플루토늄 동위 원소

Isotopes of plutonium
플루토늄의 주요 동위원소 (94Pu)
이소토페 붕괴
아반댄스 반감기 (t1/2) 모드 프로덕트
238푸 추적하다 87.74년 SF –
α 234U
239푸 추적하다 2.41×104 y SF –
α 235U
240푸 추적하다 6500년 SF –
α 236U
241푸 동기 14년 β− 241암
SF –
242푸 동기 3.73×105 y SF –
α 238U
244푸 추적하다 8.08×107 y α 240U
SF –

플루토늄(94Pu)은 우라늄에 의한 중성자 포획에서 발생하는 미량을 제외하고 인공 원소이므로 표준 원자량을 제공할 수 없다.모든 인공 원소들처럼, 그것은 안정적인 동위원소를 가지고 있지 않다.그것은 자연에서 발견되기 훨씬 전에 합성되었고, 최초의 동위원소는 1940년 Pu이다.20개의 플루토늄 방사성 동위원소가 특징지어졌다.가장 안정적인 것은 반감기가 8080만 년인 플루토늄-244, 반감기가 37만3300 년인 플루토늄-232, 반감기가 24110 년인 플루토늄-239이다.나머지 방사성 동위원소들은 모두 7,000년 미만의 반감기를 가지고 있다.또한 이 요소에는 8개의 메타 상태가 있으며, 모두 1초 미만의 반감기를 가집니다.

플루토늄 동위원소는 원자량 228.0387u(228Pu)에서 247.074u(247Pu)까지 다양하다.가장 안정적인 동위원소인 Pu 이전의 1차 붕괴 모드는 자발적 핵분열과 알파 방출이며, 그 이후의 1차 붕괴 모드는 베타 방출이다.Pu 이전의 1차 붕괴 생성물은 우라늄과 넵투늄의 동위원소이며(분열 생성물은 고려되지 않음), 그 이후의 1차 붕괴 생성물은 아메리슘의 동위원소이다.

