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Plutonium

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Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Plutonium, Pu, 94
Elementkategorie
Gruppe, Periode, Block Ac, 7, f
Aussehen silbriges Metall
Massenanteil an der Erdhülle 2 · 10−19
Atomar
Atommasse 244,0642 u
Atomradius 151 pm
Elektronenkonfiguration [Rn]5f67s2
1. Ionisierungsenergie 544,5
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur monoklin
Dichte 19740
Schmelzpunkt 914 K (641 °C)
Siedepunkt 3600 (3327 °C)
Molares Volumen 12,32 · 10-6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 325
Schallgeschwindigkeit 2260 m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 130 J·kg−1·K−1
Elektrische Leitfähigkeit 6,7 · 105 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 6,74 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände +3, +4, +5, +6
Normalpotential -2,031 V (Pu3+ + 3e- → Pu)
Elektronegativität 1,28 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
238Pu {syn.} 87,74 a α 5,593 234U
SF (1,9 · 10-7 %)
239Pu {syn.} 24.110 a α 5,245 235U
SF (3 · 10-10 %)
240Pu {syn.} 6564 a α 5,256 236U
SF (5,7 · 10-6 %)
241Pu {syn.} 14,4 a β− 0,021 241Am
α (0,0025 %) 5,14 237U
SF (2 · 10-14 %)
242Pu {syn.} 375.000 a[1] α 4,984 238U
SF (0,00055 %)
243Pu {syn.} 4,956 h β− ? 243Am
244Pu 100 % 82,6 · 106 a α (99,88 %) 4,666 240U
SF (0,12 %)
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Gefahren- und Sicherheitshinweise
Radioaktiv
Radioaktiv
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[2]

{{{GHS-Piktogramme}}}

H- und P-Sätze H: {{{H}}}
EUH: {{{EUH}}}
P: {{{P}}}
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Plutonium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Pu und der Ordnungszahl 94. Im Periodensystem der Elemente gehört es zur Gruppe der Actinoide. Plutonium ist wie fast alle Schwermetalle giftig und außerdem radioaktiv. Einige oder alle Isotope mit ungerader Massezahl sind relativ leicht durch termische Neutonen spaltbar. Plutonium wurde nach dem Zwergplaneten Pluto benannt, der zum Zeitpunkt der Entdeckung des Plutoniums noch als vollwertiger neunter Planet galt.

Geschichte

Plutonium wurde am 23. Februar 1941 von den Amerikanern Glenn T. Seaborg, J. W. Kennedy, E. M. McMillan, Dr. Michael Cefola und A. C. Wahl entdeckt. Sie stellten das Isotop 238Pu durch Beschuss von Uran 238U mit Deuterium in einem Zyklotron her. Sie benannten es nach dem damals als äußersten Planeten geltenden Pluto, der wiederum nach dem gleichnamigen römischen Gott der Unterwelt benannt ist. So kam es, dass die drei schwersten damals bekannten Elemente die Namen der drei äußersten Planeten erhielten. Pluto folgte auf den Planeten Neptun, und dieser wiederum folgt auf den Planeten Uranus. Damit wurden die letzten drei damals bekannten Elemente nach den drei äußersten Planeten des damaligen Sonnensystems benannt. (Plutonium folgt im Periodensystem auf Neptunium, und dieses wiederum auf Uran.) Die Entdeckung wurde während des Zweiten Weltkrieges geheim gehalten. Die Atombombe, mit der die japanische Stadt Nagasaki zerstört wurde, enthielt Plutonium 239Pu als Spaltstoff.

Auch in Deutschland hatte zur Zeit der Entdeckung Fritz G. Houtermans die Existenz von Transuranen in einem Geheimbericht Zur Frage der Auslösung von Kern-Kettenreaktionen theoretisch vorausgesagt. Im Rahmen des US-amerikanischen Manhattan-Projekts wurde Plutonium erstmals in größerem Maßstab hergestellt. Joseph Hamilton führte an Versuchspersonen Plutonium-Verteilungsstudien durch, die aufgrund der extremen Giftwirkung des Plutoniums heute umstritten sind.

