ไอโซโทปของพลูโทเนียม

พลูโทเนียม (Pu) ไม่มีไอโซโทปที่เสถียร จึงไม่มีมวลอะตอมพื้นฐาน

• พลูโทเนียม-238 มีครึ่งชีวิต 87.74 ปี และปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา Pu-238 บริสุทธิ์สำหรับเครื่องผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสีซึ่งเป็นแหล่งพลังงานของยานอวกาศถูกสร้างโดยการจับยึดนิวตรอนบนเนปทูเนียม-237 แต่พลูโทเนียมจากกากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สามารถประกอบด้วย Pu-238 สองสามเปอร์เซ็นจาก ²³⁷Np, การสลายให้อนุภาคแอลฟาของ ²⁴²Cm, หรือปฏิกิริยา (n,2n)
• พลูโทเนียม-239 เป็นไอโซโทปของพลูโทเนียมที่สำคัญมาก มีครึ่งชีวิต 24,100 ปี Pu-239 และ Pu-241 เป็นวัสดุฟิสไซล์ซึ่งหมายความว่านิวเคลียสอะตอมสามารถแตกตัวจากการชนด้วยนิวตรอนความร้อนเคลื่อนที่ช้า จะปลดปล่อยพลังงาน, รังสีแกมมา และ นิวตรอนจำนวนมากออกมา ทำให้สามารถเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ทางนิวเคลียร์ นำไปสู่การประยุกต์ใช้ในอาวุธนิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ Pu-239 สามารถสังเคราะห์จากการฉายรังสียูเรเนียม-238ด้วยนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ นอกจากนี้ยังพบในการนำสารกัมมันตภาพรังสีมาใช้ใหม่ (nuclear reprocessing) ของเชื้อเพลิง อนึ่ง การจับยึดนิวตรอนจะสร้างไอโซปโทปที่หนักกว่าได้
• พลูโทเนียม-240 มีอัตราการเกิดฟิชชันเกิดเองสูง การแผ่นิวตรอนพื้นหลังที่สูงขึ้นของพลูโทเนียมจะมาจากไอโซโทปนี้ การแบ่งเกรดพลูโทเนียมจะยึดเอาการมีอยู่ของ Pu-240 เป็นเกณฑ์: เกรดอาวุธ (< 7%), เกรดเชื้อเพลิง (7–19%) และ เกรดเครื่องปฏิกรณ์ (> 19%) เกรดที่ต่ำนั้นไม่เหมาะสำหรับอาวุธนิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์อุณหภาพ (thermal reactor) แต่สามารถเป็นเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเร็ว (fast reactor) Pu-240 ไม่เป็นวัสดุฟิสไซล์ แต่เป็นวัสดุต้นกำเนิด (fertile material) เช่นเดียวกับ U-238.
• พลูโทเนียม-241 เป็นวัสดุฟิสไซล์ มีครึ่งชีวิต 14 ปี แต่เกิดการสลายให้อนุภาคบีตาไปเป็นอะเมริเซียม-241
• พลูโทเนียม-242 ไม่เป็นวัสดุฟิสไซล์ และยิ่งไม่เป็นต้นกำเนิด (ต้องการจับยึดนิวตรอนมากกว่า 3 นิวตรอนจึงจะกลายเป็นวัสดุฟิสไซล์) มีค่าภาคตัดขวางของนิวตรอน (Neutron cross-section) ต่ำ และมีครึ่งชีวิตยาวกว่าไอโซโทปที่เบากว่า
• พลูโทเนียม-244 เป็นไอโซโทปของพลูโทเนียมที่เสถียรที่สุด มีครึ่งชีวิต 80 ล้านปี ยาวนานพอที่จะพบได้ในธรรมชาติ

รูปแบบการสลาย

ยี่สิบไอโซโทปกัมมันตรังสีพลูโทเนียมต่างก็มีลักษณะเฉพาะตัว Pu-244 เสถียรที่สุด มีครึ่งชีวิต 80.8 ล้านปี Pu-242 มีครึ่งชีวิต 373,300 ปี และ Pu-239 มีครึ่งชีวิต 24,110 ปี ส่วนไอโซโทปกัมมันตรังสีที่เหลือมีครึ่งชีวิตน้อยกว่า 7,000 ปี พลูโทเนียมมีสถานะเมตา(meta state) 8 สถานะซึ่งไม่มีความเสถียรเลย (ทั้งหมดมีครึ่งชีวิตน้อยกว่า 1 วินาที)

ไอโซโทปของพลูโทเนียมมีน้ำหนักอะตอมราวๆ 228.0387 u (Pu-228) จนถึง 247.074 u (Pu-247) ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดคือ Pu-244 มีการสลายตัวโดยฟิชชันเกิดเองและให้รังสีแอลฟาต่อมาจะให้รังสีบีตา Pu-244 จะกลายเป็นไอโซโทปยูเรเนียมและเนปจูเนียม และไอโซโทปอเมริเซียมในกระบวนการหลังรวมทั้งผลิตผลฟิชชันที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชัน

การสร้างและการใช้งาน

 

ก้อนพลูโทเนียม-238 ที่เรืองแสงขึ้นเอง ใช้สำหรับเครื่องผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสี

Pu-239 เป็นวัสดุฟิสไซล์ ใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มากเป็นอันดับสองในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์รองจาก U-235 และใช้เป็นเชื้อเพลิงมากที่สุดในส่วนฟิชชันของอาวุธนิวเคลียร์ การสร้าง Pu-239 ทำได้จาก U-238 โดยการจับยึดนิวตรอนโดยตามด้วยการสลายให้อนุภาคบีตา 2 ครั้ง