동위원소 목록

핵종
[n1] 		Z N 동위원소 질량 (다)
[n2][n3] 		반감기
 붕괴
모드
[n4] 		딸.
동위원소
[n5][n6] 		회전 및
패리티
[n7][n8] 		동위원소
풍부
들뜸 에너지
228푸 94 134 228.03874(3) 1.1µ20-5)초 α(99.9%) 224U 0+
β+(.1%) 228Np
229푸 94 135 229.04015(6) 120(50)초 α 225U 3/2+#
230푸 94 136 230.039650(16) 1.70(17)분 α 226U 0+
β(표준+) 230Np
231푸 94 137 231.041101(28) 8.6(5)분 β+ 231Np 3/2+#
α(표준) 227U
232푸 94 138 232.041187(19) 33.7(5)분 EC(89%) 232Np 0+
α(11%) 228U
233푸 94 139 233.04300(5) 20.9(4)분 β(99+.88%) 233Np 5/2+#
α(.12%) 229U
234푸 94 140 234.043317(7) 8.8 (1) 시간 EC(94%) 234Np 0+
α(6%) 230U
235푸 94 141 235.045286(22) 25.3(5)분 β(99+.99%) 235Np (5/2+)
α(.0027%) 231U
236푸 94 142 236.0460580(24) 2.858(8) y α 232U 0+
SF(1.37×10−7%) (표준)
CD (2 × 10−12 %) 208PB
28Mg
β++(염색체) 236U
237푸 94 143 237.0484097(24) 45.2 (1) d EC 237Np 7/2−
α(.0042%) 233U
237m1푸 145.544(10)2 keV 180(20) 밀리초 IT부문 237푸 1/2+
237m2푸 2900(250) keV 1.1 (1) μs
238푸 94 144 238.0495599(20) 87.7 (1)년 α 234U 0+ 트레이스[n 9]
SF(1.9×10−7%) (표준)
CD(1.4×10−14%) 206Hg
32시
CD(6×10−15%) 180YB
30Mg
28Mg
239푸[n10][n11] 94 145 239.0521634(20) 2.411(3)×104 y α 235U 1/2+ 트레이스[n 12]
SF(3.1×10−10%) (표준)
239m1푸 391.584(3)keV 193(4) ns 7/2−
239m2푸 3100(200) keV 7.5(10)μs (5/2+)
240푸 94 146 240.0538135(20) 6.561(7)×103 y α 236U 0+ 트레이스[n 13]
SF(5.7×10−6%) (표준)
CD(1.3×10−13%) 206Hg
34시
241푸[n10] 94 147 241.0568515(20) 14.1996(6) y β(99−.99%) 241암 5/2+
α (.00245 %) 237U
SF(2.4×10−14%) (표준)
241m1푸 161.6 (1) keV 0.88(5)μs 1/2+
241m2푸 2200(200) keV 21(3)μs
242푸 94 148 242.0587426(20) 3.75(2)×105 y α 238U 0+
SF(5.5×10−4%) (표준)
243푸[n 10] 94 149 243.062003(3) 4.956(3)시간 β− 243암 7/2+
243m푸 383.6(4)keV 330(30) ns (1/2+)
244푸 94 150 244.064204(5) 8.00 (9)×107 년 α(99.88%) 240U 0+ 트레이스[n 14]
SF (.123%) (표준)
β−−(7.3×10−9%) 244Cm
245푸 94 151 245.067747(15) 10.5 (1) 시간 β− 245암 (9/2−)
246푸 94 152 246.070205(16) 10.84 (2) d β− 246m암 0+
247푸 94 153 247.07407(32)# 2.27(23)d β− 247암 1/2+#
다음 표의 머리글과 바닥글:
  1. ^ mPu – 들뜬 핵 이성질체.
  2. ^ ( ) - 불확실성(1')은 대응하는 마지막 자리 뒤에 괄호로 간결하게 표시됩니다.
  3. ^ # – 원자질량 표시 #: 순수 실험 데이터가 아니라 적어도 부분적으로 질량 표면(TMS)의 동향에서 도출된 값과 불확실성.
  4. ^ 붕괴 모드:
    CD: 클러스터 붕괴
    EC: 전자 포획
    IT: 이성질 전이
    SF: 자연 핵분열
  5. ^ 굵은 이탤릭체 딸– 도터 제품은 거의 안정적입니다.
  6. ^ 딸이라는 굵은 기호– 딸 제품은 안정적입니다.
  7. ^ ( ) spin value : 약한 할당 인수를 사용한 스핀을 나타냅니다.
  8. ^ # – #로 표시된 값은 순수하게 실험 데이터에서 도출된 것이 아니라 적어도 부분적으로 인접핵종(TNN)의 추세에서 도출된 것이다.
  9. ^ U의 이중 베타 붕괴 생성물
  10. ^ a b c 핵분열성 핵종
  11. ^ 핵무기에 가장 유용한 동위원소
  12. ^ U의 중성자 포획 생성물
  13. ^ Pu의 중간 붕괴 생성물
  14. ^ 성간, 일부는 원시적인 것일 수도 있지만, 그러한 주장은 논란의 여지가 있다.

액티니드 대 핵분열 생성물

반감기별 악티니드 및 핵분열 생성물
붕괴사슬에 의한 액티니드[1] 반감기
범위(a)		 수율에 의한[2] U의 핵분열 생성물
4n 4n + 1 4n + 2 4n + 3 4.5–7% 0.04–1.25% 0.001% 미만
228라№ 4 ~ 6 a 155에우þ
244Cmƒ 241푸ƒ 250Cf 227AC№ 10 ~ 29 a 90시르 85Kr 113mCDþ
232Uƒ 238푸ƒ 243Cmƒ 29~97 a 137Cs 151SMþ 121m스니
248Bk[3] 249Cfƒ 242m암ƒ 141 ~ 351 a

어떤 핵분열 생성물도 100a~210ka의 반감기를 가지고 있지 않다...

241암ƒ 251Cfƒ[4] 430~900 a
226라№ 247Bk 1.3~1.6ka
240푸 229Th(Th) 246Cmƒ 243암ƒ 4.7~7.4ka
245Cmƒ 250Cm 8.3~8.5ka
239푸ƒ 24.1ka
230Th№(Th) 231빠№ 32~76ka
236Npƒ 233Uƒ 234U№ 150~250ka 99Tc₡ 126스니
248Cm 242푸 327 ~ 375 ka 79세₡
1.53 Ma 93Zr
237Npƒ 2.1 ~ 6.5 Ma 135Cs₡ 107PD
236U 247Cmƒ 15 ~ 24 Ma 129나₡
244푸 80 Ma

...15.7 Ma[5] 이상

232Th№(Th) 238U№ 235Uƒ№ 0.7~14.1 Ga

주목할 만한 동위원소

생산 및 용도

방사성 동위원소 열전 발전기에 사용되는 자체 열로 빛나는 플루토늄-238 펠릿입니다.
LWR의 [8]Pu와 Cm 사이의 변환 흐름.
변환 속도는 표시되지 않으며 핵종에 따라 크게 다릅니다.
Cm-Cm은 248붕괴가 거의 없는 긴 245수명입니다.

