プルトニウム238

プルトニウム238
	惑星探査機のカッシーニとガリレオに搭載された238PuO2のペレット。赤色は238Puの崩壊熱が原因である。
	核種の一覧
概要
名称、記号	プルトニウム238,238Pu
中性子	144
陽子	94
核種情報
天然存在比	0
半減期	87.7 ± 0.1 年
親核種	238Np (β-); 242Cm (α); 238Am (β+); 238U (β-β-)
崩壊生成物	234U
同位体質量	238.0495599(20) u
スピン角運動量	0+
余剰エネルギー	46164.7± 1.8 keV
結合エネルギー	7568.354 keV
崩壊モード	崩壊エネルギー
α	5.593 MeV

プルトニウム238 (Plutonium-238・²³⁸Pu) は、プルトニウムの同位体の1つ。

概要

²³⁸Puは、半減期が87.7年の比較的寿命の短い放射性同位体である。これはプルトニウムの同位体の中で5番目に半減期の長いものである^[1]。

²³⁸Puはそのほぼ100%がアルファ崩壊によって崩壊し、²³⁴Uになる。しかし、低確率ではあるが他の崩壊モードもある。0.00000019%（約5億分の1）は自発核分裂で崩壊し、0.000000000000014%（約7000兆分の1）は³²Siを放出して²⁰⁶Hgに、0.000000000000006%（約2京分の1）は²⁸Mgまたは³⁰Mgを放出して²¹⁰Pbまたは²⁰⁸Pbとなる。後者2つは自発核分裂とは異なり、放出する核種が決まっており、このような崩壊モードをクラスタ崩壊と呼ぶ。クラスタ崩壊が確認されているプルトニウムの同位体は他に²³⁶Puと²⁴⁰Puしかない。ほとんどの²³⁸Puは、最終的に²⁰⁶Pbに落ち着く^[1]。

歴史

²³⁸Puは世界で初めて合成・発見されたプルトニウムの同位体である。²³⁸Puは1940年12月に、グレン・シーボーグ、エドウィン・マクミラン、ジョセフ・ケネディー、アーサー・ワールらによって、カリフォルニア大学バークレー校にて²³⁸Uに重陽子を衝突させ²³⁸Npを合成し、それが半減期2.117日のベータ崩壊によって²³⁸Puが生ずる事を最終的に1941年 2月23日に確認した^[2]^[3]。

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{1}^{2}H\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ +\ 2\ _{0}^{1}n\ {\xrightarrow[{2.117\ days}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu}$

プルトニウムの発見は第二次世界大戦のさなかという当時の情勢から機密扱いとされ、論文が発表されたのは1946年である^[2]。プルトニウムの発見からわずか4年半後の1945年 8月9日に長崎市にプルトニウム型原子爆弾が投下されたが、この時使われたファットマンは、²³⁸Puの合成からすぐに合成・発見された同位体である²³⁹Puを用いたものである^[3]。

生成

²³⁸Puの生成には、多くは²³⁷Npが使われている。軽水炉で3年間使用された使用済み核燃料には、1kgあたり約7gの²³⁷Npが含まれている。この²³⁷Npを選択抽出し、²³⁷Npに中性子線を当てることによって²³⁸Npに変化させ、ベータ崩壊によって²³⁸Puを生じさせるのである。また、アメリシウムを原料とする場合もある^[4]。

$\mathrm {^{237}_{\ 93}Np\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2.117\ days}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu}$

アメリカ合衆国では後述するとおり²³⁸Puを宇宙探査機用によく用いているが、1988年からは安全上の問題で生産を行っていなかった。しかし、ロシアからの供給が2010年にストップしたことから、エネルギー省は2013年 3月18日に²³⁸Puの生産を再開すると発表した^[5]。

その他の親核種

自然に生ずる崩壊モードに限定した場合、²³⁸Puの親核種には²³⁸Npのほかに²⁴²Cmが挙げられる^[1]。²⁴²Cmは²³⁹Puを燃料とする原子炉内で生成されるキュリウムの同位体では最も普通の核種であり、半減期162.8日のアルファ崩壊によって²³⁸Puになる。そのため、例えば加圧水型原子炉の使用済み核燃料には、²³⁸Puが1.3 - 2.7%含まれている。ただし、この状態から同位体分離を行うのは技術的に困難であるため、技術的用途には用いられていない^[6]。

