プルトニウムの同位体

プルトニウム の同位体（94 Pu）
主な同位体[1]減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
236 Puシンセ2.858年α232ウ
SF–
238プソムトレース87.7歳[2]α234ウ
SF–
239 Puトレース2.411 × 10 4 年α235ウ
SF–
240プエルトリコトレース6.561 × 10 3 年α236ウ
SF–
241プソムシンセ14.33歳β −241午前
α237ウ
SF–
242プソムシンセ3.75 × 10 5 年α238ウ
SF–
244プソムトレース8.13 × 10 7 年α240ユニット
SF–

プルトニウム（94 Pu）は、ウランによる中性子捕獲で生じる微量を除いて人工元素であるため、標準原子量を与えることができません。[注 1]すべての人工元素と同様に、安定同位体は存在しません。自然界で発見される前に合成され、最初に合成された同位体は 1940 年の238 Pu です。22 種類のプルトニウム放射性同位体が特徴付けられています。最も安定しているのは、半減期が 8130 万年の 244 Pu、半減期が 375,000 年の 242 Pu、半減期が 24,110 年の239 Pu、および半減期が 6,561 年の240 Pu です。この元素には 8 つのメタ状態もあり、その半減期はすべて 1 秒未満です。

プルトニウムの既知の同位体は、226 Puから247 Puまでの範囲です。最も安定な同位体である244 Puの前の主要な崩壊モードは、自発核分裂とアルファ崩壊です。その後の主要な崩壊モードはベータ放出です。244 Puの前の主要な崩壊生成物は、ウランとネプツニウムの同位体（核分裂生成物は考慮しません）であり、その後の主要な崩壊生成物はアメリシウムの同位体です。

