プルトニウム239のソースを表示

{{Infobox 同位体
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|image=Plutonium ring.jpg
|image_caption=純度99.96%のプルトニウム環
|mass_number=239
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'''プルトニウム239'''は[[プルトニウムの同位体]]である。プルトニウム239はウラン235と並んで高い[[核分裂性物質|核分裂性]]を有するため、[[核兵器]]の生産に利用されてきた。プルトニウム239は、[[熱中性子炉]]の燃料として利用できる3つの同位体のうち1つ（他2つは[[ウラン235]]および[[ウラン233]]）である。 プルトニウム239の[[半減期]]は24,110年である<ref>{{Cite web|url=http://ieer.org/resource/nuclear-power/plutonium-factsheet/|title=Physical, Nuclear, and Chemical Properties of Plutonium|accessdate=20 November 2015|work=Institute for Energy and Environmental Research}}</ref>。

== 核物理 ==
高純度のプルトニウム239は、兵器級高濃縮ウラン235よりも格段に安く大量生産できるため、[[核兵器]]や[[原子力発電所]]で利用されている。[[核分裂反応|核分裂]]反応によりウラン235原子から2または3個の中性子が放出され、これがウラン238に[[中性子捕獲|捕獲]]されることでプルトニウム239などの[[同位体]]が生成される。プルトニウム239はウラン235を用いる[[原子力発電所|発電用原子炉]]でも生成し、ウラン235と同じように核分裂を起こす。

プルトニウム239の[[臨界量]]は、すべての核燃料の中で最小である。稠密な球状とした場合の臨界量は約11kg<ref>[https://fas.org/nuke/intro/nuke/design.htm FAS Nuclear Weapons Design FAQ] {{webarchive |url=https://web.archive.org/web/20081226000000/https://fas.org/nuke/intro/nuke/design.htm |date=December 26, 2008 }}, Accessed 2010-9-2</ref>で、直径は10.2cmほどになる。点火機構や、中性子反射体、爆縮構造を適切に選ぶことにより、より少ない量で臨界を達成することができる。この最適化には[[主権国家]]により支援される大規模な核開発組織が必要とされる。

プルトニウム239原子1個が核分裂することにより、207.1 [[電子ボルト|MeV]] =3.318×10<sup>-11</sup>J のエネルギーが放出される。より身近な単位に換算すると、19.98TJ/[[モル|mol]] =83.61TJ/kg<ref name="kayelaby">{{Cite web|url=http://www.kayelaby.npl.co.uk/atomic_and_nuclear_physics/4_7/4_7_1.html|title=Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission|publisher=Kaye & Laby Online|accessdate=2009-2-13}}</ref>、23,222,915[[キロワット時|kWh]]/kgとなる。
<center class="" style="">
{| align="center" class="wikitable"
!放出エネルギー源<br>（プルトニウム239の熱核分裂の場合）
!放出エネルギー[MeV]<br>（平均値）
|-
|核分裂断片の運動エネルギーとして
| align="center" style="background:#e0ffe0" | 175.8
|-
|即発中性子の運動エネルギーとして
| align="center" style="background:#e0ffe0" | &nbsp; &nbsp; 5.9
|-
|即発ガンマ線として
| align="center" style="background:#e0ffe0" | &nbsp; &nbsp; 7.8
|-
| style="background:#8989f9" |核分裂そのものによるエネルギー 
| align="center" style="background:#8989f9" | 189.5
|-
|β−粒子として
| align="center" style="background:#e0ffe0" | &nbsp; &nbsp; 5.3
|-
|反ニュートリノとして
| align="center" | &nbsp; &nbsp; 7.1
|-
|遅発ガンマ線として
| align="center" style="background:#e0ffe0" | &nbsp; &nbsp; 5.2
|-
| style="background:#8989f9" |核分裂生成物の崩壊に伴うエネルギーの総量
| align="center" style="background:#8989f9" | &nbsp; 17.6
|-
|即発中性子の捕獲により放出されるエネルギー
| align="center" style="background:#e0ffe0" | &nbsp; 11.5
|-
| style="background:#60c060" |熱中性子炉で放出される熱エネルギーの総量<br>（反ニュートリノは寄与しない) 
| align="center" style="background:#60c060" | 211.5
|}
</center>

