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 α ^232ウ SF – ^238プソム トレース 87.7歳[ 2 ] α ^234ウ SF – ^239 Pu トレース 2.411 × 10 ^4 年 α ^235ウ SF – ^240プエルトリコ トレース 6.561 × 10 ^3 年 α ^236ウ SF – ^241プソム シンセ 14.33歳 β ^− ^241午前 α ^237ウ SF – ^242プソム シンセ 3.75 × 10 ^5 年 α ^238ウ SF – ^244プソム トレース 8.13 × 10 ^7 年 α ^240ユニット SF –

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Plutonium (₉₄Pu) is an artificial element, except for trace quantities resulting from neutron capture by uranium, and thus a standard atomic weight cannot be given.^{[note 1]} Like all artificial elements, it has no stable isotopes. It was synthesized before being found in nature, with the first isotope synthesized being ²³⁸Pu in 1940. Twenty-two plutonium radioisotopes have been characterized. The most stable are ²⁴⁴Pu with a half-life of 81.3 million years; ²⁴²Pu with a half-life of 375,000 years; ²³⁹Pu with a half-life of 24,110 years; and ²⁴⁰Pu with a half-life of 6,561 years. This element also has eight meta states; all have half-lives of less than one second.

The known isotopes of plutonium range from ²²⁶Pu to ²⁴⁷Pu. The primary decay modes before the most stable isotope, ²⁴⁴Pu, are spontaneous fission and alpha decay; the primary mode after is beta emission. The primary decay products before ²⁴⁴Pu are isotopes of uranium and neptunium (not considering fission products), and the primary decay products after are isotopes of americium.

List of isotopes

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Nuclide [n 1]	Z	N	Isotopic mass (Da)[4] [n 2][n 3]	Half-life[1]	Decay mode[1] [n 4]	Daughter isotope [n 5][n 6]	Spin and parity[1] [n 7][n 8]	Isotopic abundance
	Excitation energy
^226Pu[5]	94	132	226.03825(22)#	≥1 ms	α	^222U	0+
^227Pu[6]	94	133	227.03947(11)#	0.78+0.39 −0.19 s	α	^223U	5/2+#
^228Pu	94	134	228.038763(25)	2.1(13) s	α	^224U	0+
^229Pu	94	135	229.040145(65)	91(26) s	α (~50%)	^225ウ	3/2+#
					β ^+ (~50%)	^229番号
					SF（<7％）	（様々な）
^230プエルトリコ	94	136	230.039648(16)	105(10)s	α（>73％）[ 7 ]	^226 U	0歳以上
					β ^+ (<27%)	^230ヌプ
^231プソム	94	137	231.041126(24)	8.6(5)分	β ^+ (87%)	^231番号	（3/2以上）
					α（13％）	^227ウ
^232プソム	94	138	232.041182(18)	33.7(5)分	EC（77％）[ 8 ]	^232番号	0歳以上
					α（23％）	^228ウ
^233プソム	94	139	233.042997(58)	20.9(4)分	β ^+ (99.88%)	^233ヌプ	5/2+#
					α（0.12％）	^229ウ
^234プソム	94	140	234.0433175(73)	8.8(1) 時間	EC（94％）	^234番号	0歳以上
					α（6％）	^230ウ
^235 Pu	94	141	235.045285(22)	25.3(5)分	β ^+	^235ヌプ	（5/2+）
					α（0.0028％）	^231ウ
^236 Pu	94	142	236.0460567(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 Pu	1185.45(15) keV			1.2(3) μs	それ	^236 Pu	5−
^237プソム	94	143	237.0484079(18)	45.64(4) d	EC	^237番号	7月2日
					α（0.0042％）	^233ウ
^237m1 Pu	145.543(8) keV			180(20)ミリ秒	それ	^237プソム	1/2以上
^237m2プエルトリコ	2900(250) keV			1.1(1) μs	SF	（様々な）
^238プソム	94	144	238.0495582(12)	87.7(1) 年	α	^234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 ]	94	145	239.0521616(12)	2.411(3)×10 ^4 年	α	^235ウ	1/2以上	トレース[ n 13 ]
					SF (3.1×10 ^−10 %)	（様々な）
^239m1 Pu	391.584(3) keV			193(4) ns	それ	^239 Pu	7月2日
^239m2プエルトリコ	3100(200) keV			7.5(10)μs	SF	（様々な）	（5/2+）
^240プエルトリコ	94	146	240.0538117(12)	6.561(7)×10 ^3 年	α	^236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 Pu	1308.74(5) keV			165(10) ns	それ	^240プエルトリコ	5−
^241 Pu [ n 11 ]	94	147	241.0568497(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 Pu	161.6853(9) keV			0.88(5) μs	それ	^241プソム	1/2以上
^241m2プエルトリコ	2200(200) keV			20.5(22)μs	SF	（様々な）
^242プソム	94	148	242.0587410(13)	3.75(2)×10 ^5 年	α	^238ウ	0歳以上
					SF (5.510×10 ^−4 %)	（様々な）
^243 Pu [ n 11 ]	94	149	243.0620021(27)	4.9553(25) 時間	β ^−	^243午前	7/2+
^243m Pu	383.64(25) keV			330(30) ns	それ	^243プソム	（1/2以上）
^244プソム	94	150	244.0642044(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 Pu	1216.0(5) keV			1.75(12)秒	それ	^244プソム	8−
^245 Pu	94	151	245.067825(15)	10.5(1) 時間	β ^−	午前 ^245時	（9月2日〜）
^245m1 Pu	264.5(3) keV			330(20) ns	それ	^245 Pu	（5/2+）
^245m2プエルトリコ	2000（400）keV			90(30) ns	SF	（様々な）
^246プソム	94	152	246.070204(16)	10.84(2) d	β ^−	^246午前	0歳以上
^247プソム	94	153	247.07430(22)#	2.27(23) d	β ^−	^247午前	1/2+#
この表のヘッダーとフッター: ビュー