Mit verfeinerter Spurenanalytik gelang es im Jahr 1971, geringste Spuren des langlebigsten Plutoniumisotops 244Pu in einigen Mineralien nachzuweisen.

Vorkommen

Plutonium ist das zweitseltenste Element in der Erdkruste.[3] In Uranvorkommen kann es durch Absorption natürlich freigesetzter Neutronen aus Uran entstehen, allerdings nur in winzigen Mengen. Aus der Entstehungszeit des Sonnensystems befinden sich noch sehr geringe Mengen Plutonium 244Pu in sehr seltenen Uranerzen. Diese Mengen sind so gering, dass sie erst nach der künstlichen Erzeugung des Plutoniums in Kernreaktoren im Jahr 1971 entdeckt wurden. Plutonium ist deshalb, anders als oft behauptet, auch ein natürliches Element, und löste Uran als letztes natürliches Element ab. Größere Plutoniummengen entstanden auf natürlichem Weg in dem Naturreaktor Oklo. Durch Atombombenexplosionen wurden seit dem Zweiten Weltkrieg etwa 20 t freigesetzt. Alle Kernkraftwerke der Welt haben bis heute etwa 2.000 t Plutonium (hauptsächlich 239Pu) erzeugt, das sich größtenteils noch mit den hochradioaktiven Spaltprodukten zusammen in den abgebrannten Brennstäben befindet.

Gewinnung und Darstellung

Plutonium entsteht unvermeidlich in mit Uran betriebenen Kernkraftwerken. In Kernreaktoren wird das natürlich vorkommende Uran 238U durch Einfang eines Neutrons zu 239Pu umgewandelt. Ein weiteres Neutron führt in den meisten Fällen zur Kernspaltung, zum Teil entsteht jedoch das Isotop 240Pu. Da dieses Isotop nur schlecht spaltbar ist, führt weiterer Neutroneneinfang zur Entstehung von 241Pu, das wiederum gut spaltbar ist. Allerdings werden nicht alle Atome gespalten, so dass der Brutprozess zu 242Pu und noch schwereren Isotopen fortgesetzt werden kann. Da jede Stufe dieser aufeinander aufbauenden Kernreaktionen eine gewisse Zeit braucht, ändern sich im Laufe der Zeit die relativen Mengen Isotope im Reaktorkern. Die Raten, mit der die Kernreaktionen ablaufen, hängt von der Geschwindigkeitsverteilung der Neutronen ab. In schnellen Brutreaktoren werden die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen nicht abgebremst, so dass in ihnen besonders viel Uran 238U in Plutonium 239Pu umgewandelt wird. Auf diese Weise erzeugen sie mehr Kernbrennstoff als sie selbst verbrauchen.

Der Brutprozess zu 240Pu oder noch höheren Isotopen ist für die Herstellung von Plutonium für Atomwaffen unerwünscht. Daher setzt man in diesem Fall den als Ausgangsmaterial dienende Kernbrennstoff nur kurze Zeit der Neutronenstrahlung im Kernreaktor aus. Speziell für die Gewinnung von für Kernwaffen geeignetes Plutonium optimierte Reaktoren erlauben daher eine frühzeitige Entnahme der Brennstäbe bei laufendem Betrieb. Ein Beispiel für einen solchen als Plutoniumfabriken dienenden Reaktor ist der russische Typ RBMK. Bei weapon grade Plutonium liegt der Anteil des erzeugten 240Pu bei unter 7 %, im Vergleich zum erwünschten Isotop 239Pu. Bei Reaktoren, die zur Energiegewinnig betrieben werden, wird der Kernbrennstoff deutlich länger im Reaktor belassen. Der Anteil von 240Pu an diesem mit reactor grade bezeichneten Plutonium ist größer als 20 %.

