Isótopos de plutonio

Nuclidos artificiales con número atómico de 94 pero con diferentes números másicos

El plutonio ( ₉₄ Pu) es un elemento artificial , excepto en pequeñas cantidades resultantes de la captura de neutrones por el uranio , por lo que no se puede dar un peso atómico estándar . Como todo elemento artificial, no tiene isótopos estables . Se sintetizó mucho antes de encontrarse en la naturaleza; el primer isótopo sintetizado fue el plutonio-238 en 1940. Se han caracterizado veinte radioisótopos de plutonio. Los más estables son el plutonio-244 con una vida media de 80,8 millones de años, el plutonio-242 con una vida media de 373.300 años y el plutonio-239 con una vida media de 24.110 años. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 7.000 años. Este elemento también tiene ocho metaestados ; todos tienen vidas medias de menos de un segundo.

Los isótopos del plutonio varían en peso atómico desde 228,0387  u ( ²²⁸ Pu) hasta 247,074 u ( ²⁴⁷ Pu). Los modos de desintegración primarios antes del isótopo más estable, ²⁴⁴ Pu, son la fisión espontánea y la emisión alfa ; El modo principal posterior es la emisión beta . Los productos de desintegración primarios antes ^{del 244} Pu son isótopos de uranio y neptunio (sin considerar los productos de fisión ), y los productos de desintegración primarios posteriores son isótopos de americio .

Lista de isótopos

1. ^m Pu - Isómero nuclear excitado .
2. ( ) – La incertidumbre (1 σ ) se da de forma concisa entre paréntesis después de los últimos dígitos correspondientes.
3. # – Masa atómica marcada #: valor e incertidumbre derivados no de datos puramente experimentales, sino al menos en parte de tendencias de Mass Surface (TMS).
4. Modos de descomposición:
5. Símbolo en negrita y cursiva como hijo: el producto hijo es casi estable.
6. Símbolo en negrita como hijo: el producto hijo es estable.
7. ( ) valor de giro: indica giro con argumentos de asignación débiles.
8. #: los valores marcados con # no se derivan puramente de datos experimentales, sino al menos en parte de las tendencias de los nucleidos vecinos (TNN).
9. de doble desintegración beta de ²³⁸ U
10. ^ nucleido fisionable
11. Isótopo más útil para armas nucleares.
12. de captura de neutrones de ²³⁸ U
13. Producto de desintegración intermedia de ²⁴⁴ Pu
14. Interestelar, algunos también pueden ser primordiales , pero tales afirmaciones están en disputa

Actínidos vs productos de fisión

Isótopos notables

• El plutonio-238 tiene una vida media de 87,74 años ^[11] y emite partículas alfa . ^{El 238} Pu puro para los generadores termoeléctricos de radioisótopos que alimentan algunas naves espaciales se produce mediante la captura de neutrones en neptunio-237, pero el plutonio del combustible nuclear gastado puede contener hasta un pequeño porcentaje de ²³⁸ Pu, procedente de ²³⁷ Np, desintegración alfa de ²⁴² Cm, o ( n,2n) reacciones.
• El plutonio-239 es el isótopo más importante del plutonio ^{[ cita necesaria ]} , con una vida media de 24.100 años. ^{El 239} Pu y ^{el 241} Pu son fisibles , lo que significa que los núcleos de sus átomos pueden romperse al ser bombardeados por neutrones térmicos que se mueven lentamente , liberando energía, radiación gamma y más neutrones . Por lo tanto, puede sostener una reacción nuclear en cadena , que conduzca a aplicaciones en armas nucleares y reactores nucleares . ^{El 239} Pu se sintetiza irradiando uranio-238 con neutrones en un reactor nuclear y luego se recupera mediante el reprocesamiento nuclear del combustible. Una mayor captura de neutrones produce isótopos sucesivamente más pesados.
• El plutonio-240 tiene una alta tasa de fisión espontánea, lo que aumenta la radiación de neutrones de fondo del plutonio que lo contiene. El plutonio se clasifica según la proporción de ²⁴⁰ Pu: grado para armas (< 7%), grado para combustible (7–19%) y grado para reactores (> 19%). Los grados más bajos son menos adecuados para armas nucleares y reactores térmicos , pero pueden alimentar reactores rápidos .
• El plutonio-241 es fisible, pero también se desintegra beta con una vida media de 14 años hasta convertirse en americio-241 .
• El plutonio-242 no es fisible, no es muy fértil (requiere 3 capturas de neutrones más para volverse fisible), tiene una sección transversal de captura de neutrones baja y una vida media más larga que cualquiera de los isótopos más ligeros.
• El plutonio-244 es el isótopo más estable del plutonio, con una vida media de unos 80 millones de años. No se produce de manera significativa en reactores nucleares porque ^{el 243} Pu tiene una vida media corta, pero una parte se produce en explosiones nucleares. El plutonio-244 se ha encontrado en el espacio interestelar ^[12] y tiene la segunda vida media más larga de todos los radioisótopos no primordiales.

