พลูโตเนียม-239 ( ^{239 )}พลูโทเนียม-239 (Puหรือ Pu-239 ) เป็นไอโซโทปของพลูโทเนียมพลูโทเนียม-239 เป็น ไอโซโทป ฟิสไซล์ หลัก ที่ใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์แม้ว่ายูเรเนียม-235ก็ใช้เพื่อจุดประสงค์นั้นเช่นกัน พลูโทเนียม-239 ยังเป็นหนึ่งในสามไอโซโทปที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ สเปกตรัมความร้อนได้ ร่วมกับยูเรเนียม-235และยูเรเนียม-233พลูโทเนียม-239 มีครึ่งชีวิต 24,110 ปี ^{[ 4 ]}

เนื่องจากพลูโทเนียม-239 มีมวลวิกฤตน้อยกว่าและสามารถผลิต²³⁹ Pu ที่บริสุทธิ์เกือบ 100% ในปริมาณมากได้ในราคาที่ถูกกว่ายูเรเนียม-235 เกรดอาวุธ ที่มีความเข้มข้นสูง จึงทำให้มีการนำไปใช้ในอาวุธนิวเคลียร์และโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ การแตกตัวของอะตอมยูเรเนียม-235 (ที่มีความอุดมสมบูรณ์ 0.720%) ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะผลิตนิวตรอน 2-3 ตัว และนิวตรอนเหล่านี้สามารถถูกดูดซับโดยยูเรเนียม-238 (ที่มีความอุดมสมบูรณ์ 99.3%) เพื่อผลิตพลูโทเนียม-239 และไอโซโทปอื่นๆ พลูโทเนียม-239 ก็จะดูดซับนิวตรอนและแตกตัวไปพร้อมกับยูเรเนียม-235 ในเครื่องปฏิกรณ์เช่นกัน

ในบรรดาเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ทั่วไป²³⁹ Pu มีมวลวิกฤต ที่เล็กที่สุด มวลวิกฤตทรงกลมที่ไม่ถูกรบกวนอยู่ที่ประมาณ 11  กก. (24.2  ปอนด์) ^{[ 5 ]} เส้นผ่านศูนย์กลาง 10.2  ซม. (4 นิ้ว) การใช้ตัวกระตุ้นที่เหมาะสม ตัวสะท้อนนิวตรอน รูปทรงเรขาคณิตของการยุบตัว และตัวรบกวนมวลวิกฤตสามารถน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของค่าดังกล่าวได้

การแตกตัวของอะตอม²³⁹ Pu หนึ่งอะตอมจะสร้างพลังงาน 207.1 MeV = 3.318 × 10 ⁻¹¹ J ซึ่งเท่ากับ 19.98 TJ/ mol = 83.61 TJ/kg ^{[ 6 ]}หรือประมาณ 23 กิกะวัตต์ชั่วโมง/กก.

พลูโทเนียมถูกสร้างขึ้นจาก ไอโซโทปยูเรเนียม ที่พบมากที่สุดคือยูเรเนียม-238 โดยปกติแล้ว ²³⁹ Pu จะถูกสร้างขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยการเปลี่ยนรูปอะตอมของ²³⁸ U ที่มีอยู่ในแท่งเชื้อเพลิง บางครั้ง เมื่ออะตอมของ²³⁸ U สัมผัสกับรังสีนิวตรอนนิวเคลียสของมันจะจับนิวตรอนทำให้มันเปลี่ยนเป็น²³⁹ Uเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นบ่อยขึ้นเมื่อมีพลังงานจลน์ต่ำ (เนื่องจาก การกระตุ้นการแตกตัวของ ²³⁸ U คือ 6.6 MeV) ^{[ 7 ]} จากนั้น 239 U จะสลาย ตัว แบบ β ^{− สอง ครั้ง}อย่างรวดเร็ว— การปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโน (${\displaystyle {\bar {\nu }__{e}}$) ทิ้งโปรตอนไว้ในนิวเคลียส — การสลายตัว β ⁻ ครั้งแรก เปลี่ยน²³⁹ U เป็น²³⁹ Npและการสลายตัว β ⁻ ครั้งที่สอง เปลี่ยน²³⁹ Np เป็น²³⁹ Pu: ^{[ 8 ] [ 9 ]}

${\displaystyle {\ce {{}^{238} _ {92} U + {} ^ {1 _ {0} n -> {} ^ {239 _ {92} U -> [\beta ^-] [23.5\ {\ce {min}}] {} ^ {239 _ {93} Np ->[\beta^-][2.356\ {\ce {d}}] {}^{239__{94}ปู}}}$

