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)^[1] років
Батьківські ізотопи	²³⁸Np (β⁻) ²³⁸Am (β⁺) ²⁴²Cm (α)
Продукти розпаду	²³⁴U
Атомна маса	238,0495599(20)^[2] а.о.м
Спін	0⁺^[1]
Дефект маси	46 164,7(18)^[2] кеВ
Канал розпаду	Енергія розпаду
α-розпад	5,59320(19)^[2] 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, Артуром Валем^[ru] та Едвіном Макмілланом^[3] в результаті бомбардування урану-238 дейтронами^[4]:

\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 ред.

Плутоній-238 утворюється в результаті наступних розпадів:

β⁻-розпад нукліду 238Np (період напіврозпаду складає 2,117(2)^[1] діб):

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

β⁺-розпад нукліду 238Am (період напіврозпаду складає 98(2)^[1] хв):

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

α-розпад нукліду 242Cm (період напіврозпаду складає 162,8(2)^[1] діб):

\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 %^[1], енергія розпаду 5 593,20(19) кеВ^[2]):

\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)^[5].

Спонтанний поділ (ймовірність 1,9(1)× 10⁻⁷ %)^[1];

Отримання ред.

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^[4]^[6]:

\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} ;

\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} ;

\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 нептунію-237, який, в свою чергу, добувають з відпрацьованого ядерного палива^[6].

Ціна одного кілограму плутонію-238 складає приблизно 1 млн доларів США^[7].

Застосування ред.

Плутоній-238 використовують в малогабаритних радіоізотопних джерелах енергії (наприклад, в РІТЕГах)^[6]. Раніше (до появи літієвих батарей^[8]) використовувався в кардіостимуляторах.^[9]^[10]

США використовували РІТЕГи з плутонієм-238 на 24 космічних апаратах, включаючи Вояджери та Кассіні.^[11]

Зокрема плутонієві джерела живлення для космічних апаратів містили таку кількість ізотопу^[12]:

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^[13] діоксиду плутонію-238.

Виробництво ред.

В США виробництво ізотопу плутонію-238 було зупинено 1988 року (Саванна Рівер).^[14] 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.^[15]

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.^[16]^[17]

2009 року Міністерство енергетики США (DOE) надали запит на фінансування відновлення виробництва ізотопу на території США.^[18]^[19] Вартість проекту оцінювалася в 75—90 мільйонів доларів за п'ять років^[20]. Фінансування проекту було розділено між DOE та NASA^[20]. Конгрес надав NASA по 10 мільйонів у 2011 і 2012 роках,^[20] але відмовив у фінансуванні DOE^[20].

2013 року Ок-Риджська національна лабораторія (штат Теннесі) почала виробництво плутонію-238, з проектною потужністю в 1,5—2 кілограми ізотопу на рік^[21]^[22]^[23].

Примітки ред.

↑ ^а ^б ^в ^г ^д ^е ^ж Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 3–128. — Bibcode:2003NuPhA.729....3A. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.(англ.)
↑ ^а ^б ^в ^г Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references. // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — Bibcode:2003NuPhA.729..337A. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.(англ.)
↑ Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. — М. : Высшая Школа, 1991. — С. 407.(рос.)
↑ ^а ^б 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.)
↑ Властивості 238Pu на сайті МАГАТЕ (IAEA, International Atomic Energy Agency)^{[недоступне посилання з червня 2019]}
↑ ^а ^б ^в 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.)
↑ Тимошенко, Алексей (12 жовтня 2010). Обама открыл «частникам» дорогу в космос (рос.). gzt.ru. Архів оригіналу за 15 жовтня 2010. Процитовано 22 жовтня 2010.(рос.)
↑ http://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/dimensions/issue7/pacemaker.html [Архівовано 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.)
↑ Plutonium Powered Pacemaker (1974) [Архівовано 2011-09-27 у Wayback Machine.](англ.)
↑ Facts about pacemakers [Архівовано 18 березня 2021 у Wayback Machine.](англ.)
↑ [1] [Архівовано 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.)
↑ НАСА испытывает острый дефицит плутония-238 для источников питания КА [Архівовано 14 серпня 2015 у Wayback Machine.](рос.)
↑ Mars Science Laboratory Launch Nuclear Safety (PDF). NASA/JPL/DoE. 2 березня 2011. Архів оригіналу (PDF) за 17 серпня 2012. Процитовано 28 листопада 2011.(англ.)
↑ Economical Production of Pu - 238: Feasibility Study (PDF). Center for Space Nuclear Research. Архів оригіналу (PDF) за 2 липня 2013. Процитовано 19 березня 2013.(англ.)
↑ Plutonium-238 Production for NASA Radioisotope Power Systems // Cryptome, Federal Register Volume 78, Number 6 (January 9, 2013), [FR Doc No: 2013-00239
↑ Commonly Asked Questions About Radioisotope Power Systems (PDF). Idaho National Laboratory. July 2005. Архів оригіналу (PDF) за 2 липня 2013. Процитовано 24 жовтня 2011.(англ.)
↑ Plutonium-238 Production Project (PDF). Department of Energy. 5 лютого 2011. Архів оригіналу (PDF) за 3 лютого 2012. Процитовано 2 липня 2012.(англ.)
↑ Plutonium Shortage Could Stall Space Exploration. NPR. Архів оригіналу за 2 липня 2013. Процитовано 19 вересня 2011.(англ.)
↑ Greenfieldboyce, Nell. «The Plutonium Problem: Who Pays For Space Fuel?» [Архівовано 17 березня 2021 у Wayback Machine.] NPR, 8 November 2011.(англ.)
↑ ^а ^б ^в ^г 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.)
↑ РИТЭГ: «сердца» космических роботов, или оружие террористов? [Архівовано 24 вересня 2015 у Wayback Machine.] // Голос Америки, 27.08.2013(рос.)
↑ NASA отказалось от эффективного ядерного источника энергии — усовершенствованного радиоизотопного термоэлектрического генератора Стирлинга (ASRG — Advanced Stirling Radioisotope Generator) [Архівовано 24 вересня 2015 у Wayback Machine.] // Попмеханика, 25 ноября 2013(рос.)
↑ U.S. To Restart Plutonium Production for Deep Space Exploration [Архівовано 15 вересня 2015 у Wayback Machine.] // Universe Today, March 20, 2013(англ.)