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23.5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$ 

Pu-240, Pu-241, Pu-242 สามารถสร้างขึ้นจากการจับยึดนิวตรอน ไอโซโทปมวลคี่ Pu-239 และ Pu-241 มีโอกาสประมาณ 3/4 ของฟิชชันบนการจับยึดของนิวตรอนความร้อนและมีโอกาสประมาณ 1/4 ที่จะจับยึดนิวตรอนไว้ได้และเปลี่ยนเป็นไอโซปอื่น ไอโซปโทปมวลคู่เป็นวัสดุต้นกำเนิดไม่ได้เป็นวัสดุฟิสไซล์และมีความเป็นไปได้โดยรวมของการยึดจับนิวตรอน (ภาคตัดขวาง) ต่ำกว่า เพราะฉะนั้นไอโซปโทปเหล่านี้จึงมีแนวโน้มเกิดการสะสมในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์อุณหภาพที่อยู่ในทุกๆโรงผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ในปัจจุบัน ในพลูโทเนียมที่มีการนำกลับมาใช้ใหม่ในอย่างเครื่องปฏิกรณ์อุณหภาพอย่างเชื้อเพลิง MOX (MOX fuels) ก็มี Pu-240 เป็นไอโซโทปที่เป็นองค์ประกอบส่วนมาก พลูโทเนียมทุกไอโซโทปและแอกทิไนด์อื่นๆสามารถเกิดฟิชชันได้ด้วยนิวตรอนเร็ว Pu-240 มีการดูดซับนิวตรอนความร้อนปานกลางในภาคตัดขวาง การเกิดขึ้นของ Pu-241 ในเครื่องปฏิกรณ์อุณหภาพเป็นส่วนสำคัญที่มากพอๆกับการสร้าง Pu-239

Pu-241 มีครึ่งชีวิต 14 ปี และมีนิวตรอนความร้อนปานมากกว่า Pu-239 เล็กน้อยในภาคตัดขวาง ทั้งในการเกิดฟิชชันและการดูดซับ ในเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์ นิวเคลียส Pu-241 มีแนวโน้มที่จะเกิดฟิชชันหรือจับยึดนิวตรอนมากกว่าจะสลายตัว บางครั้งก็มีการใช้ Pu-241 ตามสัดส่วนเฉพาะของการฟิชชันในเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์อุณหภาพ อย่างไรก็ตาม ในกากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ไม่ได้ผ่านกระบวนการนำสารกัมมันตภาพรังสีมาใช้ใหม่ในทันที แต่ใช้การระบายความร้อนเป็นเวลาหนึ่งปีหลังจากใช้ Pu-241 โดยมากหรือทั้งหมดจะสลายให้อนุภาคบีตาไปเป็นอะเมริเซียม-241 ซึ่งมีการแผ่อนุภาคแอลฟาออกมากสูงมากและยากต่อการนำไปใช้ในเครื่องปฏิกรณ์อุณหภาพ

Pu-243 มีครึ่งชีวิตเพียง 5 ชั่วโมง ก่อนที่จะสลายให้อนุภาคบีตาไปเป็นอะเมริเซียม-243 เพราะ Pu-243 มีโอกาสน้อยมากที่จะจับและเพิ่มนิวตรอนก่อนที่จะสลาย วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จึงไม่สร้าง Pu-244 ที่อยู่ได้นานที่สุดในปริมาณมาก

Pu-238 ไม่ได้เป็นผลิตภัณฑ์ปกติที่ผลิตเป็นจำนวนมากในวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ แต่ส่วนหนึ่งที่ผลิตจากเนปทูเนียม-237 โดยการจับยึดนิวตรอน (ปฏิกิริยานี้สามารถใช้ร่วมกับเนปทูเนียมบริสุทธิ์ในการผลิต Pu-238 ที่ค่อนข้างจะเป็นอิสระจากไอโซโทปอื่นๆของพลูโทเนียมอีกด้วย สำหรับใช้ในเครื่องผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสี) โดย (n, 2n) ปฏิกิริยาของนิวตรอนเร็วใน Pu - 239 หรือโดยการสลายให้อนุภาคแอลฟาของคูเรียม-242 ซึ่งถูกสร้างโดยจับยึดนิวตรอนจาก Am-241 มันมีนิวตรอนความร้อนตัดตามขวางที่สำคัญสำหรับการฟิชชัน แต่ก็มีแนวโน้มที่จะจับยึดนิวตรอนและกลายเป็น Pu-239.

อ้างอิง

• Isotope masses from Ame2003 Atomic Mass Evaluation by G. Audi, A.H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon in Nuclear Physics A729 (2003).
• Isotopic compositions and standard atomic masses from Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. Vol. 75, No. 6, pp. 683-800, (2003) and Atomic Weights Revised (2005).
• Half-life, spin, and isomer data selected from these sources. Editing notes on this article's talk page.
  • Audi, Bersillon, Blachot, Wapstra. The Nubase2003 evaluation of nuclear and decay properties, Nuc. Phys. A 729, pp. 3-128 (2003).
  • National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Information extracted from the NuDat 2.1 database (retrieved Sept. 2005).
  • David R. Lide (ed.), Norman E. Holden in CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th Edition, online version. CRC Press. Boca Raton, Florida (2005). Section 11, Table of the Isotopes.

1. ieer.org