Plutonium

Eigenschaften
[Rn] 5f6 7s2 94Pu Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Plutonium, Pu, 94
Elementkategorie	Actinoide
Gruppe, Periode, Block	Ac, 7, f
Aussehen	silbriges Metall
CAS-Nummer	7440-07-5
EG-Nummer	231-117-7
ECHA-InfoCard	100.028.288
Massenanteil an der Erdhülle	2 · 10−16 ppm
Atomar
Atommasse	244,0642 u
Atomradius	151 pm
Kovalenter Radius	187 pm
Elektronenkonfiguration	[Rn] 5f6 7s2
1. Ionisierungsenergie	6.02576(25) eV ≈ 581.4 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	11.5(4) eV ≈ 1110 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	21.1(4) eV ≈ 2040 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	35.0(4) eV ≈ 3380 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	49.0(1,9) eV ≈ 4730 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen	6
Kristallstruktur	monoklin
Dichte	19,816 g·cm−3
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 6,2 · 10−4)
Schmelzpunkt	913 ± 2 K (640 ± 2 °C)
Siedepunkt	3509 K (3230 °C)
Molares Volumen	12,29 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	325 kJ·mol−1
Schmelzenthalpie	11,48 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	2260 m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	130 J·kg−1·K−1
Elektrische Leitfähigkeit	0,68 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	6,74 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände	+3, +4, +5, +6, (+7)
Normalpotential	−2,031 V (Pu3+ + 3 e− → Pu)
Elektronegativität	1,28 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 236Pu {syn.} 2,86 a α 5,867 232U 237Pu {syn.} 45,2 d ε 0,220 237Np α (0,0042 %) 5,748 233U 238Pu {syn.} 87,7 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.} 14,35 a β− 0,021 241Am α (0,0025 %) 5,14 237U SF (2 · 10−14 %) 242Pu {syn.} 375.000 a α 4,984 238U SF (0,00055 %) 243Pu {syn.} 4,956 h β− 0,579 243Am 244Pu 100 % 8,0 · 107 a α (99,88 %) 4,666 240U SF (0,12 %)
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Gefahren- und Sicherheitshinweise
Radioaktiv
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung keine Einstufung verfügbar
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Plutonium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Pu und der Ordnungszahl 94, der höchsten Ordnungszahl aller natürlich vorkommenden Elemente. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block) und zählt zu den Transuranen. Benannt wurde es nach dem Zwergplaneten Pluto.

Als eines der wenigen spaltbaren Elemente spielt es eine entscheidende Rolle als Kernbrennstoff für Kernreaktoren oder als Spaltstoff für Kernwaffen. Es war das Spaltmaterial der Atombombe „Fat Man“, die am 9. August 1945 auf Nagasaki abgeworfen wurde. Beim Betrieb von Kernreaktoren entsteht Plutonium aus dem Uranisotop U-238 und trägt teilweise zur Wärmeenergieerzeugung in Kernreaktoren bei.

Plutonium wird in kleinsten Spuren in Gesteinen gefunden, welche so gering sind (wenige ppt), dass die Erschließung nicht möglich ist. Größere, wägbare Mengen des Elements wurden nur künstlich mittels Kernreaktoren erzeugt.

Es ist ein radioaktives und in seiner Handhabung gefährliches (radiotoxisches) Element, das insbesondere bei Inkorporation gefährlich ist. Es ist ein starker Alphastrahler von rund fünf Millionen Elektronenvolt und besitzt sehr hohe spezifische Aktivität von rund 2,3 GBq/g. Die Arbeit mit Plutonium unterliegt daher strengen Sicherheitsvorgaben.

Plutonium wurde zu Beginn des Zweiten Weltkriegs von Glenn T. Seaborg und Mitarbeitern entdeckt. Die Forschung dazu wurde zunächst geheim gehalten. Erst nach dem Kriegsende wurde es durch den Smyth-Report als Teil des Manhattan-Projekts der Weltöffentlichkeit bekannt, ab den 1950er-Jahren wurden viele seiner Eigenschaften öffentlich. Das Element läutete die Erforschung weiterer Actinoide ein und zählt zu den am umfangreichsten erforschten Elementen des Periodensystems.

