Isótopos de plutonio

El plutonio (₉₄Pu) 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 todos los elementos artificiales, 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; plutonio-242 con una vida media de 373.300 años; y plutonio-239 con una vida media de 24.110 años; y plutonio-240 con una vida media de 6.560 años. Este elemento también tiene ocho metaestados; todos tienen vidas medias de menos de un segundo.

isótopos del plutonio varían en peso atómico desde 228,0387 u (²²⁸Pu) hasta 247,074 u (²⁴⁷Pu). Los modos de desintegración primarios antes del isótopo más estable, el ²⁴⁴Pu, son la fisión espontánea y la desintegración alfa; el modo principal posterior es la emisión beta. Los productos de desintegración primarios antes del ²⁴⁴Pu 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

Actínidos vs productos de fisión

Notable isotopes

• Plutonium-238 tiene una vida media de 87,74 años y emite partículas alfa. Puro ²³⁸Pu para generadores termoeléctricos de radioisotopo que alimentan alguna nave espacial es producida por la captura de neutrones en neptunium-237 pero el plutonio del combustible nuclear gastado puede contener hasta un poco ²³⁸Pu, originaria de ²³⁷Np, decaimiento alfa de ²⁴²Cm, o (n,2n) reacciones.
• Plutonium-239 tiene vida media 24,100 años. ²³⁹Pu y ²⁴¹Pu son fisibles; lo que significa que sus núcleos pueden dividirse siendo bombardeados por neutrones térmicos lentos, liberando energía, radiación gamma y más neutrones. Por lo tanto, puede sostener una reacción en cadena nuclear, que conduce a aplicaciones en armas nucleares y reactores nucleares. ²³⁹Pu se sintetiza irradiando uranio-238 con neutrones en un reactor nuclear, y luego se recupera mediante el reprocesamiento nuclear del combustible. Más captura de neutrones produce isótopos sucesivamente más pesados.
• Plutonium-240 tiene una alta tasa de fisión espontánea, elevando la radiación de neutrones de fondo de plutonio. El plutonio se clasifica por proporción de ²⁴⁰Pu: grado de armamento (asignado7%), grado de combustible (7–19%) y grado de reactor (conferencia19%). Las categorías inferiores son menos adecuadas para bombas y reactores térmicos pero pueden alimentar reactores rápidos.
• Plutonium-241 es fisible, pero beta se descompone con una vida media de 14 años a americium-241.
• Plutonium-242 no es fisible, ni muy fértil (requiere 3 capturas de neutrones más para convertirse en fisible); y tiene una sección de la cruz de captura de neutrones bajo, y una vida media más larga que cualquiera de los isótopos más ligeros.
• Plutonium-244 es el isótopo más estable de plutonio, con una vida media de unos 80 millones de años. No se produce significativamente en los reactores nucleares porque ²⁴³Pu tiene una vida media corta, pero algunas se producen en explosiones nucleares. ²⁴⁴Pu ha sido encontrado en el espacio interestelar y tiene la segunda vida más larga de cualquier radioisotopo no primario.

Producción y usos

²³⁹Pu, 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 por captura de neutrones seguida de dos desintegraciones beta.

²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu y ²⁴²Pu se producen mediante una mayor captura de neutrones. Los isótopos de masa impar ²³⁹Pu y ²⁴¹Pu tienen aproximadamente 3/4 de probabilidad de sufrir fisión al capturar un neutrón térmico y aproximadamente 1/4 de probabilidad de retener el neutrón y convirtiéndose en el siguiente isótopo más pesado. Los isótopos de masa uniforme son fértiles pero no fisibles y también tienen una menor probabilidad (sección transversal) 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 con combustible MOX, el ²⁴⁰Pu puede ser incluso el isótopo más común. Sin embargo, todos los isótopos del plutonio y otros actínidos son fisionables con neutrones rápidos. ²⁴⁰Pu tiene una sección transversal moderada de absorción de neutrones térmicos, por lo que la producción de ²⁴¹Pu en un reactor térmico se convierte en una fracción significativa tan grande como ²³⁹ Producción de poliuretano.

