Isòtops del plutoni

El plutoni (Pu) no té cap isòtop estable. S'han caracteritzat 20 radioisòtops, els més estables dels quals són el ²⁴⁴Pu amb un període de semidesintegració de 80,8 milions d'anys, el ²⁴²Pu amb un període de semidesintegració de 373.300 anys i el ²³⁹Pu amb un període de semidesintegració de 24.110 anys. La resta d'isòtops radioactius tenen períodes de semidesintegració menors als 7.000 anys. Aquest element també té vuit isòmers nuclears tot i que tots ells tenen períodes de semidesintegració menor a un segon. Els isòtops de plutoni varien en massa atòmica de les 228,0387 u del ²²⁸Pu fins als 247,074 u del ²⁴⁷Pu. El mode de desintegració primari abans de l'isòtop més estable, el ²⁴⁴Pu, és emissió alfa i fissió espontània; després és l'emissió beta. El producte de desintegració abans del ²⁴⁴Pu són isòtops de l'urani i el neptuni (descartant l'àmplia varietat de nuclis fills creats en processos de fissió), i els productes després del ²⁴⁴Pu són isòtops de l'americi.

El ²³⁸Pu no es produeix normalment en grans quantitats en el cicle de combustible nuclear, però se'n produeix una mica per captura neutrònica des del ²³⁷Np (aquesta reacció també es pot usar amb neptuni purificat per produir ²³⁸Pu relativament lliure d'altres isòtops de plutoni per usar-lo en generadors termoelèctrics per radioisòtops, per la reacció (n,2n) de neutrons ràpids sobre el ²³⁹Pu, o per emissió alfa del ²⁴²Cu produït per captura neutrònica del ²⁴¹Am. Té una secció transversal de neutró tèrmic significativa per fissió, però és més probable que capturi un neutró i es converteixi en ²³⁹Pu. El ²³⁸Pu té un període de semidesintegració de 87,74 anys^[2] i emet partícules alfa. El ²³⁸Pu pur per generadors termoelèctrics per radioisòtops que alimenta transbordadors espacials es produeix per captura neutrònica del ²³⁷Np però el plutoni provinent del combustible nuclear usat pot contenir un petit percentatge de ²³⁸Pu, provinent del ²³⁷Np, per emissió alfa del ²⁴²Cm, o reaccions (n,2n).

El ²³⁹Pu, és l'isòtop més important del plutoni, amb un període de semidesintegració de 24.100 anys. És un isòtop físsil, és a dir, que el nucli dels seus àtoms pot trencar-se quan es bombardeja amb neutrons tèrmics de moviment lent, alliberant energia, radiació gamma i més neutrons. Per tant pot mantenir una reacció nuclear en cadena, utilitzable en armes nuclears i reactors nuclears. És el segon isòtop físsil més usat en combustible nuclear després de l'²³⁵U, i el més usat en les armes nuclears de fissió nuclear, es produeix a partir de l'²³⁸U per captura neutrònica seguida de dues emissions beta.

El ²⁴⁰Pu, té una alta ràtio de fissió espontània, elevant la radiació neutrònica de fons del plutoni que el conté. El plutoni es gradua per la proporció de ²⁴⁰Pu: en armes (< 7%), en combustible (7-19%) i en reactors (>19%). Les gradacions més baixes són menys apropiades per a armes nuclears i reactors tèrmics però pot donar energia a reactors ràpids. El ²⁴⁰Pu no és físsil, però és un material fèrtil com el ²³⁸U. El ²⁴¹Pui el ²⁴²Pu es produeixen per captura neutrònica posterior. Els isòtops de nombre senar de massa ²³⁹Pu i ²⁴¹Pu tenen una probabilitat de ¾ de fissió nuclear en capturar un neutró tèrmic i sobre ¼ de mantenir el neutró i convertir-se en el següent isòtop. Els isòtops de massa parell són materials fèrtils però no físsils i també tenen una baixa probabilitat de captura electrònica; per tant, tendeixen a acumular-se en combustible nuclear usat en reaccions tèrmiques. En el plutoni usat per segona vegada en reaccions tèrmiques, el ²⁴⁰Pu pot arribar a ser l'isòtop més comú. Tots els isòtops del plutoni i altres actínids, això no obstant, són físsils amb neutrons ràpids. El ²⁴⁰Pu té una moderada secció transversal d'absorció de neutrons tèrmics, per tant la producció de ²⁴¹Puen reactors tèrmics és una fracció tan significativa com la producció de ²³⁹Pu.

