Plutonium-238

Rozbalit box

Obsah boxu

Plutonium-238 (značka ²³⁸Pu) je radioaktivní izotop plutonia, který se v přírodě nevyskytuje a vyrábí se uměle. Je známý především pro svou schopnost generovat značné množství tepla po dlouhou dobu, což z něj činí ideální zdroj energie pro radioizotopový termoelektrický generátor (RTG) a radioizotopové topné jednotky (RHU). Tyto zařízení se využívají v aplikacích, kde je potřeba spolehlivý, dlouhodobý a bezúdržbový zdroj energie, zejména v kosmonautice pro napájení sond mířících do vnější Sluneční soustavy a pro vozítka na Marsu.

Na rozdíl od plutonia-239, které je klíčovým štěpným materiálem pro jaderné zbraně a jaderné reaktory, plutonium-238 není štěpné a nelze jej použít k vytvoření jaderné řetězové reakce. Jeho hlavní vlastností je intenzivní alfa rozpad, při kterém uvolňuje velké množství energie ve formě tepla.

📜 Historie a objev

Plutonium-238 bylo prvním objeveným izotopem plutonia. Bylo syntetizováno v prosinci 1940 a chemicky identifikováno v únoru 1941 týmem vědců pod vedením Glenna T. Seaborga na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Tým, jehož členy byli také Joseph W. Kennedy, Edwin McMillan a Arthur C. Wahl, bombardoval uran-238 deuterony (jádry deuteria) v 60palcovém cyklotronu.

Tento proces vytvořil neptunium-238, které se následně beta rozpadem s poločasem rozpadu přibližně 2,1 dne přeměnilo na plutonium-238:

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}{+}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}\mathrm{D}\underset{\mathrm{9}\mathrm{3}}{\overset{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{\to }}\mathrm{N}\mathrm{p}\mathrm{+}{2}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{1}}\mathrm{n}$

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p}\underset{2.117d}{\overset{{\beta }^{-}}{\to }}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}\mathrm{P}\mathrm{u}$

Objev plutonia byl zpočátku držen v tajnosti kvůli jeho potenciálnímu vojenskému využití v rámci Projektu Manhattan. Až po objevu štěpného izotopu plutonium-239 se pozornost přesunula na něj. Potenciál plutonia-238 jako zdroje tepla byl rozpoznán později, v 50. letech 20. století, což vedlo k jeho výrobě pro mírové účely, především pro programy NASA.

⚛️ Fyzikální a chemické vlastnosti

Plutonium-238 je kov stříbřitého vzhledu, který na vzduchu rychle oxiduje. Má vysokou hustotu, přibližně 19,8 g/cm³. Vzhledem k intenzivnímu uvolňování tepla se čistý kovový vzorek plutonia-238 samovolně zahřívá na vysokou teplotu a ve tmě viditelně žhne. Z tohoto důvodu se pro praktické aplikace používá ve stabilnější formě oxidu plutoničitého (²³⁸PuO₂), který má vyšší bod tání a je chemicky odolnější.

Radioaktivní rozpad

Hlavní charakteristikou ²³⁸Pu je jeho radioaktivní rozpad. Rozpadá se alfa rozpadem s poločasem rozpadu 87,7 let na uran-234, přičemž uvolňuje částice alfa (jádra helia) o energii přibližně 5,5 MeV.

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}\underset{\mathrm{9}\mathrm{2}}{\overset{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{4}}{\to }}\mathrm{U}{+}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{4}}\mathrm{H}\mathrm{e}$

Výhodou tohoto typu rozpadu je, že alfa částice mají velmi nízkou pronikavost a lze je snadno odstínit tenkou vrstvou materiálu (např. listem papíru nebo lidskou kůží). To znamená, že vnější radiační riziko je minimální. Zároveň je emise pronikavějšího záření gama a neutronového záření velmi nízká, což zjednodušuje stínění a činí ²³⁸Pu bezpečnějším pro manipulaci (v porovnání s jinými radioizotopy) za předpokladu, že je bezpečně zapouzdřeno.