Producción y usos

Una pastilla de plutonio-238 , que brilla por su propio calor, utilizada para generadores termoeléctricos de radioisótopos .

Flujo de transmutación entre ²³⁸ Pu y ²⁴⁴ Cm en LWR . ^[13]
La velocidad de transmutación no se muestra y varía mucho según el nucleido.
²⁴⁵ Cm – ²⁴⁸ Cm son longevos y su deterioro es insignificante.

^{El 239} Pu, un isótopo fisionable que es el segundo combustible nuclear más utilizado en reactores nucleares después del uranio-235 , y el combustible más utilizado en la parte de fisión de las armas nucleares , se produce a partir de uranio-238 mediante captura de neutrones seguida de dos desintegraciones beta.

²⁴⁰ Pu, ²⁴¹ Pu y ²⁴² Pu se producen mediante una mayor captura de neutrones. Los isótopos de masa impar ²³⁹ Pu y ²⁴¹ Pu tienen aproximadamente una probabilidad de 3/4 de sufrir fisión al capturar un neutrón térmico y aproximadamente una probabilidad de 1/4 de retener el neutrón y convertirse en el siguiente isótopo más pesado. Los isótopos de masa uniforme son material fértil pero no fisible y también tienen una probabilidad general ( sección transversal ) más baja de captura de neutrones; por lo tanto, tienden a acumularse en el combustible nuclear utilizado en un reactor térmico, el diseño de casi todas las centrales nucleares actuales. En el plutonio que se ha utilizado por segunda vez en reactores térmicos como combustible MOX , ^{el 240} Pu puede ser incluso el isótopo más común. Sin embargo, todos los isótopos del plutonio y otros actínidos son fisionables con neutrones rápidos . ^{El 240} Pu tiene una sección transversal moderada de absorción de neutrones térmicos, de modo que la producción de ²⁴¹ Pu en un reactor térmico se convierte en una fracción significativa tan grande como la producción de ²³⁹ Pu.

^{El 241} Pu tiene una vida media de 14 años y tiene secciones transversales de neutrones térmicos ligeramente mayores que el ²³⁹ Pu tanto para la fisión como para la absorción. Mientras se utiliza combustible nuclear en un reactor, es mucho más probable que un núcleo de ²⁴¹ Pu se fisione o capture un neutrón que se desintegre. ^{El 241} Pu representa una proporción significativa de las fisiones en el combustible de los reactores térmicos que se utiliza desde hace algún tiempo. Sin embargo, en el combustible nuclear gastado que no se somete rápidamente a un reprocesamiento nuclear sino que se enfría durante años después de su uso, gran parte o la mayor parte del ²⁴¹ Pu se descompondrá beta en americio-241 , uno de los actínidos menores , un potente emisor alfa y difícil de procesar. para uso en reactores térmicos.

²⁴² Pu tiene una sección transversal particularmente baja para la captura de neutrones térmicos; y se necesitan tres absorciones de neutrones para convertirse en otro isótopo fisionable ( curio -245 o ²⁴¹ Pu) y fisión. Incluso entonces, existe la posibilidad de que cualquiera de esos dos isótopos fisibles no se fisione sino que absorba un cuarto neutrón, convirtiéndose en curio-246 (en el camino hacia actínidos aún más pesados ​​como el californio , que es un emisor de neutrones por fisión espontánea y difícil de manejar) o volver a ser ²⁴² Pu; por lo tanto, el número medio de neutrones absorbidos antes de la fisión es incluso superior a 3. Por lo tanto, ^{el 242} Pu es especialmente inadecuado para reciclarse en un reactor térmico y sería mejor utilizarlo en un reactor rápido donde pueda fisionarse directamente. Sin embargo, la baja sección transversal del ²⁴² Pu significa que relativamente poco se transmutará durante un ciclo en un reactor térmico. ^{La vida media del 242} Pu es aproximadamente 15 veces mayor que la del ²³⁹ Pu; por lo tanto, es 1/15 de la radiactividad y no es uno de los mayores contribuyentes a la radiactividad de los desechos nucleares .^{242 Las emisiones} de rayos gamma del Pu también son más débiles que las de los otros isótopos. ^[14]