ปฏิกิริยานี้ค่อนข้างช้า ดังนั้นแม้หลังจากได้รับแสงเป็นเวลานาน^239Puก็ยังคงผสมกับ^238U (และอาจมีไอโซโทปอื่นๆ ของยูเรเนียม) ออกซิเจน ส่วนประกอบอื่นๆ ของวัสดุเดิม และผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวของนิวเคลียสเฉพาะในกรณีที่เชื้อเพลิงได้รับแสงในเครื่องปฏิกรณ์เป็นเวลาหลายวันเท่านั้น จึงจะสามารถแยก^239Pu ออก จากวัสดุส่วนที่เหลือได้ด้วยวิธีการทางเคมี เพื่อให้ได้ โลหะ^{239Pu ที่มีความบริสุทธิ์สูง}

²³⁹ Pu มีโอกาสเกิดการแตกตัวมากกว่า²³⁵ U และมีจำนวนนิวตรอนที่ผลิตต่อเหตุการณ์การแตกตัวมากกว่า ดังนั้นจึงมีมวลวิกฤตที่น้อยกว่า^{[ 10 ] 239} Pu บริสุทธิ์ยังมีอัตราการปล่อยนิวตรอนที่ค่อนข้างต่ำเนื่องจากการแตกตัวแบบเกิดขึ้นเอง (10 การแตกตัว/วินาที·กก.) ทำให้สามารถรวบรวมมวลที่เกินวิกฤตได้อย่างมากก่อนที่ปฏิกิริยาลูกโซ่ การระเบิด จะเริ่มต้นขึ้น

ในทางปฏิบัติ พลูโทเนียม ที่ผลิตจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มักจะมี ^240Puปะปนอยู่ด้วยเสมอ เนื่องจาก ^239Puมีแนวโน้มที่จะดูดซับนิวตรอนเพิ่มเติมในระหว่างการผลิต^240Puมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาฟิชชันเองสูง (415,000 ฟิชชัน/วินาที-กิโลกรัม) ทำให้เป็นสารปนเปื้อนที่ไม่พึงประสงค์ ดังนั้น พลูโทเนียมที่มี^240Pu ในปริมาณมาก จึงไม่เหมาะสมที่จะใช้ในอาวุธนิวเคลียร์ เพราะมันปล่อยรังสีนิวตรอน ทำให้การจัดการยากขึ้น และการมีอยู่ของมันอาจนำไปสู่ ​​" การระเบิดเล็ก ๆ" ซึ่งทำลายอาวุธแต่ไม่ทำให้เกิดฟิชชันของเชื้อเพลิงในปริมาณมาก ด้วยข้อจำกัดนี้เอง อาวุธที่ใช้พลูโทเนียมจึงต้องเป็นแบบระเบิดภายใน (implosion-type) มากกว่าแบบปืน (gun-type) ยิ่งไปกว่านั้น^239Puและ^240Pu ไม่สามารถแยกแยะได้ทางเคมี ดังนั้น จึงจำเป็นต้องใช้กระบวนการแยกไอโซโทปที่ยุ่งยากและมีราคาแพง เพื่อแยกพวกมันออกจากกัน พลูโทเนียมเกรดอาวุธถูกกำหนดให้มี ^240Puไม่เกิน 7% ซึ่งทำได้โดยการนำ 238U ไปสัมผัสกับแหล่งกำเนิดนิวตรอนในช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น^{เพื่อ}ลดปริมาณ^240Puที่เกิดขึ้น (ซึ่งสำคัญมากคือยังช่วยลดไอโซโทปที่มีอายุสั้นอย่าง^238Puและ^241Puรวมถึง^241Amที่เกิดจากการสลายตัวของไอโซโทปหลังด้วย)

พลูโทเนียมถูกจัดประเภทตามเปอร์เซ็นต์ของสารปนเปื้อนพลูโทเนียม-240 ที่มีอยู่:

• เกรดสูง 2–3%
• ระดับอาวุธ 3–7%
• เชื้อเพลิงเกรด 7–18%
• เกรดเครื่องปฏิกรณ์ 18% ขึ้นไป