$\mathrm {^{239}_{\ 94}Pu{\xrightarrow[{}]{+n}}\ _{\ 94}^{240}Pu{\xrightarrow[{}]{+n}}\ _{\ 94}^{241}Pu{\xrightarrow[{14.290\ y}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am{\xrightarrow[{}]{+n}}\ _{\ 95}^{242m1}Am{\xrightarrow[{141\ y}]{IT}}\ _{\ 95}^{242}Am{\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm{\xrightarrow[{162.8\ d}]{\alpha }}\ _{\ 94}^{238}Pu}$

^{[注釈 1]}

上記で挙げたとおり最初の²³⁸Puは²³⁸Uから人工的に生成されたが、実は直接²³⁸Puになる崩壊モードも存在する。しかしそれは二重ベータ崩壊という非常に確率の低いモードであり、0.000000000219%（約46億分の1）の確率でしか発生しない。²³⁸Uそのものの半減期も44億6800万年と非常に長いため、この方法も実用できる量を生成するのは現実的な話ではない^[1]。

そのほか、親核種には²³⁸Amの陽電子放出が挙げられる^[1]。

用途

RTG燃料として使われる²³⁸Puは二酸化プルトニウム (PuO₂) の形で用いられている。

→「放射性同位体熱電気転換器」も参照

²³⁸Puは、ほとんどがアルファ崩壊によってのみ崩壊し、半減期も87.7年という適度な長さを持つ。この性質は、崩壊熱を利用しゼーベック効果によって電力を生み出す放射性同位体熱電気転換器 (RTG) には都合が良い。実際、²³⁸Puは最も良く使われているRTG燃料である。²³⁸Puの崩壊エネルギーは1kgあたり540Wであり、十分効率的である。また、放射線の外部漏洩を防ぐ鉛防護壁の厚さは2.5mm以下で済み、適切な格納容器があれば防護壁が不要である場合が多い。熱量が大きく、適度な寿命と防護壁の不要性は、重量が厳しく制限される宇宙探査機の要望に応えるものである。また、ガンマ線や中性子線もほとんど放出されない。RTG用の²³⁸Puは二酸化プルトニウム (PuO₂) の形で用いられる^[7]。

²³⁸PuのRTGを利用した探査機はボイジャー1号、ボイジャー2号、パイオニア10号、パイオニア11号、ニュー・ホライズンズ、カッシーニなどである。2011年現在では、木星探査機のジュノーのような、太陽から遠方でもRTGを用いず太陽光パネルで電力をまかなう探査機も開発されている^[8]が、一般的には木星より外側の太陽系の外側を探査する場合、太陽光パネルで電力を得るのには太陽光が弱すぎるため、²³⁸PuのRTGが電力として利用される場合が多い^[9]。また、キュリオシティ以降の火星探査車も、砂嵐が多く砂塵が太陽電池の上に堆積しやすい火星環境下で、昼夜関係なく動作するために²³⁸PuのRTGを使用している^[10]^[11]。

なお、²³⁸PuのRTGは、1960年代に一部の埋め込み型の心臓ペースメーカーに使われていた事があるが、リチウム電池の性能が向上した1970年代からは使われなくなっている^[12]。

脚注

^ ただし、この式のみ簡略化の為一部を省略している。「+n」が上についている矢印は、1個の中性子を衝突させ中性子捕獲したという意味になる。

出典

[脚注の使い方]

軽量 ²³⁷Pu	プルトニウム238はプルトニウムの同位体である	重量 ²³⁹Pu
²³⁸Np (β^-) ²⁴²Cm (α) ²³⁸Am (β⁺) ²³⁸U (β^-β^-) の崩壊生成物	プルトニウム238 の崩壊系列	²³⁴U (α) (SF) ²⁰⁶Hg (³²Si) ²¹⁰Pb (²⁸Mg) ²⁰⁸Pb (³⁰Mg) へ崩壊

概要

歴史

生成

その他の親核種

用途

脚注

出典

関連項目