plutoniumとは？ わかりやすく解説

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「プロトニウム」とは異なります。

ネプツニウム ← プルトニウム → アメリシウム Sm ↑ Pu ↓ 不明 94Pu 周期表
外見
銀白色
一般特性
名称, 記号, 番号	プルトニウム, Pu, 94
分類	アクチノイド
族, 周期, ブロック	n/a, 7, f
原子量	[244]
電子配置	[Rn] 5f6 7s2
電子殻	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2（画像）
物理特性
相	固体
密度（室温付近）	19.816 (α-Pu) g/cm3
融点での液体密度	16.63 g/cm3
融点	912.5 K, 639.4 °C, 1182.9 °F
沸点	3505 K, 3228 °C, 5842 °F
融解熱	2.82 kJ/mol
蒸発熱	333.5 kJ/mol
熱容量	(25 °C) 35.5 J/(mol·K)
蒸気圧
圧力 (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k 温度 (K) 1756 1953 2198 2511 2926 3499
原子特性
酸化数	7, 6, 5, 4, 3（両性酸化物）
電気陰性度	1.28（ポーリングの値）
イオン化エネルギー	1st: 584.7 kJ/mol
原子半径	159 pm
共有結合半径	187 ± 1 pm
その他
結晶構造	単斜晶系
磁性	常磁性[1]
電気抵抗率	(0 °C) 1.460 μΩ⋅m
熱伝導率	(300 K) 6.74 W/(m⋅K)
熱膨張率	(25 °C) 46.7 μm/(m⋅K)
音の伝わる速さ	2260 m/s
ヤング率	96 GPa
剛性率	43 GPa
ポアソン比	0.21
CAS登録番号	7440-07-5
主な同位体
詳細はプルトニウムの同位体を参照
同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP 238Pu syn 87.74 y SF 204.66[2] - α 5.5 234U 239Pu trace 2.41×104 y SF 207.06 - α 5.157 235U 240Pu syn 6.5×103 y SF 205.66 - α 5.256 236U 241Pu syn 14 y β− 0.02078 241Am SF 210.83 - 242Pu syn 3.73×105 y SF 209.47 - α 4.984 238U 244Pu trace 8.08×107 y α 4.666 240U SF -
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プルトニウム（英・羅: Plutonium 英語: [pluːˈtoʊniəm]）は、原子番号94の元素である。元素記号は Pu。アクチノイド元素の一つ。

名称

原子番号92のウラン、93のネプツニウムがそれぞれ太陽系の惑星の天王星、海王星に因んで命名されていたため、これに倣って当時海王星の次の惑星と考えられていた冥王星 pluto から命名された。発見者のグレン・シーボーグは冗談で元素記号に Pu を選んだ。子供が臭いときに叫ぶPee-Yoo!を連想するからだが^[3]、特に問題にならずに周期表に採用された。

表記ゆれ

プルトニュウム^[4][5]など。

概要

ウラン鉱石中にわずかに含まれていることが知られる以前は、完全な人工元素と考えられていた。超ウラン元素で、放射性元素である。プルトニウム239、プルトニウム241その他いくつかの同位体が存在している。半減期はプルトニウム239の場合約2万4000年（α崩壊による）。比重は19.8で、金属プルトニウムは、ニッケルに似た銀白色の光沢を持つ大変重い金属である（結晶構造は単斜晶）。融点は639.5 °C、沸点は3230 °C（沸点は若干異なる実験値あり）。硝酸や濃硫酸には酸化被膜ができ、溶けない。塩酸や希硫酸などには溶ける。原子価は+3〜+6価（+4価が最も安定）。金属プルトニウムは、特に粉末状態において自然発火することがある。塊の状態でも、湿気を含む大気中では自然発火することがあり、火災の原因となる。プルトニウムとその化合物の化学的な毒性は、他の一般的な重金属と同程度である^[6]。またプルトニウムは放射性崩壊によってα線を放出するため、ヒトを含む動物の体内、特に肺に蓄積されると強い発癌性を示すとされている。

