พลูโทเนียม-242 คุณสมบัติและการเกิดในวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

พลูโทเนียม-242 (Plutonium-242 หรือ ²⁴²Pu) เป็นไอโซโทปของธาตุพลูโทเนียมที่มีอายุยืนยาวเป็นอันดับสอง โดยมีค่าครึ่งชีวิต (Half-life) ประมาณ 375,000 ปี ซึ่งยาวกว่าพลูโทเนียม-239 ประมาณ 15 เท่า ส่งผลให้พลูโทเนียม-242 มีระดับกัมมันตภาพรังสีต่ำกว่า และไม่ใช่ปัจจัยหลักที่ก่อให้เกิดกัมมันตภาพรังสีในปริมาณสูงในกากนิวเคลียร์ นอกจากนี้ การแผ่รังสีแกมมาของไอโซโทปนี้ยังมีความเข้มข้นน้อยกว่าไอโซโทปอื่น ๆ ของพลูโทเนียม และเนื่องจากเป็นสารตั้งต้นโดยตรงของยูเรเนียม-238 จึงถูกจัดอยู่ในห่วงโซ่การสลายตัวของยูเรเนียม (Uranium series decay chain)

คุณสมบัติทางนิวเคลียร์

พลูโทเนียม-242 ไม่ใช่สารที่สามารถเกิดการแบ่งตัวได้ด้วยนิวตรอนความร้อน (Non-fissile) แต่สามารถเกิดการแบ่งตัวได้หากถูกกระตุ้นด้วยนิวตรอนเร็ว (Fissionable by fast neutrons) นอกจากนี้ยังมีหน้าตัดการจับนิวตรอน (Neutron capture cross section) ที่ต่ำ และเช่นเดียวกับไอโซโทปของพลูโทเนียมที่มีเลขมวลเป็นเลขคู่ พลูโทเนียม-242 มีอัตราการเกิดการแบ่งตัวได้เอง (Spontaneous fission) ในระดับที่สำคัญ

บทบาทในวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

พลูโทเนียม-242 เกิดขึ้นจากการที่พลูโทเนียม-239, 240 และ 241 จับนิวตรอนต่อเนื่องกัน (Successive neutron capture) โดยไอโซโทปที่มีเลขมวลเป็นเลขคี่อย่าง ²³⁹Pu และ ²⁴¹Pu มีโอกาสประมาณ 3 ใน 4 ที่จะเกิดการแบ่งตัวเมื่อจับนิวตรอนความร้อน และมีโอกาสประมาณ 1 ใน 4 ที่จะจับนิวตรอนไว้แล้วเปลี่ยนเป็นไอโซโทปถัดไป สัดส่วนของพลูโทเนียม-242 จะอยู่ในระดับต่ำในช่วงที่มีการเผาไหม้เชื้อเพลิง (Burnup) ต่ำ แต่จะเพิ่มขึ้นในอัตราที่เร็วกว่าเส้นตรงเนื่องจากการสะสมของไอโซโทปตัวกลาง

ข้อจำกัดในการรีไซเคิลเชื้อเพลิง

พลูโทเนียม-242 มีหน้าตัดการจับนิวตรอนความร้อนที่ต่ำมาก การที่จะเปลี่ยนให้เป็นไอโซโทปที่สามารถแบ่งตัวได้อีกครั้ง (เช่น คูเรียม-245) ต้องอาศัยการจับนิวตรอนถึง 3 ครั้ง และต้องจับนิวตรอนครั้งที่ 4 เพื่อให้เกิดการแบ่งตัว ซึ่งในความเป็นจริงมีโอกาสที่นิวตรอนตัวที่ 4 จะถูกดูดซับแทนการแบ่งตัว นำไปสู่การเกิดคูเรียม-246 ซึ่งมีหน้าตัดนิวตรอนต่ำเช่นกัน

ด้วยเหตุนี้ พลูโทเนียม-242 จึงไม่เหมาะสมสำหรับการรีไซเคิลในเตาปฏิกรณ์แบบความร้อน (Thermal reactor) แต่จะเหมาะสมกว่าหากใช้ในเตาปฏิกรณ์แบบเร็ว (Fast reactor) ซึ่งสามารถทำให้เกิดการแบ่งตัวได้โดยตรง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากหน้าตัดการจับนิวตรอนที่ต่ำ ทำให้ปริมาณของพลูโทเนียม-242 ถูกเปลี่ยนรูปไปเพียงเล็กน้อยในระหว่างหนึ่งรอบการทำงานของเตาปฏิกรณ์แบบความร้อน