239우라늄-235 다음으로 원자로에서 많이 사용되는 핵연료이자 핵분열 부분에서 가장 많이 사용되는 핵분열성 동위원소인 Pu는 중성자 포획에 이어 두 번의 베타 붕괴에 의해 우라늄-238에서 생산된다.

240Pu, Pu 및 Pu는 추가적인 중성자 포획에 의해 생성된다.홀수질량 동위원소 Pu와 Pu는 열 중성자 포획 시 핵분열을 겪을 확률이 약 3/4이고 중성자를 유지하여 다음으로 무거운 동위원소가 될 확률은 약 1/4이다.짝수 질량 동위원소는 비옥한 물질이지만 핵분열성은 없으며 중성자 포획의 전체 확률(단면)도 낮다. 따라서 오늘날 거의 모든 원자력 발전소의 설계인 열 원자로에서 사용되는 핵 연료에 축적되는 경향이 있다.MOX 연료의 열원자로에 두 번째로 사용된 플루토늄에서는 Pu가 가장 일반적인 동위원소일 수도 있다.그러나 모든 플루토늄 동위원소와 다른 악티니드는 빠른 중성자로 핵분열할 수 있다.240Pu는 중간 정도의 열중성자 흡수 단면을 가지고 있기 때문에 열반응기에서의 Pu 생산량은 Pu 생산량의 상당 부분이 된다.

241Pu는 반감기가 14년이고 핵분열과 흡수 모두 Pu보다 열 중성자 단면이 약간 높다.핵연료가 원자로에서 사용되는 동안, Pu 핵은 붕괴보다는 핵분열이나 중성자를 포획할 가능성이 훨씬 높다.241Pu는 한동안 사용되어 온 열원자로 연료에서 상당한 비율을 차지한다.그러나 핵 재처리를 신속하게 거치지 않고 사용 후 몇 년 동안 냉각되는 사용후 핵연료에서는 Pu의 대부분 또는 대부분이 베타 붕괴되어 열원자로에서 사용하기 어려운 부악티늄 중 하나인 아메리슘-241이 된다.

242Pu는 특히 열 중성자 포획에 대한 단면이 낮으며, 또 다른 핵분열 동위원소(큐륨-245 또는 Pu)가 되고 핵분열이 일어나려면 세 개의 중성자 흡수가 필요하다.그때도, 기회가 있거나 이 두 핵 분열성 동위 원소 허걱는 것은 아니고,curium-246(자발 핵 분열에 의해 있는 중성자 방출제 칼리 포르늄고 어려운처럼 심지어 더 심한 악티늄 원소에 가는 길을 취급하는 방법) 받거나 242Pu 다시 네번째 중성자 흡수하다 실패할 것이다;그래서 중성자의 평균 수 fis기 전에 흡수된다.시on은 3보다 높아집니다.따라서 Pu는 특히 열원자로에서의 재활용에 적합하지 않으며 직접 연료를 공급할 수 있는 고속원자로에서 더 잘 사용될 것이다.그러나 Pu의 단면이 낮기 때문에 열원자로에서는 1사이클 동안 변환되는 양이 상대적으로 적다는 것을 의미한다.242Pu의 반감기는 Pu의 반감기의 약 15배이다. 따라서 Pu의 반감기는 방사능의 1/15이며 핵폐기물 방사능의 더 큰 원인 중 하나가 아니다.242Pu의 감마선 방출도 다른 [9]동위원소보다 약하다.

243Pu의 반감기는 겨우 5시간이고, β는 아메리슘-243으로 분해된다.Pu는 붕괴 전에 추가 중성자를 포착할 기회가 거의 없기 때문에 핵연료 사이클은 수명이 긴 Pu를 유의하게 생성하지 않는다.

238Pu 보통에는 핵 연료 주기까지neptunium-237에서 중성자 포획(이 반응 또한 정제된 넵투늄과 상대적으로 다른 플루토늄 동위 원소의 자유 RI발열 발전기에 사용하기 위해 238Pu을 생산할 수 있기)에 의해, 빠른 중성자의(n,2n)반응에에 의해서 만들어진다 만들어진 것이 아니다. 239, 또는퀴륨-242의 알파 붕괴에 의해 생성되며, 퀴륨-242는 Am의 중성자 포획에 의해 생성된다.핵분열을 위한 상당한 열 중성자 단면을 가지지만, 중성자를 포획하여 Pu가 될 가능성이 높다.

