플루토늄-238

Plutonium-238
플루토늄-238, Pu
Plutonium pellet.jpg
붕괴열로 빛나는 플루토늄-238 산화물 펠릿
일반
기호.238푸
이름플루토늄-238, Pu-238
양성자 (Z)94
중성자 (N)144
핵종 데이터
반감기 (t1/2)87.7년[1][2]
동위원소 질량238.049553 Da
스핀0
부모 동위원소242Cm(α)
238Np(β−)
238Am(β+)
부패 제품234U
붕괴 모드
붕괴 모드붕괴 에너지(MeV)
알파 붕괴5.593
플루토늄 동위 원소
핵종 전체 표

플루토늄-238(238Pu 또는 Pu-238)은 플루토늄의 반감기가 87.7년인 방사성 동위원소다.

플루토늄-238은 매우 강력한 알파 방출체이다. 알파 입자가 쉽게 차단되기 때문에 플루토늄-238 동위원소는 방사성 동위원소 열전 발생기(RTG)와 방사성 동위원소 히터 장치에 사용하기에 적합하다.실온에서 플루토늄-238의 밀도는 약 19.8g/[3]cc이다.이 재료는 약 0.57와트/[4]그램의 Pu를 발생시킵니다.

역사

초도 생산

플루토늄-238은 플루토늄의 첫 번째 동위원소였다.그것은 1940년 12월 글렌 시보그와 동료들에 의해 우라늄-238에 중수소를 폭격하여 넵투늄-238을 생성함으로써 합성되었다.이 반응은 양성자가 중성자로 β 붕괴하고+ 다른 [5]중성자가 빠져나가는 것을 포함한다.

238
92U
 + H
 → Np
 + 2n

그런− 다음 넵투늄 동위원소는 플루토늄-238로 β 붕괴되고 반감기는 2.12일이다.

238
93Np
 → Pu
 + e−
 + µ
e

플루토늄-238은 자연적으로 우라늄-234로 분해되고 라듐 계열에 따라 납-206으로 분해된다.역사적으로 대부분의 플루토늄-238은 사바나 리버가 중성자 넵투늄-237(반감기 2.144Ma)[6]을 조사하여 무기 원자로에서 생산해 왔다.

237
93Np
 + n
 → Np

넵투늄-237은 플루토늄-239 무기급 물질의 부산물로 1988년 폐쇄 당시 Pu에 약 16%의 [7]Pu가 섞여 있었다.

인체 방사선 실험

주요 기사:인체 방사선 실험
어니스트 O. 1939년 8월 버클리 캘리포니아대 로렌스 방사선 연구소에 있는 로렌스의 60인치 사이클로트론. 당시 세계에서 가장 강력한 가속기였다.글렌 T. 시보그와 에드윈 M. 맥밀런(오른쪽)은 플루토늄, 넵투늄, 그리고 다른 많은 초우라늄 원소들과 동위원소들을 발견하기 위해 그것을 사용했고, 그들은 1951년 노벨 화학상을 받았다.

플루토늄은 1940년에 처음 합성되었고 1941년 캘리포니아 [8][9]버클리 대학의 화학자들에 의해 분리되었다.맨하탄 프로젝트는 발견 직후에 시작되었으며, 대부분의 초기 연구(1944년 이전)는 버클리 래드 연구소와 세인트 워싱턴 대학의 큰 사이클로트론을 사용하여 제조된 작은 샘플을 사용하여 수행되었다. 루이스.[10]

맨하탄 프로젝트 동안 직면했던 어려움의 대부분은 핵 연료의 생산과 테스트에 관한 것이었다.우라늄과 플루토늄은 결국 핵분열로 결정되었지만, 각각의 경우 원자폭탄에 적합한 동위원소를 선택하기 위해 정제되어야 했다.제2차 세계대전이 진행되면서 연구팀은 시간에 쫓겼다.플루토늄 샘플은 소량으로 입수할 수 있고 연구자들에 의해 취급되고 있지만, 이것이 건강에 어떤 영향을 [11]미칠지는 아무도 알지 못했다.마이크로그램의 플루토늄은 1942년과 1943년에 사이클로트론에 의해 만들어졌다.1943년 가을에 로버트 오펜하이머는 "존재하는 것은 [10]겨우 20밀리그램밖에 없다"고 말한 것으로 전해진다.그의 요청에 따라, 버클리 소재 Rad Lab은 1943년 10월 말까지 1.2mg의 플루토늄을 사용할 수 있게 되었고,[10] 그 대부분은 이론적인 연구를 위해 로스앨러모스로 보내졌다.

