Isótopos del plutonio

El plutonio ( ₉₄ Pu) es un elemento artificial , salvo por las trazas resultantes de la captura de neutrones por el uranio , por lo que no se puede dar un peso atómico estándar . Como todos los elementos artificiales, no tiene isótopos estables . Se sintetizó mucho antes de encontrarse en la naturaleza, siendo el primer isótopo sintetizado el plutonio-238 en 1940. Se han caracterizado veintiún radioisótopos del plutonio. Los más estables son el plutonio-244 con una vida media de 80,8 millones de años; el plutonio-242 con una vida media de 373.300 años; el plutonio-239 con una vida media de 24.110 años; y el plutonio-240 con una vida media de 6.560 años. Este elemento también tiene ocho estados meta ; todos tienen vidas medias de menos de un segundo.

Los isótopos conocidos del plutonio van desde ^{el 227} Pu hasta ^{el 247} Pu. Los principales modos de desintegración antes del isótopo más estable, ^{el 244} Pu, son la fisión espontánea y la desintegración alfa ; el principal modo después es la emisión beta . Los principales productos de desintegración antes ^{del 244} Pu son los isótopos de uranio y neptunio (sin considerar los productos de fisión ), y los principales productos de desintegración después son los isótopos de americio .

• El plutonio-238 tiene una vida media de 87,74 años ^[11] y emite partículas alfa . ^{El 238} Pu puro para los generadores termoeléctricos de radioisótopos que alimentan algunas naves espaciales se produce por captura de neutrones en neptunio-237, pero el plutonio del combustible nuclear gastado puede contener hasta un pequeño porcentaje de ²³⁸ Pu, que se origina a partir de ²³⁷ Np, la desintegración alfa de ²⁴² Cm o reacciones (n,2n).
• El plutonio-239 tiene una vida media de 24.100 años. ^{El 239} Pu y ^{el 241} Pu son fisionables , lo que significa que sus núcleos pueden dividirse al ser bombardeados por neutrones térmicos lentos , liberando energía, radiación gamma y más neutrones . Por lo tanto, puede sostener una reacción nuclear en cadena , lo que conduce a aplicaciones en armas nucleares y reactores nucleares . ^{El 239} Pu se sintetiza irradiando uranio-238 con neutrones en un reactor nuclear, y luego se recupera mediante reprocesamiento nuclear del combustible. La captura posterior de neutrones produce isótopos sucesivamente más pesados.
• El plutonio-240 tiene una alta tasa de fisión espontánea, lo que aumenta la radiación de neutrones de fondo del plutonio. El plutonio se clasifica según la proporción de ²⁴⁰ Pu: grado armamentístico (<7%), grado combustible (7–19%) y grado reactor (>19%). Los grados inferiores son menos adecuados para bombas y reactores térmicos , pero pueden alimentar reactores rápidos .
• El plutonio-241 es fisible, pero se desintegra en fase beta con una vida media de 14 años a americio-241 .
• El plutonio-242 no es fisible ni muy fértil (requiere tres capturas de neutrones más para volverse fisible), tiene una sección eficaz de captura de neutrones baja y una vida media más larga que cualquiera de los isótopos más ligeros.
• El plutonio-244 es el isótopo más estable del plutonio, con una vida media de unos 80 millones de años. No se produce de forma significativa en los reactores nucleares porque ^{el 243} Pu tiene una vida media corta, pero se produce algo en las explosiones nucleares. ^{El 244} Pu se ha encontrado en el espacio interestelar ^[12] y tiene la segunda vida media más larga de todos los radioisótopos no primordiales.

^{El 239} Pu, un isótopo fisible que es el segundo combustible nuclear más utilizado en los reactores nucleares después del uranio-235 , y el combustible más utilizado en la parte de fisión de las armas nucleares , se produce a partir del uranio-238 por captura de neutrones seguida de dos desintegraciones beta.

²⁴⁰ Pu, ²⁴¹ Pu y ²⁴² Pu se producen por captura de neutrones adicionales. Los isótopos de masa impar ²³⁹ Pu y ²⁴¹ Pu tienen aproximadamente 3/4 de probabilidad de sufrir fisión al capturar un neutrón térmico y aproximadamente 1/4 de probabilidad de retener el neutrón y convertirse en el siguiente isótopo más pesado. Los isótopos de masa par son fértiles pero no fisionables y también tienen una menor probabilidad ( sección transversal ) de captura de neutrones; por lo tanto, tienden a acumularse en el combustible nuclear utilizado en un reactor térmico, el diseño de casi todas las plantas de energía nuclear en la actualidad. En el plutonio que se ha utilizado una segunda vez en reactores térmicos en combustible MOX , ²⁴⁰ Pu puede incluso ser el isótopo más común. Sin embargo, todos los isótopos de plutonio y otros actínidos son fisionables con neutrones rápidos . ^{El 240} Pu tiene una sección transversal de absorción de neutrones térmicos moderada, de modo que la producción ^{de 241} Pu en un reactor térmico llega a ser una fracción significativamente tan grande como la producción de ²³⁹ Pu.