제조하다

플루토늄-240, -241 및 -242

Pu의 핵분열 단면은 열 중성자의 경우 747.9 축사이며, 활성화 단면은 270.7 축사이다(중성자 포집 4개당 비율은 약 11개).더 높은 플루토늄 동위원소는 우라늄 연료가 오래 사용될 때 생성된다.고연소 사용후 연료의 경우 고연소 동위원소의 농도는 무기급 플루토늄을 얻기 위해 재처리되는 저연소 연료보다 높아진다.

U에서 Pu, Pu, Pu의 구성
동위원소 열중성자
단면적[10]
(배관)		 붕괴
모드		 반감기
캡처 핵분열
238U 2.683 0.000 α 4.468 x 10년9
239U 20.57 14.11 β− 23.45분
239Np 77.03 – β− 2.356일
239푸 270.7 747.9 α 24,110년
240푸 287.5 0.064 α 6,561년
241푸 363.0 1012 β− 14.199년
242푸 19.16 0.001 α 373,300년

플루토늄-239

주요 기사 : 플루토늄-239

플루토늄-239는 핵무기 생산과 일부 원자로에서 에너지원으로 사용되는 세 가지 핵분열 물질 중 하나이다.다른 핵분열성 물질은 우라늄-235와 우라늄-233이다.플루토늄-239는 사실상 존재하지 않는다.그것은 원자로에서 우라늄-238을 중성자로 폭격함으로써 만들어진다.우라늄-238은 대부분의 원자로 연료에 대량으로 존재하기 때문에 플루토늄-239는 이러한 원자로에서 지속적으로 제조된다.플루토늄-239는 에너지를 방출하기 위해 중성자에 의해 분할될 수 있기 때문에 플루토늄-239는 원자로에서 에너지 생성의 일부를 제공한다.

순도 99.96%의 무기급 전기 정제 플루토늄 고리.이 5.3kg 링은 효율적인 핵무기에 사용하기에 충분한 플루토늄이다.링 모양은 구형에서 벗어나 중요도를 피하기 위해 필요합니다.
U에서[11] Pu의 형성은
요소 동위원소 열 중성자 포획
단면(표준)		 열중성자 핵분열
단면(바른)		 붕괴 모드 반감기
U 238 2.68 5/10−6 α 4.47 x 10년9
U 239 22 15 β− 23분
Np 239 30 1 β− 2.36일
푸 239 271 750 α 24,110년

플루토늄-238

주요 기사 : 플루토늄-238

보통 플루토늄을 생산하는 원자로의 플루토늄에는 소량의 Pu가 들어 있다.그러나 동위원소 분리는 다른 방법에 비해 상당히 비싸다. 즉, U 원자가 중성자를235 포착하면 U의 들뜬 상태로 전환된다. 들뜬 U 원자 중 일부는 핵분열을 겪지만 일부는 감마선을 방출하여 U의 지면 상태로 붕괴된다.중성자 포획은 반감기가 7일인 U를 생성하므로 Np로 빠르게 감소한다.거의 모든 넵투늄이 이러한 방식으로 생성되거나 빠르게 부패하는 동위원소로 구성되기 때문에, 넵투늄의 화학적 분리에 의해 거의 순수한 Np를 얻을 수 있다.이 화학적 분리 후 다시 Np를 원자로 중성자로 조사하여 Np로 변환하고, Np는 2일의 반감기로 Pu로 분해된다.

U에서 Pu의 형성은
요소 동위원소 열중성자
단면적		 붕괴 모드 반감기
U 235 99 α 703,800,000년
U 236 5.3 α 2,310,000년
U 237 — β− 6.75일
Np 237 165 (표준) α 2,194,000년
Np 238 — β− 2.11일
푸 238 — α 87.7년

240핵무기의 장애물로써 Pu.

플루토늄-240은 작지만 중요한 속도로 2차 붕괴 모드로 자발적 핵분열을 겪는다.Pu의 존재는 플루토늄의 핵폭탄 사용을 제한한다. 왜냐하면 자발적 핵분열로 인한 중성자속은 연쇄반응을 조기에 시작하여 완전한 내폭에 도달하기 전에 물리적으로 핵을 분산시키는 에너지의 조기 방출을 유발하기 때문이다.이것은 대부분의 핵이 연쇄 반응에 참여하는 것을 막고 폭탄의 위력을 감소시킨다.

