Плутоній-240

Плутоній-240

Плутоній-240

Загальні відомості
Назва, символ Плутоній-240,240Pu
Нейтронів 146
Протонів 94
Властивості ізотопу
Природна концентрація Trace[en]
Період напіврозпаду 6561(7) років[1]
Атомна маса 240.0538135(20)[2] а.о.м
Канал розпаду Енергія розпаду
Альфа-розпад 5.25575(14)[2] МеВ

Плутоній-240 (240Pu або Pu-240) — ізотоп плутонію, який утворюється, коли плутоній-239 захоплює нейтрон. Виявлення його спонтанного поділу призвело до його відкриття в 1944 році в Лос-Аламосі та мало важливі наслідки для Манхеттенського проекту[3].

240Pu піддається спонтанному поділу як вторинний спосіб розпаду з невеликою, але значною швидкістю. Наявність 240Pu обмежує використання плутонію в ядерній бомбі, тому що потік нейтронів від спонтанного поділу ініціює ланцюгову реакцію передчасно, спричиняючи раннє вивільнення енергії, яка фізично розсіює ядро до досягнення повної імплозії[4][5]. Розпадається шляхом альфа-випромінювання до урану-236.

Ядерні властивості

Приблизно від 62% до 73% часу, коли 239Pu захоплює нейтрон, він зазнає поділу ; решту часу він утворює 240Pu. Чим довше ядерний паливний елемент залишається в ядерному реакторі, тим більшим стає відносний відсоток 240Pu в паливі.

Ізотоп 240Pu має приблизно такий же поперечний переріз захоплення теплових нейтронів, як і 239Pu (289.5±1.4 проти 269.3±2.9 барна),[6][7] але лише крихітний переріз поділу теплових нейтронів (0,064 барна). Коли ізотоп 240Pu захоплює нейтрон, він приблизно в 4500 разів вища ймовірність перетворитися на плутоній-241(інші мови), ніж поділитися. Загалом ізотопи з непарними масовими числами мають більшу ймовірність поглинати нейтрон і можуть легше зазнавати поділу при поглинанні нейтронів, ніж ізотопи з парними масовими числами. Таким чином, навіть маса ізотопів має тенденцію до накопичення, особливо в тепловому реакторі.

Ядерна зброя

Неминуча присутність приблизно 240Pu в ядерній ядерній боєголовці на основі плутонію ускладнює її конструкцію, і чистий 239Pu вважається оптимальним[8]. Зі кількох причин:

  • 240Pu має високу швидкість спонтанного поділу. Один блукаючий нейтрон, який потрапляє в надкритичний стан активної зони, спричинить його детонацію майже миттєво, навіть до того, як його буде розчавлено до оптимальної конфігурації. Таким чином, присутність 240Pu може призвести до випадкового вибуху з вибуховою потужністю, значно нижчою за потенційну[8][5].
  • Ізотопи, окрім 239Pu, виділяють значно більше радіації, що ускладнює роботу з ними робітникам[8].
  • Ізотопи, окрім 239Pu, виробляють більше тепла розпаду, що може спричинити спотворення фазових змін прецизійного сердечника, якщо їм дозволити накопичуватися[8].

Проблема спонтанного поділу була широко досліджена вченими Манхеттенського проекту під час Другої світової війни[9]. Вона унеможливила використання плутонію в ядерній зброї гарматного типу, в якій збирання матеріалу, що розщеплюється, у його оптимальну конфігурацію надкритичної маси може тривати до мілісекунди, і змусила розробити зброю імплозивного типу, де збирання відбувається в кілька мікросекунд[10]. Навіть з такою конструкцією перед тестом Трініті було підраховано, що домішка 240Pu спричинить 12% шанс того, що вибух не досягне максимальної потужності[8].

Дивись також

Примітки

  1. ↑ Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (December 2003). The Nubase evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A. 729 (1): 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
  2. ↑ а б Audi, Georges; Wapstra, Aaldert Hendrik; Thibault, Catherine (December 2003). The Ame2003 atomic mass evaluation. Nuclear Physics A. 729 (1): 337—676. Bibcode:2003NuPhA.729..337A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
  3. ↑ Farwell, G. W. (1990). Emilio Segre, Enrico Fermi, Pu-240, and the atomic bomb. Symposium to Commemorate the 50th Anniversary of the Discovery of Transuranium Elements.
  4. ↑ Şahin, Sümer (1981). Remarks On The Plutonium-240 Induced Pre-Ignition Problem In A Nuclear Device. Nuclear Technology. 54 (1): 431—432. doi:10.13182/NT81-A32795. The energy yield of a nuclear explosive decreases by one and two orders of magnitude if the 240 Pu content increases from 5 (nearly weapons-grade plutonium) to 15 and 25%, respectively
  5. ↑ а б Bodansky, David (2007). Nuclear Bombs, Nuclear Energy, and Terrorism. Nuclear Energy: Principles, Practices, and Prospects (англ.). Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-387-26931-3.
  6. ↑ Mughabghab, S. F. (2006). Atlas of neutron resonances : resonance parameters and thermal cross sections Z=1-100. Amsterdam: Elsevier. ISBN 978-0-08-046106-9.
  7. ↑ Actinide data: Thermal neutron cross sections, resonance integrals, and Westcott factors. Nuclear Data for Safeguards. International Atomic Energy Agency. Процитовано 11 вересня 2016.
  8. ↑ а б в г д Mark, J. Carson; Hippel, Frank von; Lyman, Edward (30 жовтня 2009). Explosive Properties of Reactor-Grade Plutonium (PDF). Science & Global Security. 17 (2–3): 170—185. Bibcode:2009S&GS...17..170M. doi:10.1080/08929880903368690. ISSN 0892-9882.
  9. ↑ Chamberlain, O.; Farwell, G. W.; Segrè, E. (1954). Pu-240 and Its Spontaneous Fission. Physical Review. 94 (1): 156. Bibcode:1954PhRv...94..156C. doi:10.1103/PhysRev.94.156.
  10. ↑ Hoddeson, Lillian (1993). The Discovery of Spontaneous Fission in Plutonium during World War II. Historical Studies in the Physical and Biological Sciences. 23 (2): 279—300. doi:10.2307/27757700. JSTOR 27757700.

Посилання