^{El 243} Pu tiene una vida media de sólo 5 horas y se descompone beta en americio-243 . Debido a que ^{el 243} Pu tiene pocas oportunidades de capturar un neutrón adicional antes de su desintegración, el ciclo del combustible nuclear no produce el ²⁴⁴ Pu de larga vida en cantidades significativas.

Normalmente, el ciclo del combustible nuclear no produce ^{238 Pu en cantidades tan grandes, pero una parte se produce a partir de} neptunio-237 mediante captura de neutrones (esta reacción también se puede utilizar con neptunio purificado para producir ²³⁸ Pu relativamente libre de otros isótopos de plutonio para su uso en generadores termoeléctricos de radioisótopos ), por la reacción (n,2n) de neutrones rápidos sobre ²³⁹ Pu, o por la desintegración alfa del curio -242, que se produce por captura de neutrones de ²⁴¹ Am. Tiene una sección transversal de neutrones térmicos importante para la fisión, pero es más probable que capture un neutrón y se convierta en ²³⁹ Pu.

Fabricar

Plutonio-240, -241 y -242

La sección transversal de fisión para ²³⁹ Pu es de 747,9 graneros para neutrones térmicos, mientras que la sección transversal de activación es de 270,7 graneros (la relación se aproxima a 11 fisiones por cada 4 capturas de neutrones). Los isótopos superiores de plutonio se crean cuando el combustible de uranio se utiliza durante mucho tiempo. Para el combustible usado de alto quemado, las concentraciones de los isótopos de plutonio más altos serán mayores que las del combustible de bajo quemado que se reprocesa para obtener plutonio apto para armas .

Plutonio-239

El plutonio-239 es uno de los tres materiales fisibles utilizados para la producción de armas nucleares y en algunos reactores nucleares como fuente de energía. Los otros materiales fisionables son el uranio-235 y el uranio-233 . El plutonio-239 prácticamente no existe en la naturaleza. Se fabrica bombardeando uranio-238 con neutrones en un reactor nuclear. El uranio-238 está presente en cantidad en la mayor parte del combustible de los reactores; por lo tanto, en estos reactores se produce plutonio-239 continuamente. Dado que el plutonio-239 puede ser dividido por neutrones para liberar energía, el plutonio-239 proporciona una parte de la generación de energía en un reactor nuclear.

Un anillo de plutonio electrorefinado apto para armas, con una pureza del 99,96%. Este anillo de 5,3 kg es suficiente plutonio para su uso en un arma nuclear eficiente. Es necesario que la forma del anillo se aleje de una forma esférica y evite la criticidad .

Plutonio-238

En el plutonio de los reactores habituales de producción de plutonio se encuentran pequeñas cantidades de ^{238 Pu.} Sin embargo, la separación isotópica sería bastante costosa en comparación con otro método: cuando un átomo ^{de 235} U captura un neutrón, se convierte a un estado excitado de ²³⁶ U. Algunos de los núcleos excitados de ²³⁶ U sufren fisión, pero algunos decaen hasta el estado fundamental. de ²³⁶ U emitiendo radiación gamma. Una mayor captura de neutrones crea ²³⁷ U, que tiene una vida media de 7 días y, por lo tanto, decae rápidamente a ²³⁷ Np. Dado que casi todo el neptunio se produce de esta manera o está formado por isótopos que se desintegran rápidamente, se obtiene ²³⁷ Np casi puro mediante la separación química del neptunio. Después de esta separación química, los neutrones del reactor irradian nuevamente ²³⁷ Np para convertirlo en ²³⁸ Np, que desintegra a ²³⁸ Pu con una vida media de 2 días.

El plutonio-240 como obstáculo para las armas nucleares

El plutonio-240 sufre fisión espontánea como modo de desintegración secundaria a un ritmo pequeño pero significativo (5,8 × 10-6 ^% ). ^[1] La presencia de ²⁴⁰ Pu limita el uso del plutonio en una bomba nuclear , porque el flujo de neutrones de la fisión espontánea inicia prematuramente la reacción en cadena , provocando una liberación temprana de energía que dispersa físicamente el núcleo antes de que se alcance la implosión completa . Esto evita que la mayor parte del núcleo participe en la reacción en cadena y reduce la potencia de la bomba.