== 製造 ==
プルトニウムはウラン238から生産される。プルトニウム239は、原子炉の[[燃料棒]]に含まれるウランの同位体が[[核変換]]を起こすことによって生じる。ウラン238が[[中性子線|中性子照射]]を受けると中性子を取り込んで[[ウラン239]]に変わる。この反応は、中性子の運動エネルギーが小さいときに起こりやすい。ウラン239は、その後速やかに2回の[[ベータ崩壊|β<sup>−</sup>崩壊]]（[[電子]]と[[ニュートリノ|反ニュートリノ]]を放出）を起こし、ネプツニウム239を経てプルトニウム239となる。

:<math>\mathrm{^{238}_{\ 92}U \ + \ ^{1}_{0}n \ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U \ \xrightarrow [23.5\ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np \ \xrightarrow [2.3565\ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}</math>

原子炉内の中性子照射においては、周囲に大量のウラン238や核分裂生成物、酸素などが存在するため、プルトニウム239が核分裂を起こす確率は相対的に低い。中性子照射がごく短期間だった場合に限り、[[再処理工場|再処理]]を行うことで高純度のプルトニウム239を得ることができる。

プルトニウム239はウラン235よりも核分裂を起こしやすく、核分裂の際に放出する中性子も多いため、臨界量は小さくなる。純プルトニウム239の場合には中性子放出を伴う[[自発核分裂]]の確率が十分小さい（10分裂/秒-kg）ため、[[連鎖反応]]が始まる前に臨界量以上の質量を集め、組み立てることができる。

しかし、実際には、原子炉で生成されるプルトニウムにはプルトニウム239がさらに中性子を捕獲した[[プルトニウム240]]も含まれる。プルトニウム240は高い確率で[[自発核分裂]]（415,000分裂/秒-kg）を起こすため、好ましくない同位体である。プルトニウム240を多量に含むプルトニウムは強い[[中性子線]]を放つため取り扱いが困難なうえ、ほとんどの核物質が核分裂に寄与しないまま核兵器が破壊される[[不完全核爆発]]を起こすからである（ただし、現代の核兵器では中性子点火器を使用し、余剰中性子は[[ブースト型核分裂兵器|ブースト反応]]で供給するため、不完全核爆発は大きな問題とはならない）。このため、プルトニウムを用いた核兵器は[[ガンバレル型]]ではなく[[爆縮レンズ|爆縮レンズ型]]に限られる（米国でもガンバレル型はごく初期に原子炉級プルトニウムを用いた[[Mark 2 (核爆弾)|試作検討]]が行われただけである）。さらに、プルトニウム239とプルトニウム240は化学的に分離できない上、質量数の差が小さすぎてウランのように[[ウラン濃縮|物理的に分離]]を行うことも困難である。兵器級プルトニウムはプルトニウム240の含有量が7%以下のものと定義されており、これを得るためにはプルトニウム240の生成を避けるためウラン238への中性子照射を短時間に留める必要がある。

プルトニウムは、プルトニウム240の含有率により、以下のように分類される。
* '''スーパーグレード''' 2-3%
* '''兵器級''' 7%未満
* '''核燃料級''' 7-18%
* '''原子炉級''' 18%以上
核兵器に使用するプルトニウムを生産するための原子炉では、高頻度で照射済みウラン238を未照射のウラン238と交換することでプルトニウム240の生成を抑えている。天然ウランや低濃縮ウランを燃料とする原子炉では、燃料のほとんどがウラン238である。しかし、ほとんどの[[原子力発電所|発電用原子炉]]は燃料交換のために数週間に渡って原子炉を停止しなければならない。このような原子炉は、核兵器で用いるのに適切な同位体組成のプルトニウムの生産には向いていない。核兵器用プルトニウム生産炉では、炉心中央部付近にウラン238を置き、頻繁に燃料を交換できたりシャットダウンできるように構造的な工夫が加えられている。こういった原子炉は当然ながら核拡散の懸念があるため、[[国際原子力機関|国際原子力機関の]]査察が頻繁に行われる。運転中燃料交換が可能な炉型はロシアの[[黒鉛減速沸騰軽水圧力管型原子炉]]（RBMK）や[[重水炉]]などごく一部に限られるが、いずれも核拡散のリスクがある。実際にRBMKは冷戦中の旧ソ連で平和的核利用の名目で発電炉として多数建造されたが、設計上はプルトニウム生産炉として利用可能であった。一方、カナダの[[CANDU炉]]も運転中燃料交換が可能であるが、通常は生成したプルトニウムをそのまま炉心で燃焼させていた。すなわち、増殖炉でありながら[[核変換|アクチノイド焼却炉]]として運用されていた<ref>{{Cite web|url=http://www.nuclearfaq.ca/brat_fuel.htm|title=The Evolution of CANDU Fuel Cycles and their Potential Contribution to World Peace|author=Jeremy J. Whitlock.|accessdate=2009-2-13}}</ref>。アメリカのIFR（一体型高速炉）も[[プルトニウム242]]や長寿命アクチノイドなど高速炉以外では燃焼できない同位体を処理する焼却炉モードで運転することができる。IFR燃料では燃焼できる同位体が多く、燃料も多くできるのに対して、CANDU炉ではむしろ燃料の希薄化が必要になる。つまり、IFRでは使用済み核燃料を再処理する前に、より多くの燃料を燃やすことができる。プルトニウムのほとんどは[[研究用原子炉]]やプルトニウム生産炉など[[増殖炉]]で生産される。高速増殖炉では、燃焼させた分よりも多くのプルトニウムが生成されるため、原理的には極めて効率的に天然ウランを利用することができる。実際には、プルトニウム生産のみを行うような原子炉の建設や運転は十分に難しい。[[高速中性子]]を利用する方がプルトニウム生産には有利になることから、増殖炉は[[高速炉]]であることが多い。

