwin Spectrum Fitting Routine” (PDF). Arhivirano iz originala (PDF) 13. 08. 2017. g. Nevalidan unos |dead-url=dead (pomoć)

[1] Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean;. „The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties”.

[2] „National Nuclear Data Center Interactive Chart of Nuclides”.

[3] Makhijani, Arjun; Seth, Anita (July 1997). (PDF). Energy and Security. Takoma Park, MD: Institute for Energy and Environmental Research. Retrieved 4 July 2016. „The Use of Weapons Plutonium as Reactor Fuel” (PDF).

[:0-4] v „Plutonium Isotopic Results of Known Samples Using the Snap Gamma Spectroscopy Analysis Code and the Robwin Spectrum Fitting Routine” (PDF). Arhivirano iz originala (PDF) 13. 08. 2017. g. Nevalidan unos |dead-url=dead (pomoć)

[1]

[2]

[3]

[4]