プルトニウム

プルトニウム 化学特性,用途語,生産方法

• 解説

  プルトニウム，アクチノイドに属する放射性元素の一つ。原子番号94、元素記号Pu。ウラン鉱物中にウラン238と自発核分裂で生成した中性子との反応で生じた質量数239の同位体がわずかに存在するが、その事実が知られる以前は完全な人工合成元素と考えられていた。人工元素として初めて肉眼で認識しうる量が生産された元素でもある。1940年カリフォルニア大学の研究グループがウラン238の重水素衝撃で質量数238の同位体を得たが、その後、原子爆弾開発計画によって原子炉中で大量に生産されるようになった。ウラン、ネプツニウムがそれぞれ天王星、海王星から命名されたのに倣い、冥王(めいおう)星Plutoから命名された。多くの同位体があるが、半減期の長いα(アルファ)崩壊核種が多く、質量数244のものの約8000万年が最長で、大量に生産される239のもので約2万4000年である。

• 性質と用途

  プルトニウム，銀白色の金属となる単体には結晶構造の異なる6種の同素体があり、そのうち2種は温度上昇で収縮する特異な性質を示す。自己の発する崩壊エネルギーで温度が自発的に上昇する危険性があるので、小塊にして冷却保存される。ウランに似て、＋Ⅲから＋Ⅴまでの酸化状態でさまざまな化合物をつくり、それらの物理・化学的性質も詳細に調べられている。

  天然ウランの99.3％を占めるウラン238は現用核分裂炉では燃料とならないが、それが中性子を吸収して生成するプルトニウム239は広いエネルギー範囲の中性子と反応して容易に核分裂する核燃料であり、その効率からも、ウラン238の有効利用の面からも重要な核燃料である。現用炉の使用済み燃料からも再処理によって回収されている。一方、プルトニウムはもっとも危険な物質で、その原因は、核分裂が容易なこと、自発昇温性であること、α崩壊性であることなどにある。プルトニウムを扱うプラントでは、臨界量のプルトニウムが凝集しないように細心の注意が払われている。

• 毒性

  プルトニウムの毒性は主として肝臓および骨髄造血部への濃縮保留とその場所でのα崩壊に起因する。α粒子そのものは健康な皮膚を通過しないが、含プルトニウム粉末・溶液は傷、消化器、呼吸器から体内に侵入する危険性がある。人体内許容基準はプルトニウム換算0.6マイクログラム、大気許容基準は30ピコグラム/立方メートルで、ほかのあらゆる毒物よりも低く設定されている。

• 説明

  Plutonium was first isolated and produced in 1941 at the University of California-Berkeley, by nuclear chemist Glenn T. Seaborg and his colleagues, Joseph W. Kennedy, Edwin M. McMillan, and Arthur C. Wahl. Minute amounts of plutonium exist naturally, but large amounts are produced in nuclear reactors when uranium absorbs an atomic particle such as a neutron.
  Natural occurrences of plutonium are very rare, but it can occur in a reaction called spontaneous fission. This type of reaction occurs when ores of uranium with a high localized concentration decay in the right conditions and produce small amounts of plutonium. Synthetic plutonium is produced in a controlled nuclear reactor when uranium-238 absorbs a neutron and becomes uranium-239, ultimately decaying to plutonium-239. Plutonium has at least 15 different isotopes. Different isotopes of uranium and different combinations of neutron absorption and radioactive decay create the different isotopes of plutonium. Plutonium was discovered during wartime; therefore, the majority of plutonium production was for nuclear weapons. Other plutonium applications range from being energy sources on deep space probes to small amounts providing power to heart pacemakers.

• 化学的特性

  silvery white metal; highly reactive; αform: monoclinic, a=0.6183 nm, b=0.4822 nm, c=1.0963 nm; ionic radius of Pu++++ is 0.0887nm; stable form from room temp to 115°C; enthalpy of vaporization 333.5kJ/mol; enthalpy of fusion 2.82kJ/mol; discovered in 1940–1941; prepared in ton quantities in nuclear reactors; 238Pu produced in kg amounts from 237Np; important fuel for producing power for terrestrial and extraterrestrial applications [MER06] [KIR78] [CRC10]

• 来歴

  The name of Pu derives from the planet Pluto, (the Roman god of the underworld). Pluto was selected because it is the next planet in the solar system beyond the planet Neptune and the element plutonium is the next element in the period table beyond neptunium. Plutonium was first synthesized in 1940 by American chemists Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, Joseph W. Kennedy and Arthur C. Wahl at Berkeley, California, in the nuclear reaction ²³⁸U(²H, 2n) ²³⁸Np → β − → ²³⁸Pu. The longest half-life associated with this unstable element is 80 million year ²⁴⁴Pu.

• 使用

  The principal plutonium isotopes, ²³⁹Pu and ²⁴⁰Pu, were produced as ingredients for nuclear weapons. It is estimated that the United States produced 400 kCi of plutonium for nuclear weapons testing, and approximately 325 kCi was dispersed globally into the environment from conducted aboveground tests. Overall, an estimated 500 aboveground nuclear tests were conducted between 1945 and 1963 by the Soviet Union, Britain, France, and the United States. From these tests, it is estimated 100 000 kCi of plutonium were dispersed into the environment.
  Applications for 238Pu include using it as a heat source for thermoelectric power devices. Radioisotope thermoelectric generators (RTGs) have been used to provide a source of power in remote locations, such as deep space probes. This plutonium isotope generates a large amount of heat through its decay process. The generated heat is converted into electric power via a thermocouple in the RTG. Small-scale application of ²³⁸Pu is also used to provide power to heart pacemakers. The concept behind the use of this material is a result of the half-life of the isotope, since its half-life is extremely long, changing out the power source is not necessary.

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