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
10. ²³⁸ Uの二重ベータ崩壊生成物
11. 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

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半減期によるアクチニドと核分裂生成物 v t e
アクチニド[ 10 ]崩壊系列				半減期 範囲（a）	^235 Uの核分裂生成物（収量別） [ 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冊[ 12 ]				> 9 a
^244センチ^メートル	^241 Pu^ƒ	^250立方フィート	^227 Ac^№	10～29歳	^90シニア	^85クローネ	^113m Cd^þ
^232 U^ƒ		^238 Pu^ƒ	^243センチ^メートル	29～97年	^137セシウム	^151スモール^þ	^121m Sn
	^249 Cf^ƒ	^242m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 Cf^ƒ [ 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 Pu^ƒ	24.1万
		^230番目^​	^231パ^№	32～76万年前
^236 Np^ƒ	^233 U^ƒ	^234 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 Np^ƒ			161万～650万年前	^93 Zr	^107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 U^ƒ№	0.7～14.1億年
₡、熱中性子捕獲断面積は8～50バーンの範囲である ƒ、  核分裂性 №、主に天然放射性物質（NORM） þ、  中性子毒（熱中性子捕獲断面積が3kバーン以上）

注目すべき同位体

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• プルトニウム238の半減期は87.74年^{[ 15 ]}で、アルファ粒子を放出します。一部の宇宙船に電力を供給する放射性同位体熱電発電機用の純粋な²³⁸ Puは、ネプツニウム237の中性子捕獲によって生成されますが、使用済み核燃料由来のプルトニウムには、 ²³⁷ Np、²⁴² Cmのアルファ崩壊、または(n,2n)反応に由来する²³⁸ Puが数パーセント含まれることがあります。
• プルトニウム239の半減期は24,100年です。プルトニウム²³⁹とプルトニウム^241は核分裂性核種です。つまり、低速熱中性子の照射によって核分裂を起こし、エネルギー、ガンマ線、そしてより多くの中性子を放出します。そのため、核分裂連鎖反応を起こすことができ、核兵器や原子炉への応用につながります。プルトニウム²³⁹は、原子炉内でウラン238に中性子を照射することで合成され、その後、燃料の核再処理によって回収されます。さらに中性子捕獲が進むと、より重い同位体が次々と生成されます。
• プルトニウム240は自発核分裂率が高く、プルトニウムの背景中性子放射線を増加させます。プルトニウムは^240Puの含有率によって、兵器級（<7%）、燃料級（7～19%）、原子炉級（>19%）に分類されます。低級プルトニウムは爆弾や熱中性子炉には適していませんが、高速炉の燃料として使用できます。
• プルトニウム 241は核分裂性ですが、半減期 14 年でベータ崩壊してアメリシウム 241になります。
• プルトニウム 242 は核分裂性ではなく、また非常に核親和性も高くありません (核分裂性になるにはさらに 3 回の中性子捕獲が必要です)。また、中性子捕獲断面積が低く、より軽い同位体よりも半減期が長いです。
• プルトニウム244はプルトニウムの中で最も安定な同位体であり、半減期は約8000万年です。プルトニウム^243の半減期が短いため、原子炉ではプルトニウム244はそれほど多く生成されませんが、核爆発ではいくらか生成されます。プルトニウム²⁴⁴は星間空間で発見されており^{[ 16 ]}、非原始放射性同位体の中で2番目に長い半減期を持っています。

生産と用途

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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。

軽水炉内の²³⁸ Puと²⁴⁴ Cmの間の核変換フロー。^{[ 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、熱原子炉での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

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プルトニウム240、241、242

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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	2.683	0.000	α	4.468 x 10 ^9年
^239ウ	20.57	14.11	β ^−	23.45分
^239番号	77.03	–	β ^−	2.356日
^239 Pu	270.7	747.9	α	24,110年
^240プエルトリコ	287.5	0.064	α	6,561年
^241プソム	363.0	1012	β ^−	14.325年
^242プソム	19.16	0.001	α	373,300年

プルトニウム239

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主要記事: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	238	2.68	5·10 ^−6	α	4.47 x 10 ^9年
あなた	239	22	15	β ^−	23分
いいえ	239	30	1	β ^−	2.36日
プ	239	271	750	α	24,110年

プルトニウム238

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主要記事: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	235	99	α	7億380万年
あなた	236	5.3	α	2342万年
あなた	237	—	β ^−	6.75日
いいえ	237	165（キャプチャ）	α	214万4000年
いいえ	238	—	β ^−	2.11日
プ	238	—	α	87.7歳

核兵器の障害となるプルトニウム240

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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、完全な爆縮に達する前にエネルギーを早期に放出し、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

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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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• 同位体質量:
  • アウディ、ジョルジュ。ベルシヨン、オリヴィエ。ジャン・ブラショー。Wapstra、Aaldert Hendrik (2003)、 「核および崩壊特性のN UBASE評価」 、核物理学 A、729 : 3–128、Bibcode : 2003NuPhA.729....3A、doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001
• 半減期、スピン、異性体データは、以下のソースから選択されています。
  • アウディ、ジョルジュ。ベルシヨン、オリヴィエ。ジャン・ブラショー。Wapstra、Aaldert Hendrik (2003)、 「核および崩壊特性のN UBASE評価」 、核物理学 A、729 : 3–128、Bibcode : 2003NuPhA.729....3A、doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001
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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。
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    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。
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出典

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