ดังนั้น โดยทั่วไปแล้ว เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้ในการผลิตพลูโทเนียมสำหรับอาวุธจะมีวิธีการในการฉายรังสีนิวตรอนให้กับ 238U และเปลี่ยน^{238U ที่ ได้รับรังสีแล้วด้วย 238U}ใหม่ เป็นประจำ เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ยูเรเนียมที่ไม่เสริมสมรรถนะหรือเสริมสมรรถนะปานกลางจะมี^238U อยู่เป็นจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่จำเป็นต้องปิดเครื่องปฏิกรณ์ทั้งหมด ซึ่งมักใช้เวลาหลายสัปดาห์ เพื่อเปลี่ยนเชื้อเพลิง ดังนั้นจึงผลิตพลูโทเนียมในส่วนผสมของไอโซโทปที่ไม่เหมาะสมสำหรับการสร้างอาวุธ เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวอาจมีการเพิ่มเครื่องจักรที่อนุญาต ให้วางแท่ง ^238Uใกล้กับแกนกลางและเปลี่ยนได้บ่อยครั้ง หรืออาจต้องปิดเครื่องบ่อยครั้ง ดังนั้นการแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์จึงเป็นเรื่องที่น่ากังวล ด้วยเหตุนี้องค์การพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศจึงตรวจสอบเครื่องปฏิกรณ์ที่ได้รับอนุญาตบ่อยครั้ง เครื่องปฏิกรณ์พลังงานเชิงพาณิชย์บางแบบ เช่นเครื่องปฏิกรณ์แบบ RBMK และเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเบาแบบความดันสูง (PHWR) อนุญาตให้เติมเชื้อเพลิงได้โดยไม่ต้องปิดระบบ และอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์ ในทางตรงกันข้าม เครื่องปฏิกรณ์CANDU ของแคนาดาซึ่งใช้น้ำหนักเป็นตัวหน่วงและใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมธรรมชาติ สามารถเติมเชื้อเพลิงได้ในขณะที่กำลังทำงานอยู่ แต่โดยปกติแล้วจะใช้พลูโทเนียม^-239 ส่วนใหญ่ ที่ผลิตได้ในสถานที่นั้น ดังนั้นจึงไม่เพียงแต่มีความเสี่ยงต่อการแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์น้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่เท่านั้น แต่ยังสามารถใช้งานเป็น " เครื่องเผาทำลายแอคติไนด์ " ได้อีกด้วย ^{[ 11 ]} เครื่องปฏิกรณ์ IFR (Integral Fast Reactor) ของอเมริกาก็สามารถใช้งานในโหมดเผาทำลายได้เช่นกัน ซึ่งมีข้อดีบางประการคือไม่สะสม ไอโซโทป พลูโทเนียม-242 หรือ แอคติไนด์ที่มีอายุยืนยาวซึ่งไม่สามารถเผาไหม้ได้ง่ายยกเว้นในเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็ว นอกจากนี้ เชื้อเพลิง IFR ยังมีสัดส่วนของไอโซโทปที่เผาไหม้ได้สูง ในขณะที่ใน CANDU จำเป็นต้องใช้วัสดุเฉื่อยเพื่อเจือจางเชื้อเพลิง ซึ่งหมายความว่า IFR สามารถเผาไหม้เชื้อเพลิงได้ในสัดส่วนที่สูงกว่าก่อนที่จะต้องนำไปแปรรูปใหม่ พลูโทเนียมส่วนใหญ่ผลิตในเครื่องปฏิกรณ์วิจัยหรือเครื่องปฏิกรณ์ผลิตพลูโทเนียมที่เรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบเพาะพันธุ์ (breeder reactor) เนื่องจากผลิตพลูโทเนียมได้มากกว่าปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้ไป โดยหลักการแล้ว เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวใช้ประโยชน์จากยูเรเนียมธรรมชาติได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงมาก ในทางปฏิบัติ การก่อสร้างและการใช้งานนั้นค่อนข้างยาก จึงมักใช้เพื่อผลิตพลูโทเนียมเท่านั้น เครื่องปฏิกรณ์แบบเพาะพันธุ์โดยทั่วไป (แต่ไม่เสมอไป) เป็นเครื่องปฏิกรณ์เร็วเนื่องจากนิวตรอนเร็วมีประสิทธิภาพในการผลิตพลูโทเนียมมากกว่าเล็กน้อย

พลูโทเนียม-239 ถูกนำมาใช้ในอาวุธนิวเคลียร์บ่อยกว่ายูเรเนียม-235 เนื่องจากหาได้ง่ายกว่าในปริมาณที่เพียงพอต่อการเกิดปฏิกิริยาวิกฤต กระบวนการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมกล่าวคือ การเพิ่มอัตราส่วนของ^235Uต่อ^238Uให้ได้ระดับที่ใช้ผลิตอาวุธได้นั้น โดยทั่วไปแล้วเป็นกระบวนการที่ยาวนานและมีต้นทุนสูงกว่าการผลิตพลูโทเนียม-239 จาก^238Uและการแยกทางเคมีในภายหลัง

ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้งานอยู่ซึ่งมี²³⁸ U อยู่ พลูโทเนียม-239 บางส่วนจะสะสมอยู่ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์^{[ 12 ]}ต่างจากเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการผลิตพลูโทเนียมเกรดอาวุธ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เชิงพาณิชย์โดยทั่วไปจะทำงานที่การเผาไหม้ สูง ซึ่งทำให้พลูโทเนียมจำนวนมากสะสมอยู่ในเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์ที่ผ่านการฉายรังสี พลูโทเนียม-239 จะมีอยู่ทั้งในแกนเครื่องปฏิกรณ์ในระหว่างการทำงานและในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วที่ถูกนำออกจากเครื่องปฏิกรณ์เมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานของชุดประกอบเชื้อเพลิง (โดยทั่วไปหลายปี) เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วมักมีพลูโทเนียม-239 ประมาณ 0.8%

พลูโทเนียม-239 ที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์สามารถดูดซับนิวตรอนและเกิดการแตกตัวได้เช่นเดียวกับยูเรเนียม-235 เนื่องจากพลูโทเนียม-239 ถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องในแกนเครื่องปฏิกรณ์ระหว่างการทำงาน การใช้พลูโทเนียม-239 เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในโรงไฟฟ้าจึงสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องนำเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วกลับมาแปรรูปใหม่ พลูโทเนียม-239 จะแตกตัวในแท่งเชื้อเพลิงเดียวกันกับที่ผลิตขึ้น การแตกตัวของพลูโทเนียม-239 ให้พลังงานมากกว่าหนึ่งในสามของพลังงานทั้งหมดที่ผลิตในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ทั่วไป^{[ 13 ]}เชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์จะสะสมพลูโทเนียม-239 มากกว่า 0.8% ในระหว่างอายุการใช้งาน หากพลูโทเนียม-239 บางส่วนไม่ได้ถูก "เผาไหม้" ออกไปอย่างต่อเนื่องโดยการแตกตัว

สามารถเติมพลูโทเนียม-239 ในปริมาณเล็กน้อยลงในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใหม่ได้โดยเจตนา เชื้อเพลิงดังกล่าวเรียกว่าเชื้อเพลิง MOX (mixed oxide)เนื่องจากประกอบด้วยส่วนผสมของยูเรเนียมไดออกไซด์ (UO2 และพลูโทเนียมไดออกไซด์ (PuO2 การเติมพลูโทเนียม-239 ช่วยลดความจำเป็นในการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมในเชื้อเพลิง

พลูโทเนียม-239 ปล่อยอนุภาคอัลฟาเพื่อเปลี่ยนเป็นยูเรเนียม-235 เนื่องจากพลูโทเนียม-239 ปล่อยอนุภาคอัลฟาจึงไม่เป็นอันตรายมากนักในฐานะแหล่งกำเนิดรังสีภายนอก แต่หากสูดดมเข้าไปในรูปของฝุ่นละอองจะเป็นอันตรายมากและ ก่อ ให้เกิดมะเร็งมีการประมาณการว่าพลูโทเนียม 1 ปอนด์ (454 กรัม) ที่สูดดมเข้าไปในรูปของอนุภาคนาโนของพลูโทเนียมออกไซด์ที่มีขนาดพอที่จะเข้าไปและคงอยู่ในปอดได้ อาจทำให้เกิดมะเร็งในคนสองล้านคน^{[ 14 ]}อย่างไรก็ตาม การประมาณการนี้ขึ้นอยู่กับแบบจำลองปริมาณเชิงเส้นที่ไม่มีเกณฑ์ ซึ่งได้รับการวิพากษ์วิจารณ์^{[ 15 ]}

พลูโทเนียมที่รับประทานเข้าไปทางปากนั้นอันตรายน้อยกว่ามาก เนื่องจากมีเพียงเศษส่วนเล็กน้อยเท่านั้นที่ถูกดูดซึมจากทางเดินอาหาร^{[ 16 ] [ 17 ]}ปริมาณ 800  มิลลิกรัมไม่น่าจะก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพที่สำคัญในแง่ของรังสี^{[ 14 ]}นอกจากนี้พลูโทเนียมยังเป็นโลหะหนัก และมีพิษทางเคมีอีกด้วย

• ไอโซโทปของพลูโทเนียม

• ฐานข้อมูลสารอันตรายของ NLM – พลูโทเนียม, สารกัมมันตรังสี
• ตารางแสดงนิวไคลด์ที่มี ข้อมูล ^239Puที่ Kaye และ Laby ออนไลน์
• ครึ่งชีวิตของพลูโทเนียม-239 เก็บถาวรเมื่อ 2011-08-15 ที่Wayback Machine