Oak Ridge의 비밀 장소에 세워진 세계 두 번째 원자로인 X-10 흑연 원자로는 1944년에 완전히 가동될 것이다.1943년 11월, 처음 시작한 직후에, 그것은 아주 적은 500mg을 생산할 수 있었다.그러나 이 플루토늄은 다량의 우라늄 연료와 혼합되어 동위원소 분리(농축)를 위한 인근 화학 처리 시험 공장을 대상으로 했다.그램의 플루토늄은 [12]1944년 봄에나 구할 수 있을 것이다.

플루토늄의 산업적 생산은 1945년 3월 핸포드 사이트의 B 원자로가 가동되기 시작하면서 시작되었다.그러나 1944년 플루토늄 취급 사고가 발생해 실험실 안팎의 오염이 문제가 [11]되면서 맨해튼 프로젝트 지도부에 경각심을 불러일으켰다.1944년 8월, 도날드 매스틱이라는 화학자가 액체 염화 플루토늄을 얼굴에 뿌려서 실수로 [11]몇 개를 삼켰습니다.플루토늄 연구자들이 채취한 노즈 스위프는 플루토늄이 [11][13]흡입되고 있음을 시사했다.플루토늄을 포함한 많은 초우라늄 원소를 발견한 맨하탄 프로젝트의 수석 화학자 글렌 시보그는 플루토늄 연구를 위한 안전 프로그램을 개발할 것을 촉구했다.시카고 메트랩의 로버트 스톤에게 보낸 메모에서 시보그는 "체내 플루토늄의 경로를 추적하는 프로그램이 가능한 한 빨리 시작되어야 한다"고 썼다.가장 우선순위가 [14]높은 것"이라고 말했다.이 메모는 1944년 Mastick이 [10]일했던 건물 D에서 발생한 많은 오염 사건 이전인 1944년 1월 5일자로 작성되었다.시보그는 이후 이 메모에서 인간 실험을 암시할 의도가 전혀 없었고 기밀 [10]정보의 구분으로 인해 훨씬 뒤에야 인간에 대한 사용법을 알게 됐다고 주장했다.

폭탄급 농축 플루토늄-239는 중요한 연구와 핵무기 생산에 사용될 예정이어서 플루토늄-238은 핵무기 연료로 사용할 수 없어 초기 의학 실험에 사용되었다.그러나 Pu는 짧은 반감기와 강한 알파 방출체이기 때문에 Pu보다 훨씬 더 위험하다.Pu가 초기 인체실험 대상자에 축적되면서 매우 느린 속도로 배설되고 있다는 사실이 곧 밝혀지면서, 이러한 관행은 관련된 환자들에게 엄청난 영향을 끼쳤다.

1945년 4월 10일부터 1947년 7월 18일까지 18명에게 맨해튼 프로젝트의 일환으로 플루토늄을 주입했다.투여된 선량은 0.095 - 5.9 마이크로큐리(μCi)[11]였다.

CAL-1이라고 불리는 실험에서 Albert Stevens는 1945년에 3.5μCi Pu와 0.046μCi Pu를 주입받았고, 그의 사전 동의 [11]없이 3.546μCi(131kBq)의 총 활성도를[15] 보였다.고방사능 플루토늄-238(천연 [15]우라늄의 중수소 폭격으로 크로커 연구소의 60인치 사이클로트론에서 생산)을 보유하고 있다는 사실이 장기 복용에 크게 기여했다.스티븐스에게 주어진 모든 플루토늄이 당시 유사한 실험에 사용된 것처럼 수명이 긴 Pu였다면 스티븐스의 평생 투여량은 훨씬 적었을 것이다.87.7년의 짧은 반감기는 특히 24,100년의 반감기와 비교해 볼 때 그의 몸 안에서 많은 양의 반감기가 부패했다는 것을 의미한다.

스티븐스는 실험용량의 플루토늄을 투여한 후 심장병으로 사망하기 전까지 약 20년 동안 생존했기 때문에,[10] 지금까지 알려진 가장 높은 누적 방사선량을 견뎌냈다.그의 평생 흡수 선량에 대한 최신 계산은 믿을 수 없는 총 [10]64Sv(6400rem)를 제공한다.

