Плутоний-238

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Плутоний-238
Таблетка диоксида плутония-238 (применяется в РИТЭГах), раскаленная докрасна вследствие значительного энерговыделения в условиях термической изоляции.
Таблетка диоксида плутония-238 (применяется в РИТЭГах), раскаленная докрасна вследствие значительного энерговыделения в условиях термической изоляции.
Название, символ Плутоний-238, 238Pu
Нейтронов 144
Свойства нуклида
Атомная масса 238,0495599(20)[1] а. е. м.
Дефект массы 46 164,7(18)[1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон) 7 568,354(8)[1] кэВ
Период полураспада 87,7(1)[2] лет
Продукты распада 234U
Родительские изотопы 238Np (β)
238Am (β+)
242Cm (α)
Спин и чётность ядра 0+[2]
Канал распада Энергия распада
α-распад 5,59320(19)[1] МэВ
Спонтанное деление
Таблица нуклидов
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Плуто́ний-238 (англ. plutonium-238) — радиоактивный нуклид химического элемента плутония с атомным номером 94 и массовым числом 238. Является первым открытым изотопом плутония. Был открыт в 1940 году Гленом Сиборгом, Дж. Кеннеди, Артуром Валем и Э. М. Макмилланом[3] в результате бомбардировки урана-238 дейтронами[4]:

Период полураспада плутония-238 составляет 87,7(1) года. Плутоний-238 является практически чистым альфа-излучателем. Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 633,7 ГБк.

Один грамм чистого плутония-238 генерирует приблизительно 0,567 Вт мощности.

Образование и распад

[править | править код]

Плутоний-238 образуется в результате следующих распадов:

  • α-распад нуклида 242Cm (период полураспада составляет 162,8(2)[2] суток):

Распад плутония-238 происходит по следующим направлениям:

энергия испускаемых α-частиц 5 456,3 кэВ (в 28,98 % случаев) и 5 499,03 кэВ (в 70,91 % случаев)[5].

Плутоний-238 образуется в любом ядерном реакторе, работающем на природном или малообогащённом уране, содержащем в основном изотоп 238U. При этом происходят следующие ядерные реакции[4][6]:

Весовые количества чистого плутония-238 получают путём облучения нейтронами нептуния-237, который, в свою очередь, добывают из отработанного ядерного топлива[6].

Цена одного килограмма плутония-238 составляет примерно 2,5 млн долларов США[7].

Применение

[править | править код]

Плутоний-238 используют в радиоизотопных источниках энергии (например, в РИТЭГах)[6]. Ранее (до появления литиевых батарей[8]) использовались в кардиостимуляторах[9][10].

США использовали РИТЭГ-и с плутонием-238 на примерно 30 космических аппаратах НАСА, включая «Вояджеры» и «Кассини». Так, космический аппарат «Кассини» содержал три РИТЭГ-а с 33 килограммами диоксида плутония-238, которые обеспечивали генерацию 870 ватт электрической мощности[11]. Марсоходы «Кьюриосити» и "Персеверанс" несут РИТЭГ-и MMRTG с 4,8 кг плутония-238, обеспечивающие 125 Вт электрической мощности[12]. Кроме электрической генерации, РИТЭГ-и своим тепловыделением поддерживают тепловой баланс космических аппаратов и роверов. Также, в аппаратах "Соджорнер", "Спирит" и "Опортьюнити" использовались радиоизотопные источники тепла размером с гальванический элемент типоразмера D для поддержания теплового режима работы электронной аппаратуры, в том числе и цифровых вычислительных машин. Также, атмосферный зонд автоматической межпланетной станции "Галилео" обладал подобными источниками тепла.

Производство

[править | править код]

В США производство изотопа плутония-238 было остановлено в 1988 году (Саванна Ривер)[13]. Министерство энергетики США подписало в 1992 году пятилетний договор о покупке изотопа у России в объёме 10 кг и возможностью увеличения поставок не более чем до 40 кг. В рамках договора заключалось несколько контрактов, соглашение продлевалось. В 2009 году поставки были прерваны из-за реструктуризации российской ядерной промышленности[14].

Начиная с 1993 года, большинство РИТЭГов на американских космических аппаратах используют изотоп, приобретаемый у России. По состоянию на 2005 год было закуплено примерно 16,5 кг[15][16].