同位体のリスト


核種
[n 1]		Z北同位体質量 （Da）[4] [n 2] [n 3]
半減期[1]
減衰
モード[1]
[n 4]		娘
同位体
[n 5] [n 6]		スピンと
パリティ[1]
[n 7] [n 8]		同位体
存在比
励起エネルギー
226プルトニウム[5]94132226.03825(22)#≥1ミリ秒α222ウ0歳以上
227プルトニウム[6]94133227.03947(11)#0.78+0.39
−0.19 s		α223ウ5/2+#
228プソム94134228.038763(25)2.1(13)秒α224ウ0歳以上
229 Pu94135229.040145(65)91(26)秒α（約50％）225ウ3/2+#
β + (~50%)229番号
SF（<7％）（様々な）
230プエルトリコ94136230.039648(16)105(10)sα（>73％）[7]226 U0歳以上
β + (<27%)230ヌプ
231プソム94137231.041126(24)8.6(5)分β + (87%)231番号（3/2以上）
α（13％）227ウ
232プソム94138232.041182(18)33.7(5)分EC（77％）[8]232番号0歳以上
α（23％）228ウ
233プソム94139233.042997(58)20.9(4)分β + (99.88%)233ヌプ5/2+#
α（0.12％）229ウ
234プソム94140234.0433175(73)8.8(1) 時間EC（94％）234番号0歳以上
α（6％）230ウ
235 Pu94141235.045285(22)25.3(5)分β +235ヌプ（5/2+）
α（0.0028％）231ウ
236 Pu94142236.0460567(19)2.858(8) 年α [n 9]232ウ0歳以上
SF（1.9×10 −7 %）（様々な）
CD (2×10 −12 %)208鉛
28マグネシウム
236m Pu1185.45(15) keV1.2(3) μsそれ236 Pu5−
237プソム94143237.0484079(18)45.64(4) dEC237番号7/2−
α（0.0042％）233ウ
237m1 Pu145.543(8) keV180(20)ミリ秒それ237プソム1/2以上
237m2プエルトリコ2900(250) keV1.1(1) μsSF（様々な）
238プソム94144238.0495582(12)87.7(1) 年α234ウ0歳以上トレース[n 10]
SF（1.9×10 −7 %）（様々な）
CD (1.4×10 −14 %)206Hg32Si​
​​
CD (6×10 −15 %)210, 208鉛
28,30マグネシウム
239 Pu [n 11] [n 12]94145239.0521616(12)2.411(3)×10 4 年α235ウ1/2以上トレース[n 13]
SF (3.1×10 −10 %)（様々な）
239m1 Pu391.584(3) keV193(4) nsそれ239 Pu7/2−
239m2プエルトリコ3100(200) keV7.5(10)μsSF（様々な）（5/2+）
240プエルトリコ94146240.0538117(12)6.561(7)×10 3 年α236ウ0歳以上トレース[n 14]
SF (5.796×10 −6 %)（様々な）
CD（<1.3×10 −11 %）206Hg34Si​
​​
240m Pu1308.74(5) keV165(10) nsそれ240プエルトリコ5−
241 Pu [n 11]94147241.0568497(12)14.329(29) 年[n 15]β −241午前5/2+
α（0.00245％）237ウ
SF（<2.4×10 −14 %）（様々な）
241m1 Pu161.6853(9) keV0.88(5) μsそれ241プソム1/2以上
241m2プエルトリコ2200(200) keV20.5(22)μsSF（様々な）
242プソム94148242.0587410(13)3.75(2)×10 5 年α238ウ0歳以上
SF (5.510×10 −4 %)（様々な）
243 Pu [n 11]94149243.0620021(27)4.9553(25) 時間β −243午前7/2+
243m Pu383.64(25) keV330(30) nsそれ243プソム（1/2以上）
244プソム94150244.0642044(25)8.13(3)×10 7 年α（99.88％）240ユニット0歳以上トレース[n 16]
SF（0.123％）（様々な）
β − β − (<7.3×10 -9 %)244センチメートル
244m Pu1216.0(5) keV1.75(12)秒それ244プソム8−
245プエルトリコ94151245.067825(15)10.5(1) 時間β −午前245時（9月2日〜）
245m1 Pu264.5(3) keV330(20) nsそれ245プエルトリコ（5/2+）
245m2プエルトリコ2000（400）keV90(30) nsSF（様々な）
246 Pu94152246.070204(16)10.84(2) dβ −246午前0歳以上
247プソム94153247.07430(22)#2.27(23) dβ −247午前1/2+#
この表のヘッダーとフッター:
  1. ^ m Pu – 励起核異性体。
  2. ^ ( ) – 不確実性 (1 σ ) は、対応する最後の数字の後の括弧内に簡潔に示されます。
  3. ^ # – 原子質量は # でマークされています。値と不確実性は純粋な実験データからではなく、少なくとも部分的に質量表面 (TMS) の傾向から導き出されています。
  4. ^ 崩壊のモード:
    EC:電子捕獲
    CD：クラスター崩壊
    それ：異性体転移
    SF：自発核分裂
  5. ^ 太字の斜体の記号は娘製品です – 娘製品はほぼ安定しています。
  6. ^ 太字の記号は娘製品です – 娘製品は安定しています。
  7. ^ ( ) スピン値 – 弱い割り当て引数を持つスピンを示します。
  8. ^ # – # でマークされた値は、純粋に実験データから導き出されたものではなく、少なくとも部分的には近隣核種 (TNN) の傾向から導き出されたものです。
  9. ^ β + β +崩壊して236 Uになる可能性もあると理論づけられている
  10. ^ 238 Uの二重ベータ崩壊生成物
  11. ^ abc 核分裂性核種
  12. ^ 核兵器に最も有用な同位体
  13. ^ 238 Uの中性子捕獲生成物
  14. ^ 244 Puの中間崩壊生成物
  15. ^完全に 電離すると、半減期4.2日の束縛状態β崩壊を起こすことができる[9]
  16. ^ 星間、一部は原始的である可能性もあるが、そのような主張は異論がある

アクチニド対核分裂生成物

半減期によるアクチニドと核分裂生成物
アクチニド[10]崩壊系列による半減期
範囲（a）		235 Uの核分裂生成物の収量[ 11]
4 n
（トリウム）		4 n + 1
（ネプツニウム）		4 n + 2
（ラジウム）		4 n + 3
（アクチニウム）		4.5～7%0.04～1.25%<0.001%
228ラ№4～6歳155ユー・ユー
248ページ[12]> 9 a
244センチメートル241 Puƒ250立方フィート227 Ac№10～29歳90シニア85クローネ113m Cdþ
232 Uƒ238 Puƒ243センチメートル29～97年137セシウム151スモールþ121m Sn
249 Cfƒ242m午前​141～351年

100 a～210 ka の範囲に半減期を持つ核分裂生成物はありません...