무기

Pu의 첫 번째 적용은 로렌스 방사선 연구소(현 로렌스 리버모어 국립 연구소)의 마운드 연구소에서 만들어진 핵무기 성분들에 사용된 것이다.마운드사는 폴로늄-210 연료의 성게발광기를 생산한 경험과 원자로 연료 프로그램의 여러 중원소를 사용한 연구로 인해 이 작업에 선택되었습니다.두 마운드의 과학자들은 로렌스에서 1959년을 공동 개발로 보냈고, 특수 야금 건물은 프로젝트를 수용하기 위해 마운드에 건설되었습니다.한편,[16] 푸의 첫 샘플은 1959년에 마운드에 왔다.

이 무기 프로젝트는 3년 동안 Pu를 연간 1kg씩 생산해야 했다.그러나 Pu[clarification needed] 부품은 1961년 중반 마운드를 시작으로 2년간의 노력에도 불구하고 사양대로 생산되지 못했다.1일 3교대, 주 6일, 향후 3년간 사바나 리버의 Pu 생산량을 약 20kg/년으로 늘리는 등 최대한의 노력을 기울였다.사양의 완화에 의해,[clarification needed] 약 3%의 생산성이 실현되어 [citation needed]1964년에 드디어 생산이 개시되었습니다.

방사성 동위원소 열전 발전기에 사용

1957년 1월 1일부터, Mound Laboraties RTG 발명가 Jordan & Birden은 열원으로서 열을 전기에너지로 직접 변환하는 데 적합한 방사성 물질과 열전대 연구를 수행하기 위한 육군 신호대 계약(R-65-8-998 11-SC-03-91)을 체결하고 있었다.

1961년, 캡틴.R. T. 카펜터는 트랜싯 IV 해군 항법 위성의 보조 동력으로 우주로 발사될 최초의 RTG(방사성 동위원소 열전 발전기)의 연료로 Pu를 선택했다.1963년 1월 21일까지, NASA 프로그램을 위한 대형 [17]RTG에 연료를 공급하는 데 어떤 동위원소가 사용될지에 대한 결정은 아직 내려지지 않았다.

1964년 초, Mount Laboraties 과학자들은 약 98%[18]의 생산 효율을 얻을 수 있는 무기 부품을 제작하는 다른 방법을 개발했습니다.이 이용 시간은 SNAP-27 기술 정찰단이 달에서, 파이오니어 우주선, 바이킹 화성 착륙선, 더 많은 철도 해군 항행 위성(오늘의 GPS에 전구체)고 이를 모든238Pu의 열기 원천이었다 fabri 두 보이저호의 요구를 충족시키기 위해 단지 공간 내에서 전력 사용을 위한 과도한 사바나 리버 238Pu 생산을 만들었다.진미d. 마운드 연구소에서.[19]

방사성 동위원소 히터 유닛은 아폴로 11호 임무에 의해 달에 배치된 지진실험을 따뜻하게 하는 아폴로 방사성 동위원소 히터(ALRH)를 시작으로 몇몇 달과 화성 탐사선,[20] 갈릴레오 우주선의 실험을 따뜻하게 하는 129개의 LWRHU에 이르기까지 우주 탐사에 사용되었다.

Pu 열원 연료 제조를 위해 1964년 말에 특수 야금 건물 무기 부품 생산 시설이 추가로 완공되었습니다.1969년에는 트랜짓 연료 제조를 위해 연구 건물에 임시 연료 생산 시설도 설치되었다.무기를 구성 요소 프로젝트의 완공으로 특별 금속 건물, 238Pu 많은 양의 처리의 번거로움 때문에, 6월 30일 1968년238Pu 운행을 중단했다 작전 특히 건설을 위해 설계된 새로운 플루토늄 처리 Building,[어디서?]에 의해 인수된"뱀 마운틴".lar 처리Pu의 ge량플루토늄-238은 Karl Z가 평가한 256개의 방사성핵종 중 가장 높은 상대 위험 번호(152개)가 부여된다.1963년 [21]모건 외 연구진

핵추진 페이스메이커

원자력위원회가 개발한 방사성 동위원소 구동식 심장박동조절기로, 원자력 배터리는 고장난 심장의 맥박 동작을 자극한다.1967년경.