原子炉において、ウラン238が中性子を捕獲してウラン239となり、それがβ崩壊してネプツニウム239になり、さらにそれがβ崩壊してプルトニウム239ができる（原子炉内では他のプルトニウム同位体も多数できる）。ウラン238は天然に存在するのでネプツニウム239とプルトニウム239は微量ながら天然にも存在する。また半減期が約8000万年とプルトニウム同位体の中では最も長いプルトニウム244も微量ながら天然に存在する。なお、プルトニウム239およびプルトニウム240とそれらの放射壊変物の飛沫の吸引は 世界保健機関(WHO)の下部機関IARCにより「発癌性がある」（Type1）と勧告されている。

プルトニウムは主に核兵器の原料や、プルサーマル原子力発電におけるMOX燃料として使用される。人工衛星の電源として原子力電池として使用されたこともある。核テロリズム・原子力事故防止のため、プルトニウムの所在は国際機関や各国政府により厳しく監視・管理されている。日本は2020年末時点で、英仏への再処理委託により生じた分を含めて国内に約8.9トン、海外に約37.2トン、合計で約46.1トンのプルトニウム（うち核分裂性は約30.5トン）を保有している^[7]。

特性

金属プルトニウムは銀白色であるが、酸化されると黄褐色となる。金属プルトニウムは温度が上がると収縮する。また、結晶構造の対称性が低いため、時間経過と共に脆くなる。

水溶液中では以下の5種類の酸化数を取りうる。

• +III価 (${\displaystyle {\ce {Pu^{3+}}}}$

  プルトニウム239の臨界量は、金属の場合、ウラン235の4分の1しかないため^[35]、臨界量に近い量のプルトニウムが蓄積しないように注意しなければならない。すなわち形状が重要で、球体のようなコンパクトな形にしてはならないのである。溶液状のプルトニウムは固体より少ない量で臨界量に達する。それが単に溶けるか破片になるのではなく爆発するためには超臨界を大きく越える量を必要とするので、兵器級の核爆発は偶然に生じることはありえない。しかし、ひとたび臨界量に達すれば致死量の放射線が発生する。

  臨界事故は過去に何度か起きており、それらのうちのいくつかで死者を出している。核開発の草創期の事故として著名なのが、いわゆる「デーモン・コア」の事例である。1945年8月21日、米国ロスアラモス国立研究所で致死量の放射線を発生させた事故は、6.2 kgの球状プルトニウムを囲んだ炭化タングステンブロックの不注意な取り扱いに起因していた。このとき科学者ハリー・ダリアンは推定510 rem (5.1 Sv) の被曝をし4週間後に死亡した。その9か月後に、別のロスアラモスの科学者ルイス・スローティンは、ベリリウムの反射材、および以前にダリアンの生命を奪ったのとまさに同じプルトニウムコアによる同様の事故で死亡した。2人の科学者の命を奪ったプルトニウムコアは「デーモン・コア」と名づけられた。これらの出来事は、1989年の映画『シャドー・メーカーズ』でかなり正確に描写された。1958年には、ロスアラモスのプルトニウム精製工程で、混合容器の中で臨界量が形成され、クレーン操作員が死亡した。この種の事故が、ソ連等の国で起こった（詳しくは「原子力事故」参照）。1986年にソ連で起きたチェルノブイリ原子力発電所事故は、大量のプルトニウムの放出を引き起こした。

  さらには、金属プルトニウムには発火の危険がある。特に素材が微粒子に分割されている場合が危険である。金属プルトニウムは酸素および水と反応し、自然発火性物質である水素化プルトニウムが蓄積する可能性があり、室温の空気中で発火しうる。プルトニウムが酸化してその容器を壊すとともに、プルトニウムが相当に拡散する。燃えている物質の放射能は危険性が増す。酸化マグネシウムの砂は、プルトニウム火災を消火するための最も有効な素材である。それはヒートシンクとして働き燃えている物質を冷やし、同時に酸素を遮断する。