El ²⁴¹Pu, és físsil tot i que també té emissió beta. Té un període de semidesintegració de 14 anys, i té una secció transversal de neutró tèrmic lleugerament més alta que el El ²³⁹Pu tant per a la fissió com per a l'absorció. Mentre s'usa el combustible nuclear en un reactor és més probable que un nucli de ²³⁹Pu emprengui una fissió o una captura electrònica que una desintegració. El ²⁴¹Pu compta amb una significativa proporció de fissió en combustible de reactor tèrmic usat durant un període. Això no obstant, en combustibles nuclears usats que no pateixen processos nuclears ràpidament sinó que es refreden durant anys després del seu ús, la majoria del ²⁴¹Pu es desintegrarà per emissió beta a americi 241, un dels actínids menors, fort emissor alfa i de difícil ús en reactors. .

El ²⁴²Pu no és físsil, i no és molt fèrtil (requereix més de 3 captures neutròniques per a convertir-se en físsil, té una particularment baixa secció transversal per a la captura de neutrons tèrmics; i pren quatre absorcions de neutrons per a convertir-se en un altre isòtop físsil (²⁴⁵Cu o ²⁴¹Pu) i fissionar. Inclús llavors, hi ha la possibilitat que qualsevol dels dos isòtop fallés en la fissió i absorbís un quart neutró, convertint-se en ²⁴⁶Cu (com actínids més pesats com el californi, un emissor de neutrons per fissió espontània difícil de manejar) o convertir-se en ²⁴²Pu una altra vegada; de manera que el nombre mitjà de neutrons absorbits abans de la fissió és fins i tot superior a 4. Per tant, el ²⁴²Pu no és apropiat per al reciclatge en un reactor tèrmic i seria millor el seu ús en reactors ràpids on podria fissionar directament. Això no obstant, la baixa secció transversal del ²⁴²Pu significa que una poca quantitat es podrà transmutar durant un cicle en un reactor tèrmic. El ²⁴²Pu té un període de semidesintegració quasi 15 vegades el del ²³⁹Pu, per tant és 1/15 tan radioactiu i no és un dels contribuidors més grans a la radioactivitat dels residus nuclears. Les emissions de raigs gamma del ²⁴²Pu són també més febles que les dels altres isòtops.^[3]

El ²⁴³Pu té un període de semidesintegració de tan sols 5 hores, es desintegra per emissió beta a ²⁴³Pu a ²⁴³Am. Com el ²⁴³Pu té poques oportunitats de capturar un neutró addicional abans de la desintegració, el cicle de combustible nuclear no produeix isòtop d'extremadament llarg període de semidesintegració ²⁴⁴Pu en quantitat significativa.

El ²⁴⁴Pu és l'isòtop més estable del plutoni, amb un període de semidesintegració d'uns 80 milions d'anys, prou llarg com per a trobar-se'n a la natura. No es produeix significativament en reactors nuclears perquè el ²⁴³Pu té un curt període de semidesintegració, però se'n produeix una mica en explosions nuclears.

Els valors marcats amb # no estan derivats únicament de dades experimentals, sinó que en part es basen en tendències sistemàtiques. Els espins amb arguments d'assignació febles es troben entre parèntesis. Les incerteses es troben en forma concisa entre parèntesis després dels últims dígits corresponents. Els valors d'incertesa indiquen una desviació estàndard, tret de la composició isotòpica i la massa atòmica estàndard de la IUPAC, que utilitzen incerteses expandides.