플루토늄-238이 비군사적 용도로 사용 가능하게 되었을 때, NUMEC와 함께 1966년 [22]6월 1일에 시작된 심장 박동 조정기 프로그램을 포함하여 많은 응용 프로그램이 제안되고 테스트되었다.화장을 통해 열원이 온전하게 남아있지 않을 것으로 판단되자, 화장 사건이 [citation needed]발생하지 않을 것이라고 100% 보장할 수 없어 프로그램을 취소했다.

2007년 현재, 원자력 심장 [23]박동기를 가진 생존자는 139명 중 9명이다.이 사람들이 죽으면 심장박동조절기를 제거해서 로스앨러모스로 보내서 플루토늄을 [24]회수하도록 되어 있다.

뉴잉글랜드 의학 저널에 보낸 서한에서 2007년 23,000달러에 상당하는 5,000달러의 가격표에도 불구하고, 지속적으로 작동하는 누멕 NU-5를 공급받은 한 여성에 대한 논의는 배터리 구동식 심장 [23]박동기의 55,000달러에 비해 후속 비용은 약 19,000달러였다.

또 다른 핵추진 페이스메이커는 메드로닉스 "로렌스 알카텔 모델 9000"[25]이었다.Los Alamos 국립연구소(LANL)[26]의 오프사이트 소스 리커버리 프로젝트(OSRP) 팀이 회수할 수 있는 약 1600개의 핵추진 심장박동조절기 및/또는 배터리 어셈블리가 미국 전역에 배치되어 있다.

생산.

사용후 핵연료에서 나오는 원자로급 플루토늄은 다양한 플루토늄 동위원소를 포함하고 있다.238Pu는 불과 1~2%를 차지하지만 다른 플루토늄 동위원소에 비해 반감기가 짧기 때문에 단기 붕괴열의 대부분을 차지할 수 있다.원자로급 플루토늄은 어려운 동위원소 분리가 필요하기 때문에 RTG용 Pu를 생산하는 데 유용하지 않다.

순수 플루토늄-238은 재처리 중 사용후 [27]핵연료에서 회수할 수 있는 부액티니드 중 하나인 넵투늄-237의 중성자 조사 또는 원자로 [28]내 아메리슘의 중성자 조사에 의해 제조된다.타깃은 질산에 녹여 플루토늄-238을 추출하는 등 화학적으로 정제된다.3년간 조사된 100kg의 경수로 연료 샘플에는 넵투늄-237이 약 700g(중량 기준 0.7%)만 들어 있어 추출해 정제해야 한다.토륨 연료 [29]사이클에서도 상당한 양의 순수 Pu가 생성될 수 있다.

미국에서는 원자력청의 에너지성 우주방위 전력시스템 이니셔티브가 Pu를 가공해 보관을 유지하고 우주탐사와 국가안보 우주선을 [30]위한 방사성 동위원소 전력·난방장치의 안전성을 개발, 수송, 관리하고 있다.2015년 3월 현재, 총 35kg(77파운드)의 Pu가 민간 우주용으로 사용 가능하다.재고량 중 17kg(37lb)조건을 전력 전달을 위해 NASA규격을 만족에서;238Pu의 복합 임무 RI발열 발전기(MMRTG)의 2020년 화성 탐사 임무와 두개의 다른 MMRTGs을 위한 개념상의 2024년 NASA임무에 사용될 것 이번 수영장. 21kg(46lb)그 후에 남아 있었다.개무게 약 4kg(8.8파운드)이 NASA 규격에 거의 부합하지 않습니다.물질의 동위원소 함량은 보관 중에 방사성 붕괴로 시간이 지남에 따라 손실되므로, 이 재고는 더 높은 동위원소 [31]함량을 가진 더 적은 양의 새로 생성된 Pu와 혼합하여 NASA 규격에 도달할 수 있다.

미국 생산 중단 및 재개

미국은 1988년 [32][33][34]사바나 리버 사이트 원자로가 폐쇄되면서 대량 Pu 생산을 중단했다.1993년 이후, 미국 우주선에 사용된 Pu는 모두 러시아로부터 구입되었다.총 16.5kg(36파운드)을 구입했지만 러시아는 더 이상 Pu를 생산하지 않고 있으며 자체 공급 [35][36]물량이 부족한 것으로 알려졌다.

