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

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

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 เก็บถาวร 2008-09-23 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน 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) เก็บถาวร 2008-03-05 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน.
• 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 เก็บถาวร 2011-07-16 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน, 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.