^{El 241} Pu tiene una vida media de 14 años y tiene secciones transversales de neutrones térmicos ligeramente más altas que ^{el 239} Pu tanto para la fisión como para la absorción. Mientras se utiliza combustible nuclear en un reactor, es mucho más probable que un núcleo ^{de 241} Pu se fisione o capture un neutrón que se desintegre. ^{El 241} Pu representa una parte significativa de las fisiones en el combustible de reactores térmicos que se ha utilizado durante algún tiempo. Sin embargo, en el combustible nuclear gastado que no se somete rápidamente a un reprocesamiento nuclear sino que se enfría durante años después de su uso, gran parte o la mayor parte del ²⁴¹ Pu se desintegrará en beta americio-241 , uno de los actínidos menores , un fuerte emisor alfa y difícil de usar en reactores térmicos.

^{El 242} Pu tiene una sección transversal particularmente baja para la captura de neutrones térmicos; y se necesitan tres absorciones de neutrones para convertirse en otro isótopo fisionable ( curio -245 o ²⁴¹ Pu) y fisión. Incluso entonces, existe la posibilidad de que cualquiera de esos dos isótopos fisionables no se fisione, sino que absorba un cuarto neutrón, convirtiéndose en curio-246 (en camino a actínidos aún más pesados ​​como el californio , que es un emisor de neutrones por fisión espontánea y difícil de manejar) o convirtiéndose nuevamente en ²⁴² Pu; por lo que el número medio de neutrones absorbidos antes de la fisión es incluso mayor que 3. Por lo tanto, el ²⁴² Pu es particularmente inadecuado para el reciclaje en un reactor térmico y se utilizaría mejor en un reactor rápido donde se puede fisionar directamente. Sin embargo, la sección transversal baja del ²⁴² Pu significa que relativamente poco de él se transmutará durante un ciclo en un reactor térmico. La vida media del ²⁴² Pu es aproximadamente 15 veces más larga que la del ²³⁹ Pu; por lo tanto, es 1/15 más radiactivo y no es uno de los mayores contribuyentes a la radiactividad de los desechos nucleares . Las emisiones de rayos gamma del ²⁴² Pu también son más débiles que las de los otros isótopos. ^[14]

^{El 243} Pu tiene una vida media de solo 5 horas y se desintegra en americio-243 . Debido a que ^{el 243} Pu tiene pocas posibilidades de capturar un neutrón adicional antes de desintegrarse, el ciclo del combustible nuclear no produce el ²⁴⁴ Pu de larga vida en cantidades significativas.

^{El 238} Pu no se produce normalmente en grandes cantidades en el ciclo del combustible nuclear, pero algo se produce a partir del neptunio-237 por captura de neutrones (esta reacción también se puede utilizar con neptunio purificado para producir ²³⁸ Pu relativamente libre de otros isótopos de plutonio para su uso en generadores termoeléctricos de radioisótopos ), por la reacción (n,2n) de neutrones rápidos en ²³⁹ Pu, o por desintegración alfa del curio -242, que se produce por captura de neutrones de ²⁴¹ Am. Tiene una sección eficaz de neutrones térmicos significativa para la fisión, pero es más probable que capture un neutrón y se convierta en ²³⁹ Pu.

La sección eficaz de fisión para ^{el 239} Pu es de 747,9 barns para neutrones térmicos, mientras que la sección eficaz de activación es de 270,7 barns (la relación se aproxima a 11 fisiones por cada 4 capturas de neutrones). Los isótopos de plutonio de mayor potencia se crean cuando el combustible de uranio se utiliza durante un largo tiempo. En el caso del combustible usado de alto grado de quemado, las concentraciones de los isótopos de plutonio de mayor potencia serán mayores que en el combustible de bajo grado de quemado que se reprocesa para obtener plutonio apto para armas .