약 90% 이상의 Pu로 구성된 플루토늄을 무기급 플루토늄이라고 하며, 상업용 원자로에서 나오는 사용후 핵연료에서 나오는 플루토늄은 일반적으로 최소 20%의 Pu를 함유하고 있으며, 이를 원자로급 플루토늄이라고 한다.그러나, 현대 핵무기는 프리톤화 문제를 완화하는 핵융합 부스팅을 사용한다. 만약 이 구덩이가 중수소-삼중수소 융합을 시작하기에 충분한 킬로톤의 핵무기 산출량을 발생시킬 수 있다면, 그 결과로 발생하는 중성자 폭발은 수십 킬로톤의 산출량을 보장하기에 충분한 플루토늄을 핵분열시킬 것이다.

240플루토늄 무기가 폭발 방식을 사용해야 하는 이유는 Pu 오염 때문이다.이론적으로 순수한 Pu는 총형 핵무기에 사용될 수 있지만, 이 정도의 순도를 달성하는 것은 매우 어렵다.240Pu 오염은 핵무기 설계에 복합적인 축복이 있음을 증명했다.폭발 기술 개발의 필요성 때문에 맨해튼 프로젝트 동안 지연과 골칫거리를 야기시켰지만, 그와 같은 어려움은 현재 핵 확산의 장벽이다.폭발 장치는 또한 본질적으로 총형 무기보다 더 효율적이고 우발적인 폭발에 덜 취약하다.

레퍼런스

  1. ^ + 라듐(원소 88).실제로 서브액티늄(sub-actinide)이지만, 그것은 악티늄(89) 바로 앞에 있고 폴로늄(84) 다음으로 불안정한 3원소 갭을 따른다. 이 갭에서 반감기가 4년 이상인 핵종은 라돈-222이다.라듐의 가장 오래 산 동위원소는 1,600년으로, 따라서 이 원소를 여기에 포함할 가치가 있다.
  2. ^ 특히 우라늄-235의 열중성자 핵분열(예: 일반적인 원자로).
  3. ^ Milsted, J.; Friedman, A. M.; Stevens, C. M. (1965). "The alpha half-life of berkelium-247; a new long-lived isomer of berkelium-248". Nuclear Physics. 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. doi:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    동위원소 분석 결과 약 10개월 동안 분석한 3개 표본에서 질량 248종이 일정하게 풍부하게 검출됐다.이는 반감기가 9년 이상인 Bk의248 이성질체에 기인한다.Cf의 성장은248 검출되지 않았으며, β− 반감기의 하한을 약 104 [년]으로 설정할 수 있다.새로운 이성질체에 기인하는 알파 활성은 검출되지 않았습니다. 알파 반감기는 아마도 300년 이상일 것입니다."
  4. ^ 이것은 "불안정의 바다"가 생기기 전 최소한 4년의 반감기를 가진 가장 무거운 핵종이다.
  5. ^ 반감기가 Th를 크게 초과하는 "고전적으로 안정적인" 핵종을 제외하면, 예를 들어 Cd의 반감기는 14년밖에 되지 않지만, Cd의 반감기는 거의 8,000조 년이다.
  6. ^ Makhijani, Arjun; Seth, Anita (July 1997). "The Use of Weapons Plutonium as Reactor Fuel" (PDF). Energy and Security. Takoma Park, MD: Institute for Energy and Environmental Research. Retrieved 4 July 2016.
  7. ^ Wallner, A.; Faestermann, T.; Feige, J.; Feldstein, C.; Knie, K.; Korschinek, G.; Kutschera, W.; Ofan, A.; Paul, M.; Quinto, F.; Rugel, G.; Steier, P. (2015). "Abundance of live 244Pu in deep-sea reservoirs on Earth points to rarity of actinide nucleosynthesis". Nature Communications. 6: 5956. arXiv:1509.08054. Bibcode:2015NatCo...6.5956W. doi:10.1038/ncomms6956. ISSN 2041-1723. PMC 4309418. PMID 25601158.
  8. ^ Sasahara, Akihiro; Matsumura, Tetsuo; Nicolaou, Giorgos; Papaioannou, Dimitri (April 2004). "Neutron and Gamma Ray Source Evaluation of LWR High Burn-up UO2 and MOX Spent Fuels". Journal of Nuclear Science and Technology. 41 (4): 448–456. doi:10.3327/jnst.41.448. Archived from the original on 2010-11-19.
  9. ^ "Plutonium Isotopic Results of Known Samples Using the Snap Gamma Spectroscopy Analysis Code and the Robwin Spectrum Fitting Routine" (PDF).
  10. ^ 국립 원자력 데이터 센터 핵종의 상호작용도
  11. ^ Miner 1968, 페이지 541 :