  1969年に米国コロラド州ボルダーの近くにあるロッキーフラッツ工場でプルトニウムが主な発火源になった火災があった^[36]。これらの問題を回避するために、どんな形態であれプルトニウムを保管・取り扱う場合は特別の警戒が必要である。一般的に、乾燥した不活性ガスが必要である^[37]。

  余剰兵器の解体で発生するプルトニウム

  ラジウムあるいは炭素14のような自然に生じる放射性同位体とは対照的に、プルトニウムは冷戦中に核兵器製造のために大量に（数百トン）濃縮・製造・分離されたことは注目すべきである。1944年から1994年までの期間にアメリカ合衆国だけで110トンのプルトニウムを分離し、今なお100トンを保有している。化学兵器、生物兵器と異なり、化学過程ではそれらを破壊することができないので、これらの備蓄は、武器形式であるかどうかに関わらず重大な問題を提起する。余剰の兵器級プルトニウムを処分する1つの提案はそれを高レベルの放射性同位体（例えば使用済み原子炉燃料）と混合することである。こうして潜在的な盗取、あるいはテロリストによる取り扱いを防止する。別の手段としては、ウランとそれを混合し原子炉用燃料（混合酸化物すなわちMOXアプローチ）として消費することである。これは ²³⁹Pu の多くを核分裂により破壊するだけでなく、残りのかなりの部分を核兵器としては役立たない ²⁴⁰Pu およびより重い同位体に変化させることができる^[18]。

  規制

  日本では、プルトニウムの全ての同位体は 核原料物質、核燃料物質及び原子炉の規制に関する法律 で、その保管、取り扱いを規制されているとともに、外国為替法の中で国際規制物資として輸出入が規制されている。

  歴史

  最初はウォルター・ラッセルによって存在が予想されていたが、ウラン238に中性子を照射してプルトニウムとネプツニウムを合成することは、1940年に2つのチームが互いに独立に予想した。米国カリフォルニア大学バークレー放射線研究所のエドウィン・M・マクミランとフィリップ・アベルソン、そして英国ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所のノーマン・フェザーとイーゴン・ブレッチャーだった。偶然にも、両チームともが、外惑星の並びに似せて、ウランに続く同じ名前を提案していた。

  最初に合成・分離したのは1941年2月23日、米国の化学者グレン・セオドア・シーボーグ、エドウィン・M・マクミラン、J・W・ケネディー、およびA・C・ワールで、バークレーの60インチサイクロトロンを使ってウランに重水素を衝突させる方法によってプルトニウム238が合成された。この発見は戦時下だったため秘匿された。マンハッタン計画において、最初のプルトニウム生産炉がオークリッジに建設された。後にプルトニウム生産のための大型炉がワシントン州ハンフォードに建造されたが、このプルトニウムは最初の原子爆弾に使用され、ニューメキシコ州ホワイトサンズのトリニティ実験場で核実験に使われた。また、ここのプルトニウムがプルトニウムの発見からわずか5年後、第二次世界大戦末の1945年、原子爆弾ファットマンとして長崎市に投下された。

  冷戦時代を通じて、ソビエト連邦とアメリカ合衆国の双方で厖大な量のプルトニウムの備蓄が行われた。1982年までに推定300トンのプルトニウムが蓄積された。冷戦の終了とともに、こうしたプルトニウムの備蓄が、核拡散の恐れの焦点となった。2002年にアメリカ合衆国エネルギー省は、アメリカ合衆国国防総省から34トンの余剰の兵器級プルトニウムの所有権を譲り受けた。2003年初頭の時点で、合衆国内にあるいくつかの原子力発電所において、プルトニウムの在庫を焼却する手段として濃縮ウラン燃料からMOX燃料へ転換することが検討されている。

  プルトニウムが発見されてから数年の間、その生物学的・物理的特性はほとんど知られていなかった。そこで、合衆国政府およびその代理として活動する私的組織によって一連の放射線人体実験が行われた。第二次世界大戦の間から戦後にわたり、マンハッタン計画やその他の核兵器研究プロジェクトに従事した科学者が、実験動物や人体へのプルトニウムの影響を調べる研究を行った。人体に関しては、末期患者あるいは高齢や慢性病のため余命10年未満の入院患者に対し、（典型的には）5 μgのプルトニウムを含む溶液を注射することにより実施された。この注射は、こうした患者へのインフォームド・コンセントなしに行われた^[38]。

