Isótopos de plutonio

El plutonio ( _94Pu ) es un elemento artificial , excepto por cantidades traza resultantes de la captura de neutrones por el uranio , por lo que no se le puede asignar un peso atómico estándar . ^{[ nota 1 ]} Como todos los elementos artificiales, no tiene isótopos estables . Fue sintetizado antes de ser encontrado en la naturaleza, siendo el primer isótopo sintetizado el ^238Pu en 1940. Se han caracterizado veintidós radioisótopos de plutonio. Los más estables son ^{el 244Pu} con una vida media de 81,3 millones de años, ^{el 242Pu} con una vida media de 375 000 años, el ^239Pu con una vida media de 24 110 años y el ^240Pu con una vida media de 6561 años. Este elemento también tiene ocho estados meta ; todos tienen vidas medias inferiores a un segundo.

Los isótopos conocidos del plutonio van desde ^{el 226} Pu hasta ^{el 247 Pu. Los} modos de desintegración primarios antes del isótopo más estable, ^{el 244} Pu, son la fisión espontánea y la desintegración alfa ; el modo primario posterior es la emisión beta . Los productos de desintegración primarios antes ^{del 244} Pu son isótopos de uranio y neptunio (sin considerar los productos de fisión ), y los productos de desintegración primarios posteriores son isótopos de americio .

• El plutonio-238 tiene una vida media de 87,74 años ^{[ 17 ]} 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, desintegración alfa de ²⁴² Cm o reacciones (n,2n).
• El plutonio-239 tiene una vida media de 24 100 años. ^{El 239Pu} y el ^241Pu son fisionables ; es decir, sus núcleos pueden dividirse al ser bombardeados por neutrones térmicos lentos , liberando energía, radiación gamma y más neutrones . Por lo tanto, puede mantener una reacción nuclear en cadena , lo que permite su uso en armas nucleares y reactores nucleares . ^{El 239Pu} se sintetiza irradiando uranio-238 con neutrones en un reactor nuclear, y luego se recupera mediante el reprocesamiento nuclear del combustible. La captura de neutrones posterior produce isótopos sucesivamente más pesados.
• El plutonio-240 tiene una alta tasa de fisión espontánea, lo que aumenta la radiación neutrónica 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 utilizarse como combustible en reactores rápidos .
• El plutonio-241 es fisionable, pero sufre desintegración beta con una vida media de 14 años para convertirse en americio-241 .
• El plutonio-242 no es fisionable ni muy fértil (requiere 3 capturas de neutrones más para volverse fisionable); tiene una sección transversal 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 aproximadamente 80  millones de años. No se produce en cantidades significativas en reactores nucleares debido a la corta vida media del ^{243Pu , pero sí se produce en explosiones nucleares. El 244Pu} se ha detectado en el espacio interestelar ^{[ 18 ]} y posee la segunda vida media más larga de cualquier radioisótopo no primordial.

^{El 239Pu} , un isótopo fisionable 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 mediante la captura de neutrones seguida de dos desintegraciones beta.

^{El 240Pu} , el ^241Pu y ^{el 242Pu} se producen por captura de neutrones. Los isótopos de masa impar ^239Pu y ^241Pu tienen aproximadamente un 3/4 de probabilidad de sufrir fisión al capturar un neutrón térmico y aproximadamente un 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 centrales nucleares actuales. En el plutonio que se ha utilizado por segunda vez en reactores térmicos en combustible MOX , el ^240Pu puede incluso ser el isótopo más común. Sin embargo, todos los isótopos de plutonio y otros actínidos son fisionables con neutrones rápidos . ^{El 240Pu} tiene una sección transversal de absorción de neutrones térmicos moderada, por lo que la producción ^{de 241Pu} en un reactor térmico se convierte en una fracción significativa, tan grande como la producción de ^239Pu .

^{El 241Pu} tiene una vida media de 14 años y presenta secciones transversales de neutrones térmicos ligeramente superiores a las del ^239Pu, tanto para la fisión como para la absorción. Mientras se utiliza combustible nuclear en un reactor, un núcleo de ^241Pu tiene muchas más probabilidades de fisionarse o capturar un neutrón que de desintegrarse. ^{El 241Pu} 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 reprocesamiento nuclear, sino que se enfría durante años después de su uso, gran parte del ^241Pu se desintegrará beta a americio-241 , uno de los actínidos menores , un potente emisor alfa y difícil de utilizar en reactores térmicos.

^{El 242Pu} 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 (ya sea curio -245 o ^241Pu ) y fisionarse. 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 el camino hacia actínidos aún más pesados ​​como el californio , que es un emisor de neutrones por fisión espontánea y difícil de manipular) o volviendo a convertirse en ^242Pu ; por lo que el número medio de neutrones absorbidos antes de la fisión es incluso mayor que 3. Por lo tanto, ^{el 242Pu} es particularmente inadecuado para el reciclaje en un reactor térmico y sería mejor usarlo en un reactor rápido donde se puede fisionar directamente. Sin embargo, la baja sección transversal del ^242Pu significa que relativamente poco de él se transmutará durante un ciclo en un reactor térmico. La vida media del ^{242Pu es aproximadamente 15 veces mayor que la del 239Pu} ; por lo tanto, es 1/15 veces menos radiactivo y no es uno de los principales contribuyentes a la radiactividad de los residuos nucleares . Las emisiones de rayos gamma del ^242Pu también son más débiles que las de los otros isótopos. ^{[ 20 ]}

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

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

^{El 240} Pu sufre fisión espontánea a una tasa pequeña pero significativa (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 impide que la mayor parte del núcleo participe en la reacción en cadena y reduce el rendimiento de la bomba.

El plutonio compuesto por más del 90 % ^{de 239} Pu se denomina plutonio apto para armas nucleares ; el plutonio procedente del combustible nuclear gastado de reactores de potencia comerciales generalmente contiene al menos un 20 % ^{de 240} Pu y se denomina plutonio apto para reactores . Sin embargo, las armas nucleares modernas utilizan la fusión nuclear , lo que mitiga el problema de la predetonación; si el núcleo puede generar una potencia nuclear de incluso una fracción de kilotón , suficiente para iniciar la fusión deuterio-tritio , la ráfaga de neutrones resultante fisionará suficiente plutonio como para garantizar una potencia de decenas de kilotones.

La contaminación por ^240Pu es la razón por la que las armas de plutonio deben utilizar el método de implosión . Teóricamente, se podría usar ^{239Pu puro en una} bomba de cañón , pero alcanzar este nivel de pureza es extremadamente difícil. La contaminación por ^240Pu ha tenido un efecto contraproducente. Si bien causó retrasos y problemas durante el Proyecto Manhattan debido a la necesidad de desarrollar la tecnología de implosión, esas mismas dificultades constituyen 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 de cañón.

• Masas isotópicas de:
  • Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), "La evaluación N UBASE 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 sobre vida media, espín e isómeros seleccionados de las siguientes fuentes.
  • Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), "La evaluación N UBASE 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 3.0" . Laboratorio Nacional de Brookhaven .
  • Holden, Norman E. (2004). «11. Tabla de isótopos». En Lide, David R. (ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics (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. Recuperado 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 .