【元素図鑑】プルトニウム Pu【元素記号は冗談から決まってしまった】

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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。

元素図鑑

どうやって作るのか——中性子を当てて1段ずつ重くする

ウランより重い元素（超ウラン元素）の多くは、原子炉の中で中性子を当てることで作られます。手順は意外に単純で、2つの段階の繰り返しです。

段階	何が起こるか	原子番号
① 中性子を吸う	原子核に中性子が入り、質量数が1増える	変わらない
② β崩壊する	核の中で中性子が陽子に変わり、電子が飛び出す	1増える＝次の元素になる
③ ①②を繰り返す	ウラン→ネプツニウム→プルトニウム→アメリシウム→…	階段を1段ずつ登っていける

ところが、フェルミウムで行き止まりになる

この方法は原子番号100のフェルミウムまでしか通用しません。理由は次の2つです。

行き止まりの理由	中身
β崩壊してくれない	フェルミウムより先では、中性子を吸った核がβ崩壊で次の元素になる前に、α崩壊や自発核分裂で壊れてしまう
寿命が短すぎる	次の中性子が当たるのを待つ間に崩壊する→階段を1段登る時間が足りない

ここから先の元素を作るには方法を変えるしかありません。加速器で重い原子核同士をぶつけて融合させる——超重元素の合成がそれです。

元素記号が「Pl」ではなく「Pu」になった理由

プルトニウムの元素記号はPuです。ふつうに決めるなら、綴りの頭2文字からPlになるはずでした。

命名したシーボーグは、あえて Pu を選んだと語っています。英語で「Pee-yoo」と読むと「うわ、臭い」という意味の間投詞になるからです。冗談のつもりで提案したところ、そのまま通ってしまったというのが経緯です。

固体の形が6通りもある——金属としては異常

プルトニウムには、ふつうの圧力のもとで6つの異なる固体の形（同素体）があります。元素のなかでもっとも多く、これが扱いにくさの最大の原因です。

何が問題になるか	中身
温度を変えると形が変わる	結晶構造が切り替わるたびに密度が大きく変わる
部品が勝手に変形する	膨らんだり縮んだりするので、寸法が保てず、割れることもある
自分の放射線で自分を壊す	α崩壊で出た原子核が結晶の中を突き進み、格子を乱す→時間とともに性質が変わっていく

そこでとられる対策が合金化です。ガリウムを少量加えると、扱いやすい形（δ相）が常温でも安定になり、温度が変わっても構造が切り替わりません。「形を1つに固定する」ための添加です。

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。

1. U-238が中性子を捕獲してU-239になる
2. U-239がβ崩壊してNp-239（ネプツニウム）になる
3. 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

参考図書