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

²⁴²El 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 (ya sea curio-245 o ²⁴¹Pu) 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 disolver). handle) o convertirse en ²⁴²Pu nuevamente; por lo tanto, el número medio de neutrones absorbidos antes de la fisión es incluso superior a 3. Por lo tanto, el ²⁴²Pu es especialmente inadecuado para el reciclaje en un reactor térmico y sería mejor utilizarlo en un reactor rápido donde pueda fisionarse directamente. . Sin embargo, la baja sección transversal del ²⁴²Pu significa que se transmutará relativamente poco durante un ciclo en un reactor térmico. La vida media de ²⁴²Pu es aproximadamente 15 veces mayor que la vida media de ²³⁹Pu; por lo tanto, es 1/15 de la radiactividad y no es uno de los mayores contribuyentes a la radiactividad de los desechos nucleares. ²⁴²Las emisiones de rayos gamma del Pu también son más débiles que las de los otros isótopos.

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

²³⁸Normalmente, el ciclo del combustible nuclear no produce tanta cantidad de Pu, 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 ²³⁸Pu relativamente libre de otros isótopos de plutonio para su uso en generadores termoeléctricos de radioisótopos), por la reacción (n,2n) de neutrones rápidos en ²³⁹Pu, o por desintegración alfa del curio. -242, que se produce por la captura de neutrones de ²⁴¹Am. Tiene una sección transversal de neutrones térmicos importante para la fisión, pero es más probable que capture un neutrón y se convierta en ²³⁹Pu.

Fabricación

Plutonio-240, -241 y -242

La sección transversal de fisión para ²³⁹Pu es 747,9 graneros para neutrones térmicos, mientras que la sección transversal de activación es 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. ²³⁹El Pu es prácticamente inexistente en la naturaleza. Se fabrica bombardeando uranio-238 con neutrones. El uranio-238 está presente en cantidad en la mayor parte del combustible de los reactores; por lo tanto, en estos reactores se produce continuamente ²³⁹Pu. Dado que el ²³⁹Pu puede dividirse mediante neutrones para liberar energía, el ²³⁹Pu proporciona una parte de la generación de energía en un reactor nuclear.

Plutonium-238

Hay pequeñas cantidades de ²³⁸Pu en el plutonio de los reactores habituales. Sin embargo, la separación isotópica sería bastante costosa en comparación con otro método: cuando ²³⁵U captura un neutrón, se convierte a un estado excitado de ²³⁶U. Algunos de los núcleos ²³⁶U excitados sufren fisión, pero algunos decaen al estado fundamental de ²³⁶U mediante la emisión de radiación gamma. Una mayor captura de neutrones crea ²³⁷U; que, con una vida media de 7 días, decae a ²³⁷Np. Dado que casi todo el neptunio se produce de esta manera o está formado por isótopos que se desintegran rápidamente, se obtiene ²³⁷Np casi puro. Después de la separación química del neptunio, ²³⁷Np es nuevamente irradiado por los neutrones del reactor para convertirse en ²³⁸Np, que decae a ²³⁸Pu con la mitad. -vida de 2 días.

El plutonio-240 como obstáculo para las armas nucleares

El plutonio-240 sufre fisión espontánea a un ritmo pequeño pero significativo (5,8×10⁻⁶%). La presencia de ²⁴⁰Pu limita el uso del plutonio en una bomba nuclear, porque un neutrón procedente de una fisión espontánea inicia prematuramente la reacción en cadena, provocando una liberación temprana de energía que dispersa el núcleo antes de la implosión total. es alcanzado. Esto evita que la mayor parte del núcleo participe en la reacción en cadena y reduce el rendimiento de la bomba.

El plutonio que consta de más de un 90 % de ²³⁹Pu se denomina plutonio apto para armas; El plutonio procedente del combustible nuclear gastado de reactores de energía comerciales generalmente contiene al menos un 20 % de ²⁴⁰Pu 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 de arma nuclear de incluso una fracción de un 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 debida al ²⁴⁰Pu es la razón por la que las armas de plutonio deben utilizar el método de implosión. En teoría, el Pu ²³⁹ puro podría usarse en una bomba tipo pistola, pero lograr este nivel de pureza es prohibitivamente difícil. La contaminación con plutonio-240 ha resultado ser un arma de doble filo. 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 una barrera para la proliferación nuclear. Las bombas de implosión también son intrínsecamente más eficientes y menos propensas a la detonación accidental que las bombas de tipo arma de fuego.