Tepelný výkon

Díky relativně krátkému poločasu rozpadu a vysoké energii uvolňovaných alfa částic má plutonium-238 velmi vysoký měrný tepelný výkon, přibližně 0,567 wattu na gram čistého izotopu. To znamená, že jeden gram ²³⁸Pu generuje více než půl wattu tepla nepřetržitě po desítky let. Právě tato vlastnost je klíčová pro jeho využití v RTG. Teplo vzniká, když jsou emitované alfa částice pohlceny a jejich kinetická energie je přeměněna na tepelnou energii v okolním materiálu.

⚙️ Výroba

Plutonium-238 se vyrábí v jaderných reaktorech ozařováním neptunium-237 neutrony. Neptunium-237 je vedlejším produktem, který vzniká v vyhořelém jaderném palivu z běžných uranových reaktorů.

Výrobní proces probíhá ve dvou krocích: 1. Jádro neptunia-237 zachytí neutron a přemění se na neptunium-238.

   : ${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{7}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p}{+}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{1}}\mathrm{n}\underset{\mathrm{9}\mathrm{3}}{\overset{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{\to }}\mathrm{N}\mathrm{p}$

2. Nestabilní neptunium-238 se rychle (poločas rozpadu 2,1 dne) rozpadá beta rozpadem na plutonium-238.

   : ${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p}\underset{\mathrm{9}\mathrm{4}}{\overset{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{\to }}\mathrm{P}\mathrm{u}\mathrm{+}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}{\overline{\mathrm{\nu }}}_{\mathrm{e}}$

Po ozáření musí být terče z neptunia chemicky zpracovány, aby se z nich oddělilo nově vzniklé plutonium-238 od zbývajícího neptunia a dalších vedlejších produktů. Tento proces je technologicky náročný kvůli vysoké radioaktivitě všech zúčastněných materiálů.

Historicky byly hlavním producentem ²³⁸Pu Spojené státy v komplexu Savannah River Site, kde byla výroba ukončena na konci 80. let 20. století. Po vyčerpání zásob začala NASA spolupracovat s Ministerstvem energetiky USA na obnovení výroby v menším měřítku v Oak Ridge National Laboratory a Idaho National Laboratory, aby zajistila palivo pro budoucí vesmírné mise.

🚀 Aplikace a využití

Díky svým unikátním vlastnostem je plutonium-238 téměř nenahraditelným zdrojem energie pro specifické aplikace.

Radioizotopové termoelektrické generátory (RTG)

Nejvýznamnější aplikací ²³⁸Pu je palivo pro radioizotopové termoelektrické generátory (RTG). RTG je zařízení bez pohyblivých částí, které přeměňuje teplo z radioaktivního rozpadu přímo na elektrickou energii pomocí termočlánků na základě Seebeckova jevu.

Plutonium-238 je ideální palivo pro RTG z několika důvodů:

• **Dlouhý poločas rozpadu (87,7 let):** Poskytuje stabilní zdroj energie po celá desetiletí, což je ideální pro dlouhé vesmírné mise.
• **Vysoký tepelný výkon:** Malé množství paliva dokáže generovat dostatek tepla.
• **Nízká pronikavost radiace:** Alfa záření je snadno odstínitelné, což minimalizuje hmotnost stínění a chrání citlivou elektroniku sondy.
• **Chemická stabilita (jako PuO₂):** Oxid plutoničitý je odolný vůči vysokým teplotám a chemickým reakcím.

Mezi nejznámější vesmírné mise využívající RTG s plutoniem-238 patří:

• Sondy Voyager 1 a Voyager 2, které fungují již od roku 1977 a stále posílají data z mezihvězdného prostoru.
• Sonda Cassini-Huygens pro průzkum Saturnu.
• Sonda New Horizons, která proletěla kolem Pluta a pokračuje v průzkumu Kuiperova pásu.
• Marsovská vozítka Curiosity (Mars Science Laboratory) a Perseverance (Mars 2020), která RTG využívají nejen pro napájení, ale i pro ohřev přístrojů během chladných marsovských nocí.
• Sondy Galileo (k Jupiteru) a Ulysses (k Slunci).