El plutonio que consta de más del 90% aproximadamente ^{de 239} Pu se denomina plutonio apto para armas ; El plutonio procedente del combustible nuclear gastado procedente de reactores de energía comerciales generalmente contiene al menos un 20% de ²⁴⁰ Pu y se denomina plutonio de calidad para reactores . Sin embargo, las armas nucleares modernas utilizan potenciación por fusión , lo que mitiga el problema de la predetonación; Si el pozo puede generar una potencia nuclear de incluso una fracción de kilotón , que es suficiente para iniciar la fusión deuterio-tritio , la explosión de neutrones resultante fisionará suficiente plutonio para asegurar una producción de decenas de kilotones.

La contaminación por ²⁴⁰ Pu es la razón por la que las armas de plutonio deben utilizar el método de implosión . En teoría, ^{el 239} Pu puro podría usarse en un arma nuclear tipo pistola , pero lograr este nivel de pureza es prohibitivamente difícil. La contaminación con plutonio-240 ha demostrado ser una bendición a medias para el diseño de armas nucleares . Si bien generó retrasos y dolores de cabeza durante el Proyecto Manhattan debido a la necesidad de desarrollar tecnología de implosión, esas mismas dificultades son actualmente una barrera para la proliferación nuclear . Los dispositivos de implosión también son inherentemente más eficientes y menos propensos a la detonación accidental que las armas tipo pistola.

Referencias

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• Datos de vida media, espín e isómeros seleccionados de las siguientes fuentes.
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6. Más radio (elemento 88). Si bien en realidad es un subactínido, precede inmediatamente al actinio (89) y sigue un intervalo de inestabilidad de tres elementos después del polonio (84), donde ningún nucleido tiene vidas medias de al menos cuatro años (el nucleido de vida más larga en el intervalo es radón-222 con una vida media inferior a cuatro días ). El isótopo más longevo del radio, con 1.600 años, merece, por tanto, su inclusión aquí.
7. Específicamente de la fisión de neutrones térmicos del uranio-235, por ejemplo, en un reactor nuclear típico .
8. Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). "La vida media alfa del berkelio-247; un nuevo isómero de larga duración del berkelio-248". Física nuclear . 71 (2): 299. Código bibliográfico : 1965NucPh..71..299M. doi :10.1016/0029-5582(65)90719-4.
   "Los análisis isotópicos revelaron una especie de masa 248 en abundancia constante en tres muestras analizadas durante un período de aproximadamente 10 meses. Esto se atribuyó a un isómero de Bk ²⁴⁸ con una vida media superior a 9 [años]. No hay crecimiento de Cf ²⁴⁸ , y se puede establecer un límite inferior para la vida media β ^{− en aproximadamente 10 4} [años]. No se ha detectado actividad alfa atribuible al nuevo isómero; la vida media alfa es probablemente superior a 300 [años]. ]."
9. Este es el nucleido más pesado con una vida media de al menos cuatro años antes del " mar de inestabilidad ".
10. Excluidos los nucleidos " clásicamente estables " con vidas medias significativamente superiores a ²³² Th; por ejemplo, mientras que ^{el 113m} Cd tiene una vida media de sólo catorce años, la del ^113Cd es de casi ocho cuatrillones de años.
11. Makhijani, Arjun; Seth, Anita (julio de 1997). "El uso de plutonio en armas como combustible para reactores" (PDF) . Energía y Seguridad . Takoma Park, MD: Instituto de Investigación Ambiental y Energética . Consultado el 4 de julio de 2016 .
12. Wallner, A.; Faestermann, T.; Feige, J.; Feldstein, C.; Knie, K.; Korschinek, G.; Kutschera, W.; Ofán, A.; Pablo, M.; Quinto, F.; Rugel, G.; Steier, P. (2015). "La abundancia de 244Pu vivo en reservorios de aguas profundas en la Tierra apunta a la rareza de la nucleosíntesis de actínidos". Comunicaciones de la naturaleza . 6 : 5956. arXiv : 1509.08054 . Código Bib : 2015NatCo...6.5956W. doi : 10.1038/ncomms6956. ISSN  2041-1723. PMC 4309418 . PMID  25601158. 
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Fuentes

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