Обычный образец плутония представляет собой не чистый плутоний-239, а состоит из нескольких различных изотопов. Всего имеется 15 изотопов с числом массы от 232 до 246. Все они радиоактивны - т.е. их ядра распадаются, что приводит к образованию новых элементов. Все продукты распада плутония также радиоактивны. Таким образом, каждый плутониевый изотоп образует цепь распада. Упрощенная схема распада плутония-239 приведена в Таблице 3.

Как правило, в ядерном реакторе образуются изотопы плутония с числами массы от 238 до 242. Количество изотопов плутония помимо плутония-239, образующихся в военных или энергетических реакторах, зависит от природы используемого топлива, конструкции самого реактора и длительности времени облучения.

В Таблице 1 показаны два наиболее часто встречающихся вариантов состава изотопов плутония. Первый - оружейный плутоний, содержащий не менее 93 процентов плутония-239. Другой - реакторный плутоний: образующийся в ядерных легководных реакторах. Необходимо отметить, что реакторный плутоний ЛВР обычно содержит более 20 процентов плутония-240 и более 10 процентов плутония-242ю Плутония, образующийся в реакторах другого типа, например, графитовых реакторах (некоторые из которых функционируют в Великобритании, России и других странах) или тяжеловодных реакторах, используемых в Канаде и ряде других стран, обладает изотопным составом, находящимся в промежутке между оружейным и реакторным плутонием, показанным в таблице. В Таблице 1 также приведены периоды полураспада и некоторые характеристики основных изотопов плутония. Полураспадом называется период времени, в течение которого распадается половина атомов каждого отдельно взятого образца. Активность (тесно увязанная с периодом полураспада) показывает уровень радиоактивности материала.

Таблица 1.

Изотопы плутония	Период полураспада. лет	Активность, кюри/г	Количество оружейного плутония, %	Количество реакторного плутония, % 1
плутоний-238	87,74	17,3	---	1,3
плутоний-239	24110	0,063	93,0	56,6
плутоний-240	6537	0,23	6,5	23,2
плутоний-241	14,4	104	0,5	13,9
плутоний-242	379000	0,004	---	4,9

¹ Типично для водяных под давлением реакторов, наиболее широко распространенного типа действующих реакторов.

Как оружейный, так и реакторный плутоний содержит некоторое количество плутония-241. Плутоний-241 распадается на америций-241 путем излучения бета-частицы. Поскольку америций-241 обладает значительно большим периодом полураспада (432 года), чем плутоний-241 (14,4 года), его запасы возрастают по мере распада плутония-241. Гамма-радиация, образующаяся в результате распада америция-241, также значительно сильнее, чем у плутония-241, следовательно, со временем она также нарастает. Таким образом, концентрация плутония-241 и период его хранения прямо коррелируют с уровнем гамма-радиации, образующейся в результате увеличения содержания америция-241.

Поскольку реакторный плутония содержит большое количество плутония-241, чем дольше он хранится, тем выше доза радиации, которую получает работающий с ним персонал. Когда для производства МОХ-топлива используется плутоний, выделенный из отработанного топлива легководных реакторов, более старые партии плутония вызывают более высокие дозы облучения персонала предприятий по производству МОХ-топлива. Старые предприятия по производству МОХ-топлива сконструированы таким образом, что они могут использовать реакторный плутоний, который хранился после репроцессинга не более двух с половиной лет (это позволяет избежать чрезмерных концентраций изотопов америция, содержащихся в отработанном топливе). Новые МОХ-предприятия способны работать с реакторным плутонием со сроком хранения около трех лет. Поэтому такие страны как, например, Япония и Россия, не использующие реакторный плутоний, но выделяющие его и хранящие в течение многих лет, впустую тратят значительные средства, поскольку для избавления от накапливающегося америция-241 им, возможно, придется прибегнуть к повторной переработке. Таким образом, даже для сторонников репроцессинга было бы целесообразно по финансовым соображениям отложить переработку до того времени, когда плутоний будет в действительности использован для производства топлива.

Таблица 2 показывает, каким образом америций-241 накапливается в 200 г реакторного плутония, содержащего 1 г плутония-241 во время переработки. В таблице имеется пустая колонка для того, чтобы читатель мог потренировать свое техническое воображение и самостоятельно ее заполнить. Следует иметь ввиду, что период полураспада плутония-241 составляет 14,4 года, и в течение каждого периода полураспада половина плутония-241 преобразуется в америций-241. Для простоты мы проигнорировали распад самого америция. Кроме того, 28,8 лет слишком незначительный срок по сравнению с периодом полураспада америция в 432 года.

Таблица 2

Изотоп	Первоначальный состав	после 2 лет	после 5 лет	после 14,4 лет	после 28,8 лет
плутоний -241	1	0,91	?	0,5	?
ameриций-241	0	0,09	?	0,5	?

ответ

Таблица 3.

Основные элементы цепи распада плутония-239

Плутоний -239 (период полураспада: 24110 лет) альфа-распад

Уран-235 (период полураспада: 704000000 лет) альфа-распад

Торий-231 (период полураспада: 25,2 ч) бета-распад

Протактиний-231 (период полураспада: 32700 лет) альфа-распад

Актиний-227 (период полураспада: 21,8 лет) бета-распад

Торий-227 (период полураспада: 18,72 дня) альфа-распад

Радий-223 (период полураспада: 11,43 дня) альфа-распад

Радон-219 (период полураспада: 3,96 с) альфа-распад

Полоний-215 (период полураспада: 1,78 миллисекунды) альфа-распад

Свинец-211 (период полураспада: 36,1 мин) бета-распад

Висмут-211 (период полураспада: 2,15 мин) альфа-распад

Таллий-207 (период полураспада: 4,77 мин) бета-распад

Свинец-207 (период полураспада: стабильный элемент)

Данные по периодам полураспада взяты из CRC Handbook of Chemistry and Physics, 1988.