== 利用 ==
=== 原子力発電 ===
いかなる原子炉であっても、ウラン238が燃料に含まれていればプルトニウム239が核燃料中に蓄積していく<ref>{{Cite book|last=Hala|first=Jiri|title=Radioactivity, Ionizing Radiation, and Nuclear Energy|year=2003|publisher=Konvoj|ISBN=80-7302-053-X|page=102|location=Brno|last2=James D. Navratil|author2=James D. Navratil}}</ref>。兵器級プルトニウム生産炉と異なるのは、発電用原子炉は高[[燃焼度 (原子力)|燃焼度]]で運用されるため、核燃料中に大量のプルトニウムが生成されることである。プルトニウム239は数年程度の燃料集合体の寿命に合わせて[[使用済み核燃料]]として炉心から取り除かれる。一般的な使用済み核燃料には、約0.8%のプルトニウム239が含まれる。

プルトニウム239はウラン235と同様に中性子を捕獲して核分裂を起こす。このため、運転中の原子炉では再処理を行わなくてもプルトニウム239が生成されつつ燃料として消費されていく。発電用原子炉では、プルトニウム239の核分裂によるエネルギーは全エネルギーの約1/3を占めている。使用済み核燃料に含まれるプルトニウム239は約0.8%に過ぎず、生成したプルトニウム239のかなりの量は核分裂により燃え去ってしまう。

新しい核燃料に少量のプルトニウム239を加えることもできる。これは[[MOX燃料]]（混合酸化物燃料）と呼ばれ、[[酸化ウラン(IV)|酸化ウラン]]（UO<sub>2</sub>）と酸化プルトニウム（PuO）を混合したものである。プルトニウム239の添加により、[[濃縮ウラン]]の割合を減じたり、[[ウラン濃縮|濃縮]]そのものを不要にすることができる。

=== 核兵器 ===
プルトニウム239は、ウラン235よりも[[臨界量]]が少なく、精製が容易であるため核兵器に繁用される。[[ウラン濃縮|濃縮]]によりウラン235の含有率を兵器級まで高めることは、ウラン238に中性子を照射して再処理によりプルトニウム239を抽出することに比べると時間もコストもかかる。プルトニウム239を90%以上含む兵器級プルトニウムは、他の核分裂物質よりも多くの優位点を有する。自発核分裂により強い中性子線を放つプルトニウム240のせいで、プルトニウム239を節約しながら信頼性のある核兵器を設計・製造することは難しいか、ほぼ不可能であるからである。
==== スーパーグレード・プルトニウム ====
アメリカ海軍では、発生する放射線が少ないスーパーグレードのものを使用した核兵器（実際にはアメリカ空軍で配備されている核兵器を元に、核物質をスーパーグレードに交換したもの）を配備している。「スーパーグレード」は業界用語であり、極めて高純度のプルトニウム239（>95%）からなり、[[自発核分裂]]を起こす[[プルトニウム240]]のような[[同位体]]がごくわずかしか含まれないものを指している。このようなプルトニウムは、MW-d/t程度の極めて低い[[燃焼度]]の燃料から生産される。中性子照射の時間を短く制限することにより、中性子捕獲を減らしてプルトニウム240など不要な同位体が生成されるのを防ぐことができる。一方で、当然ながら生成されるプルトニウム239の量が少なくなるため、必要量のプルトニウムを得るために大量の燃料棒が必要で、再処理のコストが嵩むため高価なものになる。