2013년 2월에는 오크리지의 고유속 동위원소 [37]원자로에서 소량의 Pu가 성공적으로 생성되었으며, 2015년 12월 22일에는 50g(1.8온스)의 [38][39]Pu가 생성되었다고 보고하였다.

2017년 3월 온타리오 발전(OPG)과 벤처 자회사인 캐나다 원자력 파트너스는 NASA의 두 번째 공급원으로 Pu를 생산할 계획을 발표했다.넵투늄-237이[40] 함유된 로드는 워싱턴주 퍼시픽노스웨스트내셔널랩(PNNL)이 제작해 캐나다 온타리오주 클래링턴에 있는 OPG 달링턴 핵발전소로 보내질 예정이다.[41][42]

2019년 1월 테네시주 오크리지 국립연구소에서 생산의 일부 자동화된 측면이 구현되어 매주 [43]생산되는 플루토늄 펠릿의 수가 3배로 증가할 것으로 예상된다고 보고되었다.생산량은 현재 주당 80알에서 주당 약 275알로 증가해 연간 [43]약 400g의 총 생산량을 달성할 것으로 예상된다.현재 목표는 프로세스를 최적화하고 스케일업하여 [44][42]2025년까지 연평균 1.5kg(3.3lb)을 생산하는 것입니다.

적용들

Pu의 주요 용도는 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)의 열원으로서 사용됩니다.RTG는 1954년 마운드의 과학자 켄 조던과 [45]2013년 국립 발명가 명예의 전당에 오른 존 버든에 의해 발명되었다.그들은 즉시 Po 열원을 이용한 작업용 프로토타입을 제작하였고, 1957년 1월 1일 폴로늄-210을 열원으로 하여 열을 전기에너지로 직접 변환하는 데 적합한 방사성 물질과 열전대를 연구하기로 육군 신호대 계약(R-65-8-998 11-SC-03-91)을 체결하였다.

1966년 SAE International이 보고한 연구는 우주에서의 적용을 위한 방사성 동위원소 전력 서브시스템에서 플루토늄-238의 사용 가능성을 설명했다.본 연구는 플루토늄-238을 1차 발열체로 하는 랭킨 사이클, 브레이튼 사이클, 열전 변환, 서미온 변환에 의한 전력 변환에 초점을 맞췄다.플루토늄-238 발열 소자에 의해 공급된 열은 400°C와 1000°C 사이에서 일관되었지만, 미래 기술은 2000°C의 상한에 도달하여 전력 시스템의 효율성을 더욱 높일 수 있다.랭킨 사이클 연구에서는 흡기 터빈 온도가 1800 R일 때 효율이 15-19%인 반면, 브레이튼 사이클은 흡기 온도가 2000 R일 때 효율이 20%가 넘는 것으로 보고되었습니다.열전 변환기는 효율은 낮지만(3-5%) 높은 신뢰성을 제공했습니다.열전자 변환은 적절한 조건에 [46]도달할 경우 브레이튼 사이클과 유사한 효율성을 제공할 수 있습니다.

RTG 기술은 1960년대와 1970년대에 Los Alamos National Laboratory에 의해 심장 박동기에 방사성 동위원소 열전 발전기 전력을 제공하기 위해 처음 개발되었다.메드트로닉이 제조한 250대의 플루토늄 심장박동조절기 중 22대가 25년이 지난 지금도 여전히 가동되고 있는데, 이는 배터리 구동 심장박동조절기로는 달성할 [47]수 없는 위업이다.

이와 같은 RTG 전력 기술은 파이오니어 10과 11, 보이저 1과 2, 카시니 같은 우주선에 사용되어 왔다.Huygens와 New Horizons, 그리고 Mars Science Laboratory와 Mars 2020 Perteance Rover와 같은 다른 장치들은 장기 원자력 [48]발전을 위한 것입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크


경량화:
플루토늄-237 		플루토늄-238은
플루토늄 동위원소 		중량:
플루토늄-239
붕괴 생성물:
퀴륨-242(α)
아메리슘-238(β+)
넵투늄-238(β-)
우라늄-238(β-β-) 		붕괴사슬
플루토늄-238의		 데코:
우라늄-234(α)