В 2009 Министерство энергетики США запросило финансирование на возобновление производства изотопа на территории США[17][18]. Стоимость проекта оценивалась в 75—90 миллионов долларов за пять лет[19] Финансирование проекта разделено между Министерством энергетики и NASA[19]. Конгресс предоставил NASA по 10 миллионов в 2011 и 2012 годах[19], но отказал в финансировании Министерству энергетики[19].

В 2013 году Национальная лаборатория Оук-Ридж (штат Теннеси) начала производство плутония-238 с проектной мощностью в 1,5—2 килограмма изотопа в год[20][21][22].

Примечания

[править | править код]
  1. 1 2 3 4 5 Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references (англ.) // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. — Bibcode2003NuPhA.729..337A.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode2003NuPhA.729....3A.Открытый доступ
  3. Волков В. А., Вонский Е. В., Кузнецова Г. И. Выдающиеся химики мира. — М.: Высшая Школа, 1991. — С. 407. — 656 с.
  4. 1 2 Милюкова М. С., Гусев Н. И., Сентюрин И. Г., Скляренко И. С. Аналитическая химия плутония. — М.: «Наука», 1965. — С. 7—12. — 454 с. — (Аналитическая химия элементов). — 3400 экз.
  5. Свойства 238Pu на сайте МАГАТЭ (IAEA, International Atomic Energy Agency) (недоступная ссылка)
  6. 1 2 3 Редкол.:Кнунянц И.Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 580-582. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
  7. Тимошенко, Алексей (2010-10-12). "Обама открыл «частникам» дорогу в космос". gzt.ru. Архивировано из оригинала 15 октября 2010. Дата обращения: 22 октября 2010.
  8. http://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/dimensions/issue7/pacemaker.html Архивная копия от 20 марта 2015 на Wayback Machine «Eventually, modern lithium-ion batteries replaced the plutonium ones. Lithium-ion batteries are still used to power pacemakers today»
  9. Plutonium Powered Pacemaker (1974). Дата обращения: 29 августа 2012. Архивировано 22 августа 2011 года.
  10. Facts about pacemakers. Дата обращения: 29 августа 2012. Архивировано 18 марта 2021 года.
  11. Plutonium. Архивная копия от 18 августа 2015 на Wayback Machine World Nuclear Association.
  12. Mars rover fueled by Russian plutonium Архивная копия от 19 декабря 2014 на Wayback Machine // fuelfix.com, August 21, 2012
  13. Economical Production of Pu - 238: Feasibility Study. Center for Space Nuclear Research. Дата обращения: 19 марта 2013. Архивировано 2 июля 2013 года.
  14. Plutonium-238 Production for NASA Radioisotope Power Systems // Cryptome, Federal Register Volume 78, Number 6 (January 9, 2013), [FR Doc No: 2013-00239
  15. Commonly Asked Questions About Radioisotope Power Systems. Idaho National Laboratory (июль 2005). Дата обращения: 24 октября 2011. Архивировано из оригинала 2 июля 2013 года.
  16. Plutonium-238 Production Project. Department of Energy (5 февраля 2011). Дата обращения: 2 июля 2012. Архивировано из оригинала 3 февраля 2012 года.
  17. Plutonium Shortage Could Stall Space Exploration. NPR. Дата обращения: 19 сентября 2011. Архивировано 2 июля 2013 года.
  18. Greenfieldboyce, Nell. «The Plutonium Problem: Who Pays For Space Fuel?» Архивная копия от 17 марта 2021 на Wayback Machine NPR, 8 November 2011
  19. 1 2 3 4 Wall, Mike Plutonium Production May Avert Spacecraft Fuel Shortage. Space.com (6 апреля 2012). Дата обращения: 2 июля 2012. Архивировано 2 июля 2013 года.
  20. РИТЭГ: «сердца» космических роботов, или оружие террористов? Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Голос Америки, 27.08.2013
  21. NASA отказалось от эффективного ядерного источника энергии — усовершенствованного радиоизотопного термоэлектрического генератора Стирлинга (ASRG — Advanced Stirling Radioisotope Generator) Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Популярная механика, 25 ноября 2013
  22. U.S. To Restart Plutonium Production for Deep Space Exploration Архивная копия от 15 сентября 2015 на Wayback Machine // Universe Today, March 20, 2013