Radioizotopové topné jednotky (RHU)

Radioizotopové topné jednotky (RHU) jsou menší zařízení, která využívají teplo z rozpadu ²³⁸Pu k ohřevu citlivých elektronických součástek a vědeckých přístrojů v extrémně chladném prostředí vesmíru. Každá jednotka obsahuje jen asi jeden gram plutonia a generuje přibližně jeden watt tepla. RHU byly použity na mnoha misích, včetně marsovských vozítek Sojourner, Spirit a Opportunity nebo na sondě Galileo.

Kardiostimulátory

V 70. letech 20. století byly vyvinuty a implantovány kardiostimulátory napájené miniaturními zdroji s plutoniem-238. Tyto jaderné baterie měly životnost několik desítek let, na rozdíl od tehdejších chemických baterií, které vyžadovaly výměnu každých pár let. S rozvojem moderních lithiových baterií s dlouhou životností a kvůli obavám veřejnosti z radioaktivity se od tohoto využití upustilo.

☣️ Bezpečnost a rizika

Přestože je plutonium-238 z hlediska vnějšího ozáření relativně bezpečné, představuje vážné zdravotní riziko, pokud se dostane do těla.

• **Radiologická toxicita:** Jako silný alfa zářič je ²³⁸Pu extrémně nebezpečné při vdechnutí nebo požití. Alfa částice uvolněné uvnitř těla mohou poškodit okolní buňky a tkáně, což výrazně zvyšuje riziko vzniku rakoviny, zejména v plicích, játrech a kostech, kde má tendenci se hromadit. Proto je nutné s ním manipulovat ve speciálních, hermeticky uzavřených boxech (glovebox).
• **Bezpečnost při haváriích:** Pro vesmírné mise jsou pelety ²³⁸PuO₂ zapouzdřeny v několika vrstvách extrémně odolných materiálů, typicky v obalu z iridia a v bloku z grafitu. Toto pouzdro je navrženo tak, aby odolalo explozi nosné rakety, nárazu při pádu na Zemi i extrémnímu žáru při návratu do atmosféry. Bezpečnostní testy a reálné incidenty (např. selhání startu satelitu Nimbus B-1 v roce 1968 nebo návrat lunárního modulu Apollo 13 s RTG na palubě) prokázaly vysokou odolnost těchto pouzder.

💡 Pro laiky

• Co je to izotop? Představte si atom jako stavební kostku. Všechny atomy jednoho prvku (např. plutonia) mají stejný počet protonů. Izotopy jsou varianty tohoto prvku, které se liší počtem neutronů. Plutonium-238 má 94 protonů a 144 neutronů.
• Proč Plutonium-238 hřeje? Jeho atomové jádro je nestabilní a neustále se rozpadá. Při každém rozpadu "vystřelí" malou, ale rychlou částici (alfa částici). Když tato částice narazí do okolních atomů, její pohybová energie se přemění na teplo. Děje se to tak často, že kousek plutonia-238 je neustále horký a ve tmě dokonce žhne.
• Jak z tepla vzniká elektřina ve vesmíru? Využívá se zařízení zvané RTG. Nemá žádné motory ani turbíny. Uvnitř jsou speciální materiály (termočlánky), které když jsou na jedné straně zahřívány plutoniem a na druhé chlazeny mrazivým vesmírem, začnou samy od sebe vyrábět elektrické napětí. Je to spolehlivý a jednoduchý způsob, jak získat elektřinu na desítky let.
• Je to stejné plutonium jako v atomové bombě? Ne. V bombách se používá jiný izotop, plutonium-239, který se dá snadno "rozštěpit" a vyvolat tak řetězovou reakci a výbuch. Plutonium-238 tuto vlastnost nemá. Je cenné pro své teplo, nikoli pro výbušnou sílu.

Šablona:Aktualizováno