Zur Erzeugung von 238Pu wird Neptunium aus verbrauchten Brennstäben extrahiert. Das Neptunium aus Brennstäben besteht fast nur aus dem Isotop 237Np; aus dem Neptunium werden dann eigene Stäbe gefertigt, die in einem Kernreaktor starker Neutronenstrahlung ausgesetzt werden, wodurch nach unten stehender Reaktion 238Pu entsteht.

Details der Herstellung

  • 238Pu: entsteht durch Einfang mehrerer Neutronen durch das Uran-Isotop 235U. Dadurch entsteht zuerst ein 236U - Kern in einem angeregten Zustand, der eine Halbwertszeit von 120 ns hat und sich mit gewisser Wahrscheinlichkeit spaltet (siehe Kernspaltung). Angeregte 236U - Kerne können jedoch auch durch Emission von Gamma-Strahlung in den langlebigen Grundzustand übergehen. Durch weiteren Neutroneneinfang und β - Zerfall entsteht 238Pu:
235U + n  236Um  236U +
236U + n  237U Datei:Pfeil mit beta-.png 237Np
237Np + n  238Np Datei:Pfeil mit beta-.png 238Pu
  • 239Pu: entsteht durch Einfangen eines Neutrons durch das Uran-Isotop 238U und zwei anschließenden Beta-Zerfällen:
238U + n  239U  (23,5 Min.) Datei:Pfeil mit beta-.png 239Np  (2,35 Tage) Datei:Pfeil mit beta-.png 239Pu
  • 240Pu: entsteht durch Einfangen eines Neutrons aus 239Pu. Durch einen weitern Neutroneneinfang kann aus 240Pu Plutonium 241Pu und durch noche einen Neutroneneinfang 242Pu entstehen. Fängt das Plutonium 242Pu auch ein Neutron ein entsteht 243Pu das eine sehr kurze Halbwerszeit hat, so das ein weiterer Neutroneneinfang zur Erzeugung von Plutonium 244Pu unwahrscheinlich ist.
239Pu + n  240Pu
240Pu + n  241Pu
241Pu + n  242Pu
242Pu + n  243Pu
243Pu + n  244Pu

Eigenschaften

Ein Stück Plutonium in den Händen eines Arbeiters, der Schutzhandschuhe trägt.

Plutonium ist ein radioaktives, silbriges Schwermetall, das an der Luft schnell eine dunkle Oxidschicht bildet. Chemisch vergleichbar ist das Element mit Blei. Mit erhitztem Wasser oder Säuren reagiert es unter Freisetzung von Wasserstoff.

Bemerkenswert ist hier, dass die Dichte von Plutonium ab einer gewissen Temperatur aufwärts wieder zunimmt (Dichteanomalie). Auch beim Schmelzen wird wie bei Wasser die Dichte größer.

Kristallisationsphasen

Kristallisationsphasen bei Atmosphärendruck
Phasenbezeichnung stabiler Temperaturbereich Dichte (Temperatur) Kristallstruktur
a 0 K – 395 K 19,84 g/cm³ (293 K) monoklin
ß 395 K – 479 K 17,8 g/cm³ (395 K) monoklin basiszentriert
γ 479 K – 592 K 17,2 g/cm³ (479 K) orthorhombisch flächenzentriert
δ 592 K – 730 K 15,9 g/cm³ (592 K) kubisch flächenzentriert
δ' 730 K – 749 K 16,0 g/cm³ (730 K) tetragonal raumzentriert
ε 749 K – 914 K 16,5 g/cm³ (749 K) kubisch raumzentriert
flüssig 914 K – 3503 K 16,65 g/cm³ (K) —