El plutonio-239 es uno de los tres materiales fisionables que se utilizan para la producción de armas nucleares y en algunos reactores nucleares como fuente de energía. Los otros materiales fisionables son el uranio-235 y el uranio-233 . ^{El 239Pu} es prácticamente inexistente en la naturaleza. Se produce bombardeando uranio-238 con neutrones. El uranio-238 está presente en grandes cantidades en la mayoría de los combustibles de los reactores, por lo que el ^239Pu se produce continuamente en estos reactores. Dado que ^{el 239Pu} puede dividirse por neutrones para liberar energía, el ^239Pu proporciona una parte de la generación de energía en un reactor nuclear.

En el plutonio de los reactores convencionales hay pequeñas cantidades de ²³⁸ Pu. Sin embargo, la separación isotópica sería bastante costosa en comparación con otro método: cuando ^{el 235} U captura un neutrón, se convierte en un estado excitado de ²³⁶ U. Algunos de los núcleos excitados de ²³⁶ U sufren fisión, pero otros se desintegran al estado fundamental de ²³⁶ U mediante la emisión de radiación gamma. Una posterior captura de neutrones crea ²³⁷ U; que, con una vida media de 7 días, se desintegra en ²³⁷ Np. Dado que casi todo el neptunio se produce de esta manera o consiste en isótopos que se desintegran rápidamente, se obtiene ²³⁷ Np casi puro. Después de la separación química del neptunio, ^{el 237} Np se irradia de nuevo con neutrones del reactor para convertirse en ²³⁸ Np, que se desintegra en ²³⁸ Pu con una vida media de 2 días.

El plutonio-240 sufre fisión espontánea a un ritmo pequeño pero significativo (5,8 × 10 ⁻⁶ %). ^[1] La presencia de ²⁴⁰ Pu limita el uso del plutonio en una bomba nuclear , porque un neutrón de la fisión espontánea inicia la reacción en cadena prematuramente, causando una liberación temprana de energía que dispersa el núcleo antes de que se alcance la implosión completa . Esto evita que la mayor parte del núcleo participe en la reacción en cadena y reduce el rendimiento de la bomba.

El plutonio que consiste en más de un 90% ^{de 239} Pu se llama plutonio de grado armamentístico ; el plutonio del combustible nuclear gastado de los reactores de energía comerciales generalmente contiene al menos un 20% de ²⁴⁰ Pu y se llama plutonio de grado reactor . Sin embargo, las armas nucleares modernas utilizan el refuerzo de fusión , que mitiga el problema de la predetonación; si el pozo puede generar un rendimiento de arma nuclear de incluso una fracción de un kilotón , que es suficiente para iniciar la fusión de deuterio-tritio , la explosión de neutrones resultante fisionará suficiente plutonio para garantizar un rendimiento de decenas de kilotones.

La contaminación por ²⁴⁰ Pu es la razón por la que las armas de plutonio deben utilizar el método de implosión . Teóricamente, ^{el 239} Pu puro podría utilizarse en una bomba tipo cañón , pero lograr este nivel de pureza es prohibitivamente difícil. La contaminación por plutonio-240 ha demostrado ser una bendición a medias. Si bien creó retrasos y dolores de cabeza durante el Proyecto Manhattan debido a la necesidad de desarrollar tecnología de implosión, esas mismas dificultades son una barrera para la proliferación nuclear . Las bombas de implosión también son inherentemente más eficientes y menos propensas a la detonación accidental que las bombas tipo cañón.

• Masas de isótopos de:
  • Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), "La evaluación NUBASE de las propiedades nucleares y de desintegración", Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode :2003NuPhA.729....3A, doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11. 001
• Datos de vida media, espín e isómeros seleccionados de las siguientes fuentes.
  • Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), "La evaluación NUBASE de las propiedades nucleares y de desintegración", Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode :2003NuPhA.729....3A, doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11. 001
  • Centro Nacional de Datos Nucleares . Base de datos NuDat 2.x. Laboratorio Nacional de Brookhaven .
  • Holden, Norman E. (2004). "11. Tabla de isótopos". En Lide, David R. (ed.). Manual de química y física del CRC (85.ª ed.). Boca Raton, Florida : CRC Press . ISBN 978-0-8493-0485-9.

• Magurno, BA; Pearlstein, S., eds. (1981). Actas de la conferencia sobre métodos y procedimientos de evaluación de datos nucleares. BNL-NCS 51363 (PDF) . Vol. II. Upton: Brookhaven National Laboratory . Archivado (PDF) del original el 8 de marzo de 2021. Consultado el 6 de agosto de 2014 .
• Miner, William N.; Schonfeld, Fred W. (1968). "Plutonio" . En Clifford A. Hampel (ed.). La enciclopedia de los elementos químicos . Nueva York (NY): Reinhold Book Corporation. págs. 540–546. LCCN  68029938.