Плутоній-238

Плутоній-238
Таблетка діоксиду плутонію-238 (застосовується в РІТЕГах), розжарена до червоного внаслідок значного енерговиділення в умовах термічної ізоляції. Таблиця ізотопів
Загальні відомості
Назва, символ	Плутоній-238,^238Pu
Нейтронів	144
Протонів	94
Властивості ізотопу
Період напіврозпаду	87,7(1) років
Батьківські ізотопи	(β^−)  (β^+)  (α)
Продукти розпаду	^234U
Атомна маса	238,0495599(20) а.о.м
Спін	0^+
Дефект маси	46 164,7(18) кеВ
Канал розпаду	Енергія розпаду
α-розпад	5,59320(19) МеВ
SF

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

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{92}U} (\mathrm {d} ,\mathrm {2n} )\mathrm {^{238}_{93}Np} \ {\xrightarrow[{2,117\ d}]{\beta ^{-}\ 1,292\ MeV}}\ \mathrm {^{238}_{94}Pu} .}$

Період напіврозпаду плутонію-238 складає 87,7(1) років. Активність одного граму цього нукліду складає приблизно 633,7 ГБк.

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

Утворення і розпад

Плутоній-238 утворюється в результаті наступних розпадів:

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

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{93}Np} \rightarrow \mathrm {^{238}_{94}Pu} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}$

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

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{95}Am} \rightarrow \mathrm {^{238}_{94}Pu} +e^{+}+\nu _{e};}$

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

${\displaystyle \mathrm {^{242}_{96}Cm} \rightarrow \mathrm {^{238}_{94}Pu} +\mathrm {^{4}_{2}He} .}$

Розпад плутонію-238 відбувається в наступних напрямках:

• α-розпад в 234U (ймовірність 100 %, енергія розпаду 5 593,20(19) кеВ):

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm {^{234}_{92}U} +\mathrm {^{4}_{2}He} ;}$

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)× 10⁻⁷ %);

Отримання

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

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{92}U} (\mathrm {n} ,\mathrm {2n} )\mathrm {^{237}_{92}U} \ {\xrightarrow[{6,75\ \mathrm {d} }]{\beta ^{-}\ 518,6\ \mathrm {keV} }}\ \mathrm {^{237}_{93}Np} ;}$

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{92}U} (\mathrm {n} ,\gamma )\mathrm {^{236}_{92}U} (\mathrm {n} ,\gamma )\mathrm {^{237}_{92}U} \ {\xrightarrow[{6,75\ \mathrm {d} }]{\beta ^{-}\ 518,6\ \mathrm {keV} }}\ \mathrm {^{237}_{93}Np} ;}$

${\displaystyle \mathrm {^{237}_{93}Np} (\mathrm {n} ,\gamma )\mathrm {^{238}_{93}Np} \ {\xrightarrow[{2,117\ \mathrm {d} }]{\beta ^{-}\ 1,292\ \mathrm {MeV} }}\ \mathrm {^{238}_{94}Pu} .}$

Вагомі кількості ізотопно чистого плутонію-238 отримують шляхом опромінення нейтронами (інші мови), 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 апарату «Галілео», що обертався навколо Юпітера — 15,6 кг;
• для космічного апарату «Касіні» — 32,7 кг;
• для космічного апарату «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.