Toxität

Plutonium ist wie andere Schwermetalle giftig und schädigt besonders die Nieren. Es bindet auch an Proteine im Blutplasma und lagert sich u.a. in den Knochen und der Leber ab. Nach Untersuchungen des Forschers Arnulf Seidel vom Institut für Strahlenbiologie des Kernforschungszentrum Karlsruhe führen kleine Dosen 239Pu im Langzeitversuch erst nach etwa 10 Jahren bei Hunden zu Knochenkrebs, wobei es eine 5 Mal größere Gefährlichkeit als Radium zeigt. Der Grund dafür kann eine ungleichmäßige Verteilung des Plutoniums im Skelett sein, die zu punktuell stark bestrahlten Stellen führt. [4] Die für einen Menschen tödliche Dosis liegt wahrscheinlich im zweistelligen Milligrammbereich, laut [5] beträgt die LD50-Dosis für Hunde 0,32 mg/kg Körpergewicht. Viel gefährlicher als die chemische Wirkung ist aber seine Radioaktivität, die Krebs verursachen kann. Bereits die Inhalation von 40 Nanogramm 239Pu reicht aus, um den Grenzwert der Jahres-Aktivitätszufuhr für Inhalation bei Arbeitern zu erreichen. Diese Menge ist so winzig, dass die Giftigkeit von Plutonium noch gar nicht zum Tragen kommen kann. [6] Zur sicheren Entstehung von Krebs reicht vermutlich eine Menge von einigen Mikrogramm aus. Die von Plutonium-239 ausgesendete α-Strahlung wird durch die oberste Hautschicht aus abgestorbenen Zellen abgeschirmt. Diesen Schutz gibt es nicht bei Inkorporation, beispielsweise Inhalation von Plutonium enthaltendem Staub, oder durch verunreinigte Nahrung. Diese unterschiedliche Wirkung der α-Strahlung kommt aufgrund der geringen Reichweite der mit dem umgebenden Material stark wechselwirkenden α-Strahlung zustande. Die chemische Giftigkeit von Plutonium wird jedoch von vielen anderen Stoffen übertroffen.

Isotope

Plutonium hat 20 Isotope und 15 Kernisomere mit Massezahlen von 228 bis 247. Die Halbwertszeiten liegen zwischen 37 · 10-12 s für das Kernisomer 236m1Pu und 82,6 Mio. Jahren für 244Pu.

Die sieben langlebigsten Isotope sind 236Pu mit 2,858 Jahren, 241Pu mit 14,1 Jahren, 238Pu mit 87,74 Jahren, 240Pu mit 6563 Jahren, 239Pu mit 24.110 Jahren, 242Pu mit 375.000 Jahren und 244Pu mit 82.600.000 Jahren Halbwertszeit. Die anderen Iosotope und Kernisomere haben Halbwertszeiten von weniger als 11 Tagen.

244Pu ist als einziges Isotop noch aus der Entstehungszeit des Sonnensystems in geringen Spuren in seltenen Mineralien enthalten.

Das mit Abstand in der größten Menge künstlich produzierte Isotop ist 239Pu, das weltweit in Spuren nachweisbar ist, die aus Kernwaffentests stammen. Ebenfalls läst sich in diesen Spuren das in geringerer Menge mitproduzierte 240Pu nachweisen. Ferner wird 239Pu auch in winzigen Mengen in Uranerzen erzeugt, wenn Uran-238 Neuronen aus Spontanspaltungen anderer Urankerne einfängt und sich in Plutonium umwandelt.

