Plutonium-239

Plutonium-239 of ²³⁹Pu, voor het gemak bij reactievergelijkingen ook geschreven ${\phantom{A}}_{\phantom{94}}^{\phantom{239}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}94}^{\phantom{2}239}\mathrm{P}\mathrm{u}$, is een instabiele radioactieve isotoop van plutonium, een actinide. De isotoop komt van nature niet op Aarde voor. Plutonium-239 wordt gebruikt in kernwapens en kan, net als uranium-233 en uranium-235, ingezet worden als brandstof in kernreactoren.

Vorming

Plutonium-239 kan ontstaan door radioactief verval van neptunium-239, americium-239 of curium-243.

Sjabloon:Betaverval

Sjabloon:Betaverval

Sjabloon:Alfaverval

Het wordt geproduceerd uitgaande van uranium-238. Neutronen worden afgeschoten op uranium-238-kernen, waardoor uranium-239 ontstaat. Dit proces verloopt zeer vlot.

${\phantom{A}}_{\phantom{92}}^{\phantom{238}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}92}^{\phantom{2}238}\mathrm{U}+{\phantom{A}}_{\phantom{0}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}0}^{\phantom{2}1}\mathrm{n}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{92}}^{\phantom{239}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}92}^{\phantom{2}239}\mathrm{U}$

Het ontstane uranium-239 is zeer onstabiel (halveringstijd van ongeveer 23,5 minuten) en vervalt via dubbel β⁻-verval tot plutonium-239. Dit verval verloopt via neptunium-239:

Sjabloon:Betaverval (23,5 min)

Sjabloon:Betaverval (2,4 dagen)

De splijtactiviteit van plutonium-239 is evenwel zeer laag, zodat zelfs na lange neutronenbestraling van uranium-238 het ontstane plutonium-239 gemengd zit met een grote hoeveelheid uranium-238 (en enkele andere isotopen van uranium), zuurstof en splijtproducten. Enkel na dagen van bestraling kan het plutonium-239 op chemische wijze afgescheiden worden van de rest van het mengsel (extractie met salpeterzuur), zodat het zuivere metaal kan verkregen worden.

Kernsplijting en nucleaire eigenschappen

Zowel zijn nucleaire eigenschappen als het feit dat het mogelijk is om relatief goedkoop grote hoeveelheden plutonium-239 te produceren maken de isotoop een geschikte kandidaat voor toepassing in kernwapens en als kernbrandstof. Bij de kernsplijting van uranium-235 in een reactor komen twee of drie neutronen vrij, die door uranium-238 geabsorbeerd kunnen worden. Daarbij ontstaat, naast andere isotopen, plutonium-239, dat eveneens neutronen kan absorberen.

Van alle nucleaire brandstoffen bezit plutonium-239 de kleinste kritische massa: ongeveer 11 kg.

Radioactief verval

Plutonium-239 vervalt onder uitzending van alfastraling naar de radio-isotoop uranium-235:

Sjabloon:Alfaverval

De halveringstijd bedraagt 24.125 jaar.

Toepassing als kernbrandstof

Plutonium-239 wordt onder de vorm van plutonium(IV)oxide gebruikt als zogenaamde MOX-brandstof (mixed oxide-brandstof) in kernreactoren. De toevoeging van plutonium-239 zorgt ervoor dat er aanzienlijk minder nood is aan verrijkt uranium in de brandstofstaven. De reden hiervoor is dat plutonium-239 tegelijkertijd gevormd en verbruikt wordt in de brandstofstaven; immers, door neutronenabsorptie van uranium-238 ontstaat uiteindelijk toch opnieuw plutonium-239. De kernsplijting van plutonium-239 levert ongeveer een derde van de totale energie die opgewekt wordt in een commerciële kernreactorinstallatie.