241午前​251 Cfƒ[13]430～900年
226ラ№247ページ1.3～1.6千年前
240プエルトリコ229番目246センチメートル243午前​4.7～7.4千年前
245センチメートル250センチメートル8.3～8.5千年
239 Puƒ24.1万
230番目​231パ№32～76万年前
236 Npƒ233 Uƒ234 U№15万～25万年前99 Tc₡126スン
248センチメートル242プソム327～375万年前79セ₡
133万135セシウム₡
237 Npƒ161万～650万年前93 Zr107パド
236ウ247センチメートル1500万～2400万年前129 I₡
244プソム8000万

...1570万年以降も存在しない[14]

232番​238 U№235 Uƒ№0.7～14.1 Ga

注目すべき同位体

生産と用途

放射性同位元素熱電発電機に使用される、自身の熱で輝く238 Puのペレット。
軽水炉における238 Puと244 Cm間の核変換フロー。[17]核変換速度は示されておらず、核種によって大きく異なります。245 Cm～248 Cmは長寿命で、崩壊は無視できます。

239 Pu は、ウラン 235に次いで原子炉で2 番目に多く使用されている核燃料であり、核兵器の核分裂部分で最も多く使用されている核分裂性同位体であり、中性子捕獲とそれに続く 2 回のベータ崩壊によってウラン 238から生成されます。

240 Pu、241 Pu、および242 Pu は、さらなる中性子捕獲によって生成されます。奇数質量同位体239 Pu と241 Pu は、熱中性子を捕獲すると核分裂を起こす確率が約 3/4 あり、中性子を保持して次に重い同位体になる確率が約 1/4あります。偶数質量同位体は核分裂親和性がありますが、中性子捕獲の確率 (断面積)も低いため、熱中性子炉 (今日のほぼすべての原子力発電所の設計) で使用される核燃料に蓄積される傾向があります。MOX燃料として熱中性子炉で 2 度使用されたプルトニウムでは、240 Pu が最も一般的な同位体である可能性があります。ただし、すべてのプルトニウム同位体と他のアクチニドは、高速中性子によって核分裂可能です。240 Pu は中程度の熱中性子吸収断面積を持っているため、熱中性子炉における241 Pu の生成量は239 Pu の生成量と同じくらい大きな割合になります。

241 Pu の半減期は14年で、核分裂と吸収の両方において、239 Pu よりも熱中性子断面積がわずかに大きい。原子炉で核燃料が使用されている間、 241 Pu の原子核は崩壊するよりも核分裂または中性子捕獲を起こす可能性がはるかに高い。241 Puは、一定期間使用された熱中性子炉燃料における核分裂の大部分を占める。しかし、使用後すぐに核再処理されずに何年も冷却された使用済み核燃料では、 241 Pu の大部分またはほとんどがベータ崩壊してアメリシウム 241になる。アメリシウム 241 はマイナーアクチニドの一種であり、強いアルファ線放出体であるため、熱中性子炉での使用は困難である。

242 Puは熱中性子捕獲断面積が特に低く、3回の中性子吸収で別の核分裂性同位体（キュリウム-245またはプルトニウム-241）となり核分裂反応を起こす。それでも、これら2つの核分裂性同位体のいずれかが核分裂に失敗する可能性は残っており、代わりに4つ目の中性子を吸収してキュリウム-246（自発核分裂によって中性子を放出し、取り扱いが難しいカリホルニウムのようなさらに重いアクチノイドへの道筋）になるか、再び242 Puに戻る可能性がある。そのため、核分裂反応までに吸収される中性子の平均数は3よりもさらに多い。したがって、242 Puは熱中性子炉でのリサイクルには特に不向きであり、直接核分裂反応を起こす高速炉での使用が適切である。しかし、242 Puの断面積は小さいため、熱原子炉の1サイクル中に核変換される量は比較的少ない。242 Puの半減期は239 Puの半減期の約15倍であるため、放射能は1/15であり、核廃棄物の放射能の大きな要因の一つではない。242 Puのガンマ線放出も他の同位体よりも弱い。[18]