Spaltbarkeit

  • 238Pu: ist von thermischen (langsamen) Neutronen, z. B. in Kernreaktoren, schlecht spaltbar. Wegen der relativ geringen Masse seiner Kerne ist seine Spontanspaltungsrate sehr gering.
  • 239Pu: ist von thermischen Neutronen, z. B. in Kernreaktoren, leicht spaltbar. Wegen der relativ geringen Masse seiner Kerne ist seine Spontanspaltungsrate sehr gering.
  • 240Pu: ist von thermischen Neutronen, z. B. in Kernreaktoren, schlecht spaltbar. Wegen der höheren Masse seiner Kerne ist seine Spontanspaltungsrate höher als bei den leichten Isotopen.
  • 241Pu: ist von thermischen Neutronen, z. B. in Kernreaktoren, sehr leicht spaltbar. Wegen der höheren Masse seiner Kerne ist seine Spontanspaltungsrate höher als bei den leichten Isotopen.
  • 242Pu: ist von thermischen Neutronen, z. B. in Kernreaktoren, schlecht spaltbar. Wegen der höheren Masse seiner Kerne ist seine Spontanspaltungsrate viel höher als bei den leichten Isotopen.

Verwendung

Plutonium 238Pu glüht durch seinen eigenen Zerfall.

Nur Plutonium-238 und Plutonium-239 wird in größeren Mengen verwendet.

238Pu erhitzt sich durch seinen eigenen radioaktiven Zerfall bis zur Weißglut, und gibt dabei nur sehr geringe Mengen von Gammastrahlung ab. Es wird desshalb in oxidierter Form als chemisch träges Plutoniumdioxid zur Erzeugung von elektrischer Energie in Radioisotopengeneratoren verwendet. Radioisotopengeneratoren weden von Raumsonden (z. B. Cassini, New Horizons), die ins äußere Sonnensystem fliegen, eingesetzt, weil Solarzellen in dieser großen Sonnenentfernung nicht genug Energie liefern. Früher wurden Radioisotopengeneratoren auch in erdumkreisenden Satelliten und Herzschrittmachern verwendet.

239Pu, wird zusammen mit angereichertem Uran zu MOX-Brennelementen verarbeitet. Die MOX-Brenelemente werden in Leichtwasserreaktoren und mit etwa 10fach höherer Anreicherung der Spaltbaren Isotope in schnellen Brütern verwendet[7] 239Pu wird außerdem hochkonzentriert in den meisten Atom- und Wasserstoffbomben als Spatmaterial verwendet. Weil die Anreicherung des 239Pu gegenüber dem mitproduzierten 240Pu wegen des geringen Gewichtsunterschiedes nahezu unmöglich ist[8], müssen Atombomben mit Plutonium als Spaltstoff, wegen des erhöten Neutronenhintergrundes das Implusionsdesign verwenden.

Ferner wird 238Pu und 238Pu zusammen mit Beryllium als Neutronenquelle verwendet, wobei ein ein Alphateilchen aus dem Zerfall des Plutoniums den Berylliumkern trift und unter Aussendung eines Neutrons in diesen eingebaut wird.

Verbindungen

Plutonium geht in der Wertigkeitstufe +4 die Stabilste Sauerstoffverbindung ein. Plutoniumdioxid ist ein Festoff mit hoher Schmelztemperatur der gegenüber Salzwasser und anderen Umweltchemikalien stabil ist. Plutonium wird daher u.a. aus Sicherheitsgründen in Radioisotopengeneratoren und Kernkraftwerken (wenn nicht als Mischoxid) in Form dieses Oxids verwendet.

Quellen

  1. ↑ [1]
  2. ↑ Die von der Radioaktivität ausgehenden Gefahren gehören nicht zu den einzustufenden Eigenschaften nach der GHS-Kennzeichnung.
  3. ↑ http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Plutonium
  4. ↑ Franz Frisch: Klipp und klar, 100 x Energie Bibliographisches Institut AG, Mannheim 1977 ISBN 3-411-01704-X Seite 184
  5. ↑ [2]
  6. ↑ [3]
  7. ↑ Dr. Erich Übelacker: WAS IST WAS Band 3, Atom Energie Tessloff Verlag, Nürmberg 1995 ISBN 3-7886-0243/0 Seite 29
  8. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Isotope_separation

Siehe auch

Wiktionary: Plutonium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Plutonium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Gesprochene Wikipedia

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