Плутоній-238

Плуто́ній-238 — радіоактивний нуклід хімічного елемента плутонію з масовим числом 238. Є першим відкритим ізотопом плутонію. Відкритий в 1940 році Гленном Сіборгом, Дж. Кеннеді, Шаблон:Нп та Едвіном Макмілланом в результаті бомбардування урану-238 дейтронами:

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}(\mathrm{d},\mathrm{2}\mathrm{n}){}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p}\underset{2,117d}{\overset{{\beta }^{-}1,292MeV}{\to }}{}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}.$

Період напіврозпаду плутонію-238 складає Шаблон:Nobr. Активність одного граму цього нукліду складає приблизно Шаблон:Nobr.

Один грам чистого плутонію-238 генерує приблизно 0,567 Вт потужності.

Утворення і розпад

Плутоній-238 утворюється в результаті наступних розпадів:

• β⁻-розпад нукліду Шаблон:Нуклід (період напіврозпаду складає 2,117(2) діб):

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p}\to {}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}+e^{-}+{\overline{\nu }}_e;$

• β⁺-розпад нукліду Шаблон:Нуклід (період напіврозпаду складає 98(2) хв):

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{5}}\mathrm{A}\mathrm{m}\to {}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}+e^{+}+{\nu }_e;$

• α-розпад нукліду Шаблон:Нуклід (період напіврозпаду складає 162,8(2) діб):

${}^{\mathrm{2}\mathrm{4}\mathrm{2}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{6}}\mathrm{C}\mathrm{m}\to {}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}+{}^{\mathrm{4}}{}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{e}.$

Розпад плутонію-238 відбувається в наступних напрямках:

• α-розпад в Шаблон:Нуклід (ймовірність 100 %, енергія розпаду 5 593,20(19) кеВ):

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}\to {}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{4}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}+{}^{\mathrm{4}}{}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{e};$

енергія випромінюваних α-частинок 5 456,3 кеВ (в 28,98% випадків) і 5 499,03 кеВ (в 70,91% випадків).

• Спонтанний поділ (ймовірність 1,9(1)Шаблон:E %);

Отримання

Плутоній-238 утворюється в будь-якому ядерному реакторі, який працює на природному або малозбагаченому урані, що містить в основному ізотоп Шаблон:Нуклід. При цьому відбуваються наступні ядерні реакції:

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}(\mathrm{n},\mathrm{2}\mathrm{n}){}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{7}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}\underset{6,75\mathrm{d}}{\overset{{\beta }^{-}518,6\mathrm{k}\mathrm{e}\mathrm{V}}{\to }}{}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{7}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p};$

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}(\mathrm{n},\gamma ){}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{6}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}(\mathrm{n},\gamma ){}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{7}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}\underset{6,75\mathrm{d}}{\overset{{\beta }^{-}518,6\mathrm{k}\mathrm{e}\mathrm{V}}{\to }}{}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{7}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p};$

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{7}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p}(\mathrm{n},\gamma ){}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p}\underset{2,117\mathrm{d}}{\overset{{\beta }^{-}1,292\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}}{\to }}{}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}.$

Вагомі кількості ізотопно чистого плутонію-238 отримують шляхом опромінення нейтронами Шаблон:Li, який, в свою чергу, добувають з відпрацьованого ядерного палива.

Ціна одного кілограму плутонію-238 складає приблизно 1 млн доларів США.

Застосування

Плутоній-238 використовують в малогабаритних радіоізотопних джерелах енергії (наприклад, в РІТЕГах). Раніше (до появи літієвих батарей) використовувався в кардіостимуляторах.

США використовували РІТЕГи з плутонієм-238 на 24 космічних апаратах, включаючи Вояджери та Кассіні.

Зокрема плутонієві джерела живлення для космічних апаратів містили таку кількість ізотопу:

• для космічного апарата «Галілео», що обертався навколо Юпітера — 15,6 кг;
• для космічного апарата «Касіні» — 32,7 кг;
• для космічного апарата «Нові горизонти» — 10,9 кг;
• для марсоходу К'юріосіті — 4,8 кг діоксиду плутонію-238.

Виробництво

В США виробництво ізотопу плутонію-238 було зупинено 1988 року (Саванна Рівер). Міністерство енергетики США підписало в 1992 році п'ятирічний договір про купівлю ізотопу в Росії в обсязі 10 кг із можливістю збільшення поставок до 40 кг. В рамках договору укладалися декілька контрактів, угоду продовжували. В 2009 році поставки були перервані через реструктуризацію російської ядерної промисловості.

Починаючи з 1993 року, більшість РІТЕГів на американських космічних апаратах використовували ізотоп, куплений в Росії. За станом на 2005 рік було закуплено близько 16,5 кг.

2009 року Міністерство енергетики США (DOE) надали запит на фінансування відновлення виробництва ізотопу на території США. Вартість проекту оцінювалася в 75—90 мільйонів доларів за п'ять років. Фінансування проекту було розділено між DOE та NASA. Конгрес надав NASA по 10 мільйонів у 2011 і 2012 роках, але відмовив у фінансуванні DOE.

2013 року Ок-Риджська національна лабораторія (штат Теннесі) почала виробництво плутонію-238, з проектною потужністю в 1,5—2 кілограми ізотопу на рік.

Посилання

• ave Mosher, Timeline: Plutonium-238′s Hot and Twisted History Шаблон:Webarchive // Wired, 2013-09-19 Шаблон:Ref-en