Примітки

1. Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // . — 2003. — Vol. 729. — P. 3–128. — Bibcode:2003NuPhA.729....3A. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.(англ.)
2. Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references. // . — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — Bibcode:2003NuPhA.729..337A. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.(англ.)
3. Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. — М. : Высшая Школа, 1991. — С. 407.(рос.)
4. Милюкова М.С., Гусев Н.И., Сентюрин И.Г., Скляренко И.С. Аналитическая химия плутония. — М. : «Наука», 1965. — С. 7-12. — (Аналитическая химия элементов) — 3400 прим.(рос.)
5. Властивості 238Pu на сайті МАГАТЕ (IAEA, International Atomic Energy Agency)^{[недоступне посилання з червня 2019]}
6. Редкол.:Кнунянц И.Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М. : Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 580-582. — 50 000 прим. — ISBN 5—85270—039—8.(рос.)
7. Тимошенко, Алексей (12 жовтня 2010). Обама открыл «частникам» дорогу в космос (рос.). . оригіналу за 15 жовтня 2010. Процитовано 22 жовтня 2010.(рос.)
8. http://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/dimensions/issue7/pacemaker.html [ 20 березня 2015 у Wayback Machine.] «Eventually, modern lithium-ion batteries replaced the plutonium ones. Lithium-ion batteries are still used to power pacemakers today.»(англ.)
9. Plutonium Powered Pacemaker (1974) [ 2011-09-27 у Wayback Machine.](англ.)
10. Facts about pacemakers [ 18 березня 2021 у Wayback Machine.](англ.)
11. [1] [ 18 серпня 2015 у Wayback Machine.] «The decay heat of Pu-238 (0.56 W/g) enables its use as an electricity source in the radioisotope thermoelectric generators (RTGs) of some cardiac pacemakers, space satellites, navigation beacons, etc. Plutonium has powered 24 US space … Voyager … Cassini spacecraft carries three generators providing 870 watts power as it orbits around Saturn.»(англ.)
12. НАСА испытывает острый дефицит плутония-238 для источников питания КА [ 14 серпня 2015 у Wayback Machine.](рос.)
13. Mars Science Laboratory Launch Nuclear Safety (PDF). NASA/JPL/DoE. 2 березня 2011. Архів (PDF) оригіналу за 17 серпня 2012. Процитовано 28 листопада 2011.(англ.)
14. Economical Production of Pu - 238: Feasibility Study (PDF). Center for Space Nuclear Research. Архів (PDF) оригіналу за 2 липня 2013. Процитовано 19 березня 2013.(англ.)
15. // Cryptome, Federal Register Volume 78, Number 6 (January 9, 2013), [FR Doc No: 2013-00239
16. Commonly Asked Questions About Radioisotope Power Systems (PDF). . July 2005. Архів оригіналу (PDF) за 2 липня 2013. Процитовано 24 жовтня 2011.(англ.)
17. (PDF). Department of Energy. 5 лютого 2011. Архів оригіналу (PDF) за 3 лютого 2012. Процитовано 2 липня 2012.(англ.)
18. Plutonium Shortage Could Stall Space Exploration. NPR. Архів оригіналу за 2 липня 2013. Процитовано 19 вересня 2011.(англ.)
19. Greenfieldboyce, Nell. «The Plutonium Problem: Who Pays For Space Fuel?» [ 17 березня 2021 у Wayback Machine.] NPR, 8 November 2011.(англ.)
20. Wall, Mike (6 квітня 2012). Plutonium Production May Avert Spacecraft Fuel Shortage. Space.com. Архів оригіналу за 2 липня 2013. Процитовано 2 липня 2012.(англ.)
21. РИТЭГ: «сердца» космических роботов, или оружие террористов? [ 24 вересня 2015 у Wayback Machine.] // Голос Америки, 27.08.2013(рос.)
22. NASA отказалось от эффективного ядерного источника энергии — усовершенствованного радиоизотопного термоэлектрического генератора Стирлинга (ASRG — Advanced Stirling Radioisotope Generator) [ 24 вересня 2015 у Wayback Machine.] // Попмеханика, 25 ноября 2013(рос.)
23. U.S. To Restart Plutonium Production for Deep Space Exploration [ 15 вересня 2015 у Wayback Machine.] // Universe Today, March 20, 2013(англ.)

Посилання

• ave Mosher, Timeline: Plutonium-238′s Hot and Twisted History [ 26 лютого 2014 у Wayback Machine.] // Wired, 2013-09-19 (англ.)