Плутоній-240

Плутоній-240 (240Pu або Pu-240) — ізотоп плутонію, який утворюється, коли плутоній-239 захоплює нейтрон. Виявлення його спонтанного поділу призвело до його відкриття в 1944 році в Лос-Аламосі та мало важливі наслідки для Манхеттенського проекту^[3].

Плутоній-240
Плутоній-240 Таблиця ізотопів
Загальні відомості
Назва, символ	Плутоній-240,240Pu
Нейтронів	146
Протонів	94
Властивості ізотопу
Природна концентрація	Trace[en]
Період напіврозпаду	6561(7) років[1]
Атомна маса	240.0538135(20)[2] а.о.м
Канал розпаду	Енергія розпаду
Альфа-розпад	5.25575(14)[2] МеВ

²⁴⁰Pu піддається спонтанному поділу як вторинний спосіб розпаду з невеликою, але значною швидкістю. Наявність ²⁴⁰Pu обмежує використання плутонію в ядерній бомбі, тому що потік нейтронів від спонтанного поділу ініціює ланцюгову реакцію передчасно, спричиняючи раннє вивільнення енергії, яка фізично розсіює ядро до досягнення повної імплозії^[4][5]. Розпадається шляхом альфа-випромінювання до урану-236.

Ядерні властивості

Приблизно від 62% до 73% часу, коли ²³⁹Pu захоплює нейтрон, він зазнає поділу ; решту часу він утворює ²⁴⁰Pu. Чим довше ядерний паливний елемент залишається в ядерному реакторі, тим більшим стає відносний відсоток ²⁴⁰Pu в паливі.

Ізотоп ²⁴⁰Pu має приблизно такий же поперечний переріз захоплення теплових нейтронів, як і ²³⁹Pu (289.5±1.4 проти 269.3±2.9 барна),^[6][7] але лише крихітний переріз поділу теплових нейтронів (0,064 барна). Коли ізотоп ²⁴⁰Pu захоплює нейтрон, він приблизно в 4500 разів вища ймовірність перетворитися на плутоній-241(інші мови), ніж поділитися. Загалом ізотопи з непарними масовими числами мають більшу ймовірність поглинати нейтрон і можуть легше зазнавати поділу при поглинанні нейтронів, ніж ізотопи з парними масовими числами. Таким чином, навіть маса ізотопів має тенденцію до накопичення, особливо в тепловому реакторі.

Ядерна зброя

Неминуча присутність приблизно ²⁴⁰Pu в ядерній ядерній боєголовці на основі плутонію ускладнює її конструкцію, і чистий ²³⁹Pu вважається оптимальним^[8]. Зі кількох причин:

• ²⁴⁰Pu має високу швидкість спонтанного поділу. Один блукаючий нейтрон, який потрапляє в надкритичний стан активної зони, спричинить його детонацію майже миттєво, навіть до того, як його буде розчавлено до оптимальної конфігурації. Таким чином, присутність ²⁴⁰Pu може призвести до випадкового вибуху з вибуховою потужністю, значно нижчою за потенційну^[8][5].
• Ізотопи, окрім ²³⁹Pu, виділяють значно більше радіації, що ускладнює роботу з ними робітникам^[8].
• Ізотопи, окрім ²³⁹Pu, виробляють більше тепла розпаду, що може спричинити спотворення фазових змін прецизійного сердечника, якщо їм дозволити накопичуватися^[8].

Проблема спонтанного поділу була широко досліджена вченими Манхеттенського проекту під час Другої світової війни^[9]. Вона унеможливила використання плутонію в ядерній зброї гарматного типу, в якій збирання матеріалу, що розщеплюється, у його оптимальну конфігурацію надкритичної маси може тривати до мілісекунди, і змусила розробити зброю імплозивного типу, де збирання відбувається в кілька мікросекунд^[10]. Навіть з такою конструкцією перед тестом Трініті було підраховано, що домішка ²⁴⁰Pu спричинить 12% шанс того, що вибух не досягне максимальної потужності^[8].

Дивись також

• Вигоряння
• Ізотопи плутонію