  脚注

  [脚注の使い方]

  出典

  1. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds Archived 2012-01-12 at the Wayback Machine., in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  2. ^ BNL-NCS 51363, vol. II (1981), pages 835ff
  3. ^ Clark, David L.; Hobart, David E. (2000). "Reflections on the Legacy of a Legend: Glenn T. Seaborg, 1912–1999". Los Alamos Science 26: 56–61, on 57.
  4. ^ 高岡宏「スポーケンを包む自然背景―大地と水―」『Mukogawa literary review』第44号、武庫川女子大学英文学会、2008年、25-40頁、doi:10.14993/00001942、ISSN 13409441、NAID 120006940011。 
  5. ^ 西松裕一「資源・エネルギー問題試論」『Journal of MMIJ』第129巻第1号、資源・素材学会、2013年1月、1-10頁、doi:10.2473/journalofmmij.129.1、ISSN 18816118、NAID 10031141144。 
  6. ^ Q:プルトニウムが敷地内で検出されたようですが、大丈夫でしょうか？ (PDF) 北海道大学工学研究院（2021年7月31日閲覧）
  7. ^ 「プルトニウム保有量46トンに 削減方針後、初めて増加」朝日新聞デジタル（2021年7月9日）2021年7月31日閲覧
  8. ^ ^{a b} アルゴンヌ国立研究所『Human Health Fact Sheet』2001年10月
  9. ^ The Chemistry of Actinide Elements Argonne National Laboratory
  10. ^ Söderlind, P. (2001-8). “Ambient pressure phase diagram of plutonium: A unified theory for α-Pu and δ-Pu” (英語). EPL (Europhysics Letters) 55 (4): 525. doi:10.1209/epl/i2001-00447-3. ISSN 0295-5075. http://iopscience.iop.org/article/10.1209/epl/i2001-00447-3/meta. 
  11. ^ Baker, Richard D.; Hecker, Siegfried S.; Harbur, Delbert R. (Winter–Spring 1983). “Plutonium: A Wartime Nightmare but a Metallurgist's Dream”. Los Alamos Science (Los Alamos National Laboratory): 148, 150–151. http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?07-16.pdf. 
  12. ^ Moody, Kenton James; Hutcheon, Ian D.; Grant, Patrick M. (2005-02-28). Nuclear forensic analysis. CRC Press. p. 168. ISBN 978-0-8493-1513-8. https://books.google.co.jp/books?id=W3FnEOg8tS4C&pg=PA168&redir_esc=y&hl=ja 
  13. ^ Samuel, Glasstone; Leslie M., Redman (1972年6月). An Introduction to Nuclear Weapons. https://nige.files.wordpress.com/2009/10/glasstone-introduction-to-nuclear-weapons-72a.pdf 
  14. ^ “原子炉級プルトニウム”. ATOMICA. 2021年3月20日閲覧。
  15. ^ “原子炉級プルトニウムと兵器級プルトニウム 調査報告書”. 社団法人 原子燃料政策研究会 (2001年5月). 2021年3月20日閲覧。
  16. ^ 「使用済み核燃料から核兵器できる? 製造可能、米は実験成功」『日本経済新聞』2013年11月10日15面。実験成功は1962年、秘密解除は1977年7月。
  17. ^ 槌田敦「日本核武装によるアジア核戦争の恐怖」『核開発に反対する物理研究者の会通信』第42号（2006年12月）
  18. ^ ^{a b} National Academy of Sciences, Committee on International Security and Arms Control (1994). Management and Disposition of Excess Weapons Plutonium.
  19. ^ 松岡理『Plutonium』1993年1月第一号（原子燃料政策委員会発行）
  20. ^ 今中哲二「セラフィールド再処理工場からの放射能放出と白血病」『原子力資料情報室通信』369号（2005年3月1日）
  21. ^ Lawrence Livermore National Laboratory (2006). Scientists resolve 60-year-old plutonium questions. Retrieved on 2006-06-06. http://www.sciencedaily.com/releases/2006/06/060607084030.htm
  22. ^ 長崎県原爆被爆者対策課発行『放射能Q&A』
  23. ^ ^{a b c} プルトニウムの人体影響 : 高等学校 : あとみん-原子力・エネルギー教育支援情報提供サイト
  24. ^ 「相次ぐヨウ素やプルトニウム検出―我々の生活はどのぐらい危険か」『ウォール・ストリート・ジャーナル日本版』
  25. ^ ^{a b} 松岡理 「プルトニウム物語」
  26. ^ ^{a b c} プルトニウムの毒性と取扱い 原子力百科事典 ATOMICA
  27. ^ ^{a b c} 京都大学原子炉実験所 小出裕章：プルトニウムという放射能とその被曝の特徴 (PDF) （2006年7月15日）
  28. ^ ^{a b} プルトニウム - 丸善出版公式サイト内のPDFファイル。
  29. ^ 原子力安全委員会資料『原子力安全白書』
  30. ^ 20 years for liver and 50 years for skeleton アイダホ大学
  31. ^ 実効線量係数
  32. ^ 内部被ばくに関する線量換算係数 (財)原子力安全研究協会
  33. ^ プルトニウムの被ばく事故 - 原子力百科事典ATOMICA
  34. ^ あとみん (3)発がん性
  35. ^ “最小臨界量”. ATOMICA (2007年2月). 2021年3月20日閲覧。
  36. ^ Crooks, William J. (2002). Nuclear Criticality Safety Engineering Training Module 10 - Criticality Safety in Material Processing Operations, Part 1. Retrieved on 2006-02-15.
  37. ^ Matlack, George: A Plutonium Primer: An Introduction to Plutonium Chemistry and It's Radioactivity (LA-UR-02-6594)
  38. ^ Eileen Welsome, The Plutonium Files: America's Secret Medical Experiments in the Cold War、邦訳『プルトニウムファイル』上・下（翔泳社）