プルトニウム240の自発核分裂により生じる中性子線と[[ガンマ線]]は、保管中の核兵器から放出される放射線の大部分を占めている。哨戒中か停泊中かにかかわらず、[[潜水艦]]乗組員は魚雷発射管室やミサイルサイロに保管された核兵器と薄い隔壁を隔てて日常生活を送っている。これは空軍の兵士が核ミサイルと接する時間がごく限られているのとは対照的である。スーパーグレード・プルトニウムは非常に高価であるが、その追加コストは乗組員の被曝低減のため正当化される。スーパーグレード・プルトニウムを使用した核兵器としては[[W80 (核弾頭)|W80]]核弾頭（海軍向けのmod0）が配備されている。

== 人体への危険性 ==
プルトニウム239は[[アルファ粒子]]を放出して[[ウラン235]]に崩壊する。アルファ線源としては、外部線源である限りはそれほど危険ではないが、粉塵として摂取または吸入すると極めて危険で高い発がん性を有する。1[[ポンド (質量)|ポンド]]（454グラム）のプルトニウムを[[酸化プルトニウム(IV)|酸化プルトニウム]]の粉塵にした場合、2万人に癌を生じさせると推計されている<ref name="tno_chapter13">{{Cite book|last=Bernard L. Cohen|author=Bernard L. Cohen|title=The Nuclear Energy Option|url=http://www.phyast.pitt.edu/~blc/book/chapter13.html|year=1990|publisher=Plenum Press|ISBN=978-0306435676|chapter=Chapter 13, Plutonium and bombs|archiveurl=https://web.archive.org/web/20130721142313/http://www.phyast.pitt.edu/~blc/book/chapter13.html|deadurl=no|archivedate=July 21, 2013}}</ref>。一方、摂取したプルトニウムが粉塵でなく小片として消化管に入った場合には危険性はそれほど大きくなく<ref>{{Cite book|last=Bernard L. Cohen|author=Bernard L. Cohen|title=The Nuclear Energy Option|url=http://www.phyast.pitt.edu/~blc/book/chapter11.html|year=1990|publisher=Plenum Press|ISBN=978-0306435676|chapter=Chapter 11, HAZARDS OF HIGH-LEVEL RADIOACTIVE WASTE — THE GREAT MYTH|archiveurl=https://web.archive.org/web/20160307174758/http://www.phyast.pitt.edu/~blc/book/chapter11.html|deadurl=no|archivedate=March 7, 2016}}</ref><ref name="Emsley2001">{{Harvnb|Emsley|2001|pp=324–329}}</ref>、大きな健康リスクは800ミリグラム以上で生じると考えられている。プルトニウムは[[重金属]]であり、重金属中毒の面で非常に強い毒性を示す（[[プルトニウム#利用|プルトニウム]]を参照）。

== 参照 ==
* [[テラー・ウラム型]]
* [[水素爆弾]]

== 参考文献 ==
{{Reflist|colwidth=30em}}
* {{Cite book|ref=CITEREFEmsley2001|last=Emsley|first=John|title=Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements|year=2001|publisher=Oxford University Press|ISBN=0-19-850340-7|chapter=Plutonium|location=Oxford (UK)}}

== 外部リンク ==
* [http://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/search/r?dbs+hsdb:@term+@na+@rel+plutonium,+radioactive NLM Hazardous Substances Databank – Plutonium, Radioactive]
* [http://www.kayelaby.npl.co.uk/atomic_and_nuclear_physics/4_6/4_6_1_part09_090_099.html#Pu Table of nuclides with Pu-239 data at Kaye and Laby Online]
* [http://www.nucleide.org/DDEP_WG/Nuclides/Pu-239_tables.pdf,+Half-life Half-life of Plutnium-239]{{リンク切れ|date=May 2013}}

{{Isotope|lighter=[[プルトニウム238]]|element=プルトニウム|heavier=[[プルトニウム240]]|before='''[[キュリウム243]]'''([[アルファ崩壊|α]])<br ></span>'''[[アメリシウム239]]'''([[電子捕獲|EC]])<br />'''[[ネプツニウム]]'''([[ベータ崩壊|β-]])|after='''[[ウラン235]]'''(α)}}

[[Category:プルトニウムの同位体|239]]