プルトニウム243の半減期はわずか5時間で、ベータ崩壊してアメリシウム243になります。プルトニウム243は崩壊前に中性子を捕獲する機会がほとんどないため、核燃料サイクルでは長寿命のプルトニウム244が大量に生成されません。

238 Puは通常、核燃料サイクルではそれほど大量に生成されませんが、ネプツニウム237から中性子捕獲反応（この反応は精製ネプツニウムと併用することで、放射性同位体熱電発電機に使用するための他のプルトニウム同位体の影響を比較的受けない238 Puを生成するためにも使用できます）、高速中性子と239 Puの(n,2n)反応、またはキュリウム242のアルファ崩壊（241 Amの中性子捕獲によって生成されます）によって生成されます。238 Puは核分裂反応において大きな熱中性子断面積を有しますが、中性子を捕獲して239 Puになる可能性が高くなります。

製造

プルトニウム240、241、242

239 Puの熱中性子核分裂断面積は747.9バーン、放射化断面積は270.7バーンです（この比率は、中性子捕獲4回につき核分裂11回に相当します）。高燃焼度の使用済み燃料では、高燃焼度プルトニウム同位体の濃度は、兵器級プルトニウムを得るために再処理される低燃焼度燃料よりも高くなります。

238 U から240 Pu、241 Pu、242 Puの形成
アイソトープ熱中性子
断面積[19]
（バーン）		減衰
モード		人生の半分
捕獲核分裂
238ウ2.6830.000α4.468 x 10 9年
239ウ20.5714.11β −23.45分
239番号77.03–β −2.356日
239 Pu270.7747.9α24,110年
240プエルトリコ287.50.064α6,561年
241プソム363.01012β −14.325年
242プソム19.160.001α373,300年

プルトニウム239

純度99.96%の兵器級電気精製プルトニウム5.3kgのリング。これは効率的な核兵器に十分なプルトニウム量である。臨界を回避するために、リングの形状は球形から逸脱する必要がある。

プルトニウム239は、核兵器の製造や一部の原子炉のエネルギー源として用いられる3種類の核分裂性物質の1つです。他の核分裂性物質はウラン235とウラン233です。プルトニウム239は自然界にはほとんど存在しません。ウラン238に中性子を照射することで生成されます。ウラン238はほとんどの原子炉燃料に多量に含まれているため、これらの原子炉ではプルトニウム239が継続的に生成されています。プルトニウム239自体も中性子によって分裂してエネルギーを放出するため、原子炉におけるエネルギー生成の一部はプルトニウム239によって担われています。

238 Uから239 Puの形成[20]
要素アイソトープ熱中性子捕獲
断面積（バーン）		熱中性子核分裂
断面積（バーン）		減衰モード人生の半分
あなた2382.685·10 −6α4.47 x 10 9年
あなた2392215β −23分
いいえ239301β −2.36日
プ239271750α24,110年

プルトニウム238

通常の原子炉から生成されるプルトニウムには、微量の238 Pu が含まれています。しかし、同位体分離は他の方法に比べて非常に高価になります。 235 U が中性子を捕獲すると、励起状態の236 U に変換されます。励起された236 U 原子核の一部は核分裂を起こしますが、一部はガンマ線を放出して236 Uの基底状態に崩壊します。さらに中性子が捕獲されると237 U が生成され、半減期 7 日で237 Np に崩壊します。ほぼすべてのネプツニウムはこのように生成されるか、崩壊が速い同位体で構成されているため、ほぼ純粋な237 Np が得られます。ネプツニウムを化学的に分離した後、237 Np は再び原子炉中性子に照射されて238 Npに変換され、半減期 2 日で238 Pu に崩壊します。