  注釈

  1. ^ 物性物理学における超臨界とは意味が異なることに注意。原子力工学では核分裂連鎖反応が時間とともに増加することを意味する。

  関連項目

  

  ウィキメディア・コモンズには、プルトニウムに関連するメディアがあります。
  • グリーンピース
  • 原子爆弾
  • 原子力電池
  • 原子炉
  • グレン・シーボーグ
  • エミリオ・セグレ
  • プルサーマル
  • 爆縮レンズ
  • プルトニウム物語 頼れる仲間プルト君
  • 赤いプルトニウム

  外部リンク

  • 原子力百科事典 ATOMICA トップページ（運営：財団法人 高度情報科学技術研究機構）
    • プルトニウム核種の生成 （以下、原子力百科事典 ATOMICA）
    • プルトニウム燃料
    • プルトニウム燃料の特徴
    • プルトニウムの毒性と取扱い
    • プルトニウムの被ばく事故
    • プルトニウムの放射能濃度測定
    • 原爆用と産業用プルトニウムとの組成の比較
  • Plutonium （英語） - Encyclopedia of Earth「プルトニウム」の項目。

  表 話 編 歴 周期表
  	1	2															3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
  1	H																															He
  2	Li	Be																									B	C	N	O	F	Ne
  3	Na	Mg																									Al	Si	P	S	Cl	Ar
  4	K	Ca															Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
  5	Rb	Sr															Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
  6	Cs	Ba	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
  7	Fr	Ra	Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts	Og
  アルカリ金属   アルカリ土類金属   ランタノイド   アクチノイド   遷移金属   その他の金属   半金属元素（半導体元素）   その他の非金属   ハロゲン   貴ガス（希ガス）   不明