Посилання ред.

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

[Nubase2003-1] а ^б ^в ^г ^д ^е ^ж Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 3–128. — Bibcode:2003NuPhA.729....3A. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.(англ.)

[AME2003-2] а ^б ^в ^г Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references. // Nuclear Physics A. — 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.)

[Милюкова-4] а ^б 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]}

[ХЕ-6] а ^б ^в 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.)

[ц._плутонію-7] Тимошенко, Алексей (12 жовтня 2010). Обама открыл «частникам» дорогу в космос (рос.). gzt.ru. Архів оригіналу за 15 жовтня 2010. Процитовано 22 жовтня 2010.(рос.)

[8] ttp://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/dimensions/issue7/pacemaker.html [Архівовано 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) [Архівовано 2011-09-27 у Wayback Machine.](англ.)

[10] Facts about pacemakers [Архівовано 18 березня 2021 у Wayback Machine.](англ.)

[11] [1] [Архівовано 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 [Архівовано 14 серпня 2015 у Wayback Machine.](рос.)

[LaunchNuclearSafety-13] Mars Science Laboratory Launch Nuclear Safety (PDF). NASA/JPL/DoE. 2 березня 2011. Архів оригіналу (PDF) за 17 серпня 2012. Процитовано 28 листопада 2011.(англ.)

[14] Economical Production of Pu - 238: Feasibility Study (PDF). Center for Space Nuclear Research. Архів оригіналу (PDF) за 2 липня 2013. Процитовано 19 березня 2013.(англ.)

[15] Plutonium-238 Production for NASA Radioisotope Power Systems // Cryptome, Federal Register Volume 78, Number 6 (January 9, 2013), [FR Doc No: 2013-00239

[16] Commonly Asked Questions About Radioisotope Power Systems (PDF). Idaho National Laboratory. July 2005. Архів оригіналу (PDF) за 2 липня 2013. Процитовано 24 жовтня 2011.(англ.)

[doename-17] Plutonium-238 Production Project (PDF). Department of Energy. 5 лютого 2011. Архів оригіналу (PDF) за 3 лютого 2012. Процитовано 2 липня 2012.(англ.)

[npr1-18] Plutonium Shortage Could Stall Space Exploration. NPR. Архів оригіналу за 2 липня 2013. Процитовано 19 вересня 2011.(англ.)

[NPR-19] Greenfieldboyce, Nell. «The Plutonium Problem: Who Pays For Space Fuel?» [Архівовано 17 березня 2021 у Wayback Machine.] NPR, 8 November 2011.(англ.)

[Mikewall-20] а ^б ^в ^г 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? [Архівовано 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) [Архівовано 24 вересня 2015 у Wayback Machine.] // Попмеханика, 25 ноября 2013(рос.)

[23] U.S. To Restart Plutonium Production for Deep Space Exploration [Архівовано 15 вересня 2015 у Wayback Machine.] // Universe Today, March 20, 2013(англ.)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]