235 U から238 Puの形成
要素アイソトープ熱中性子
断面積		減衰モード人生の半分
あなた23599α7億380万年
あなた2365.3α2342万年
あなた237—β −6.75日
いいえ237165（キャプチャ）α214万4000年
いいえ238—β −2.11日
プ238—α87.7歳

核兵器の障害となるプルトニウム240

240 Puは、小さいながらも重要な割合で自発核分裂を起こす（5.8 × 10 −6 %)。[1] 240 Puの存在は、核爆弾におけるプルトニウムの使用を制限します。なぜなら、自発核分裂から生じた中性子が連鎖反応を早期に開始させ、エネルギーの早期放出を引き起こし、完全な爆縮に達する前に炉心を分散させるからです。これにより、炉心の大部分が連鎖反応に参加できず、爆弾の威力が低下します。

プルトニウムの約90%以上が239 Puであるものは兵器級プルトニウムと呼ばれます。商用発電炉の使用済み核燃料由来のプルトニウムは、一般的に少なくとも20%の240 Puを含み、原子炉級プルトニウムと呼ばれます。しかし、現代の核兵器は核融合ブースティングを用いており、これによりプリデトネーションの問題は軽減されます。ピットが1キロトンの何分の1かの核兵器出力（重水素-三重水素核融合を開始するのに十分な出力）を生成できれば、結果として生じる中性子バーストによって十分なプルトニウムが核分裂し、数十キロトンの出力を確保できます。

プルトニウム240による汚染は、プルトニウム兵器が爆縮方式を使わざるを得ない理由です。理論的には、純粋なプルトニウム239を銃型爆弾に使用できますが、このレベルの純度を達成することは非常に困難です。プルトニウム240の汚染は、良い面と悪い面の両方を持っています。マンハッタン計画では、爆縮技術の開発が必要だったため、開発の遅延と問題が生じましたが、同時に、それらの困難は核拡散の障壁にもなっています。爆縮爆弾は、銃型爆弾よりも本質的に効率が高く、偶発的な爆発の可能性が低いという利点もあります。

注記

  1. ^ 原始プルトニウム244は希土類鉱物中に微量に存在すると予測されている。しかし、2021年現在、様々なバストネサイト試料の測定により、その濃度の上限は質量比10-19程度とされている。 [ 3]

参考文献

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  10. ^ ラジウム（元素番号88）も加わる。実際にはサブアクチノイドであるが、アクチニウム（元素番号89）の直前に位置し、ポロニウム（元素番号84）の後に3元素の不安定性ギャップがあり、このギャップには半減期が4年以上の核種は存在しない（このギャップで最も長寿命の核種は半減期が4日未満のラドン222である）。ラジウムの同位体の中で最も長寿命の同位体は1,600年であり、この元素をここに含める価値がある。
  11. ^具体的には、典型的な 原子炉におけるウラン 235 の熱中性子核分裂から生じます。
  12. ^ Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). 「ベルクリウム247のアルファ半減期；ベルクリウム248の新しい長寿命異性体」.核物理学. 71 (2): 299. Bibcode :1965NucPh..71..299M. doi :10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    同位体分析の結果、約10ヶ月間にわたり分析された3つのサンプルにおいて、質量数248の核種が一定量存在することが分かりました。これは、半減期が9年以上のBk 248の異性体に起因するものと推定されました。Cf 248の増殖は検出されず、β線半減期の下限は約10 4年と推定されます。この新たな異性体に起因するα線放射は検出されていません。α線の半減期はおそらく300年以上です。
  13. ^ これは「不安定の海」に入るまでの半減期が少なくとも4年である最も重い核種です。
  14. ^ 半減期が232 Th を大幅に超える「古典的に安定した」核種は除きます。たとえば、 113m Cd の半減​​期はわずか 14 年ですが、 113 Cd の半減​​期は 8京年です。
  15. ^ Makhijani, Arjun; Seth, Anita (1997年7月). 「兵器用プルトニウムの原子炉燃料としての利用」(PDF) .エネルギーと安全保障. メリーランド州タコマパーク：エネルギー環境研究所. 2016年7月4日閲覧.
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出典

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