プルトニウムは、アクチノイド元素で、原子番号94の元素です。
プルトニウムの基本情報
| 和名 | プルトニウム |
|---|---|
| 英名 | Plutonium |
| 語源 | 冥王星 (Pluto) |
| 元素記号 | Pu |
| 原子番号 | 94 |
| 原子量 | (239) |
| 常温（25℃）での状態 | 固体（金属） |
| 色 | 銀白色 |
| 臭い | ー |
| 密度 | 19.840 g/cm3（25℃） |
| 融点 | 639.5℃ |
| 沸点 | 3231℃ |
| 発見者 | シーボーグ 他（アメリカ）[1940年] |
| 含有鉱物 | ー |
プルトニウムの主な特徴
- 原子番号94のアクチニド元素で、ウラン（U）の次に位置する超ウラン元素
- 自然界に微量存在しますが、主に人工合成によって得られる放射性元素
- 銀白色の金属であり、空気中で酸化して灰色や黒色に変色する
- 金属的性質を持ちますが、6種類の同素体（α, β, γ, δ, δ′, ε相）があり、温度や圧力に応じて結晶構造が変化する
- 最も重要な同位体はプルトニウム-239（Pu-239）で、核燃料や核兵器の主材料として利用されている
プルトニウムの歴史
発見
プルトニウムは1940年、アメリカ合衆国カリフォルニア大学バークレー校の研究チーム
（グレン・T・シーボーグ（Glenn T. Seaborg）ら）によって初めて人工合成されました。
反応は以下の通りです。
238U + 2H → 239Np → 239Pu
ウラン-238（U-238）に重陽子を照射してネプツニウム-239（Np-239）を生成し、そのβ崩壊によってプルトニウム-239が得られました。
名前の由来
元素名「プルトニウム（Plutonium）」は、天王星（ウラン）、海王星（ネプツニウム）の次にある天体冥王星（Pluto）にちなんで命名されました。
元素記号はPuですが、これはシーボーグのユーモアによる命名の一面もあります。
プルトニウムの主な用途
プルトニウムは、核分裂特性を活かして以下の分野で利用されています。
- 核燃料： Pu-239は中性子を吸収して核分裂を起こしやすく、原子炉燃料として利用される（MOX燃料の主成分）
- 核兵器： Pu-239の臨界質量が小さいため、核兵器の核分裂物質として用いられる
- 放射性熱源： Pu-238はアルファ崩壊により大量の熱を放出し、探査機のRTG（放射性同位体熱電発電機）のエネルギー源となる
プルトニウムの生成方法
プルトニウムは主にウラン-238を原子炉で中性子照射することで合成されます。
- U-238が中性子を捕獲してU-239になる
- U-239がβ崩壊してNp-239（ネプツニウム）になる
- Np-239がβ崩壊してPu-239になる
原子炉で生産された燃料棒を再処理することで、プルトニウムを抽出します。
プルトニウムを含む化合物
プルトニウムは+3〜+7価の酸化状態を取り、様々な化合物を形成します。
- PuO₂（二酸化プルトニウム）： 安定した酸化物で、核燃料やRTG用熱源として利用
- PuF₃, PuF₄（フッ化プルトニウム）： 精製工程や化学分離に使用
- PuCl₃（塩化プルトニウム）： 高温溶融塩化学で利用
- 硝酸プルトニウム： 再処理工程での中間体
水溶液中では、酸化還元反応により多様な価数が共存するため、化学分離が非常に難しい元素です。
プルトニウムに関わる研究事例
プルトニウムは核化学・物理学において重要な研究対象であり、以下の分野で研究が進められています。
- 核燃料サイクル研究： MOX燃料の再利用や長寿命核種の変換技術
- プルトニウム金属の物性研究： 多相性（同素体）や結晶構造の安定化研究
- 放射性廃棄物管理： プルトニウムの安全な分離・固定化技術の開発
- 核兵器解体と核不拡散： プルトニウムの管理と国際的監視体制の強化
- Pu-238熱電発電機の改良： 宇宙探査機向けの長寿命電源開発
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