  表 話 編 歴 プルトニウムの化合物
  二元化合物	PuBx PuBr3 PuC PuCl3 PuCl4 PuF3 PuF4 PuF6 PuH2 PuI3 PuO PuO2
  三元化合物	Pu(CO3)2 Pu(NO3)4 PuO2CO3 PuO2F2 PuO2(NO3)2 Pu(OH)3 Pu(OH)4 PuO2(OH) PuO2(OH)2 Pu(SO4)2 Pu2(SO4)3
  カテゴリ

  表 話 編 歴 核技術
  科学	原子核 核分裂 核融合 放射 放射線 放射能 化学 工学
  燃料	核分裂性物質 核原料物質 トリウム ウラン（ウラン濃縮・濃縮・天然・減損） プルトニウム（MOX燃料） 重水素 三重水素 同位体分離（英語版）
  中性子	熱 高速 核融合（英語版） 反応断面積 捕獲 放射化 中性子毒 放射（英語版） 中性子源 反射体
  原子力	原子力発電 国別（英語版） 経済性（英語版） 安全（英語版） 原子力電池 その他 原子力推進 核融合エネルギー 核融合発電（人工太陽）
  核医学	画像処理 ポジトロン断層撮影 （PET） 単一光子放射断層撮影（SPECT） 単純X線撮影 コンピュータ断層撮影（CT） 治療 放射線療法 トモセラピー 陽子線 小線源治療 中性子捕捉（BNCT） RI内用療法
  兵器	核兵器 原子爆弾 水素爆弾 中性子爆弾 関連兵器 放射能兵器 汚い爆弾
  廃棄物	産物 放射性廃棄物（高レベル廃棄物） 核分裂生成物（長寿命生成物） 放射化生成物 アクチノイド: (再処理ウラン 原子炉級プルトニウム（英語版） マイナーアクチノイド) 処理 燃料サイクル 使用済燃料(プール（英語版）・乾式貯蔵) 地層処分 再処理工場 PUREX法 核変換 廃炉
  議論	平和的核爆発 核実験 核拡散防止条約 核の冬 反核運動 非核地帯 非核兵器地帯 原子力事故 核スパイ 核テロリズム
  カテゴリ

  表 話 編 歴 発電
  方式	発電機使用 熱機関 による発電 火力発電 (発電所) 内燃力発電 コンバインドサイクル発電 廃棄物発電 石炭ガス化複合発電 バイオマス発電 非火力発電 原子力発電 原子力発電所 地熱発電 太陽熱発電 海洋温度差発電 核融合発電 (核融合炉) その他 汽力発電 (火力非火力共通) 冷熱発電 炉頂圧発電 水力発電 揚水発電 小水力発電 海洋発電 波力発電 潮力発電 海洋温度差発電 塩分濃度差発電 海流発電 風力発電 陸上風力発電 洋上風力発電 浮体式洋上風力発電 凧型風力発電（英語版） その他 人力発電 発電機不使用 燃料電池発電 太陽光発電 宇宙太陽光発電 熱光起電力発電 ラジオアイソトープ発電 爆薬発電 MHD発電 熱電発電 振動発電 ナノ発電 大気電流発電
  燃料	化石燃料 石炭 石油 軽油 灯油 ガソリン 天然ガス LNG LPG 重油 バイオマス アルコール燃料 ガソール バイオ燃料 バイオマスエタノール 第二世代バイオ燃料 セルロシック・エタノール バイオディーゼル バイオガス バイオコークス 微細藻燃料 木質燃料 木質バイオマス 薪 木質ペレット ウッドチップ 間伐材 パーム油 汚泥 脱水ケーキ 核燃料 ウラン プルトニウム トリウム 重水素 三重水素 その他 太陽 太陽光 廃棄物固形燃料（RDF） 水素 水素燃料
  発電機	原動機 蒸気タービン ボイラー 復水器 冷却塔 風力原動機
  発電所	集合型風力発電所 日本 火力発電所一覧 バイオマス発電所一覧 原子力発電所一覧 水力発電所一覧 地熱発電所一覧 風力発電所一覧 太陽光発電所一覧
  その他	送電 変電所 電力系統 スマートグリッド ダム 灌漑 再生可能エネルギー 新エネルギー ドゥンケルフラウテ
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