Entdeckung von Plutonium

Der Entdeckung von Plutonium (Element 94) und den damit verbundenen radiochemisch-analytischen Experimenten gingen zunächst Studien zum Element 93 voraus, das Ida Noddack im Jahr 1934 postulierte. Zu dieser Zeit experimentierten Enrico Fermi und seine Mitarbeiter in Rom mit der Möglichkeit der Transmutation von Elementen durch Neutronenbeschuss.

Mit der Entdeckung der Kernspaltung Ende 1938 wurde die Kernforschung bzw. Kerntechnik zu einer der Schlüsseltechnologien des 20. Jahrhunderts. Radiochemiker und Kernphysiker auf der ganzen Welt erforschten die nuklearen Details der Materie, speziell die 1932 entdeckten Neutronen.

In Deutschland hatte bereits vor der Entdeckung des Plutoniums Carl Friedrich von Weizsäcker 1940 darauf hingewiesen, dass in Kernreaktoren ein neues spaltbares Element ²³⁹Eka Re (Eka-Rhenium) entstehen müsse. Auch Friedrich Georg Houtermans sagte 1942 die Existenz von Transuranen in einem Geheimbericht theoretisch voraus. Im Rahmen des deutschen Uranprojekts wurden jedoch bis Kriegsende keine signifikanten Mengen an Plutonium hergestellt.

Viele grundlegende chemisch-physikalischen Eigenschaften des Elements Plutonium wurden im Zeitraum zwischen 1941 und 1945 erforscht. Die Ergebnisse unterlagen aber strengster Geheimhaltung, einige Erkenntnisse wurden zunächst durch das Physical Review zurückgehalten und erst nach dem Zweiten Weltkrieg veröffentlicht.

Entdeckung des Isotop 238

Am 23. Februar 1941 gelang im Raum 307, einem radiochemischen Labor im Gebäude Gilman Hall in Berkeley, Glenn T. Seaborg und Arthur C. Wahl der Nachweis von Mikromengen (sogenannte Tracer) des später Plutonium genannten Elements. Es handelte sich um das Isotop ²³⁸Pu, welches durch den Beschuss eines Urandioxid-Target U mit Deuteronen D, die durch ein Zyklotron beschleunigt wurden, gebildet wurde:

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{1}^{2}D\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ +\ 2\ _{0}^{1}n}$

Dabei wurden zwei Neutronen n freigesetzt, das Zwischenprodukt Neptunium-238 wandelte sich durch Betazerfall in Plutonium um:

$\mathrm {^{238}_{\ 93}Np\ {\xrightarrow[{2,1\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} ~(+~\alpha )$

Zunächst wurde bemerkt, dass dem Np-238 ein α-Strahler „nachwuchs“. Um das Element 94 nachzuweisen, wurde ausgenutzt, dass sich die Elemente 93 und 94 hinsichtlich ihrer Oxidation unterscheiden. Verwendet wurden Kaliumthiosulfat und Silberionen als Reduktionsagenten. Plutonium zeigte sich dabei als schwieriger zu oxidieren als Neptunium.

Zu den beteiligten Wissenschaftlern gehörten anfänglich auch Edwin M. McMillan, sowie Joseph W. Kennedy u. a., welche ebenfalls im Frühjahr 1941, zusammen mit Emilio Segrè, das Plutoniumisotop Pu-239 entdeckten.

Spaltbarkeit des Isotops 239

Am 28. März 1941 wurde die Spaltbarkeit des Isotops 239 durch thermische Neutronen nachgewiesen, sie war etwa 1,7-fach so groß wie bei Uran-235. Im Mai 1941 konnte der Wirkungsquerschnitt für diese Kernreaktion angegeben werden. Das Isotop emittiert bei Spaltung statistisch mehr als zwei Neutronen, was eine nukleare Kettenreaktion ermöglicht, da hier mindestens ein zu einer Spaltung führendes Neutron zur Kettenreaktion benötigt wird. Es wurde auf seine spontane Spaltung untersucht und eine lange Halbwertszeit ($\approx$ 24.100 Jahre) festgestellt, wodurch das Material als Kernbrennstoff eingestuft wurde.

Zigarrenkiste von Gilbert N. Lewis, von Glenn T. Seaborg zur Aufbewahrung von Gegenständen ausgeliehen. Etwa 0,5 ug ($\approx$ 31 nCi) Pu-239 wurde im Frühjahr 1941 von Wahl & Kollegen auf einer Platinscheibe zur Messung der Spaltbarkeit aufgebracht. Diese B-Probe tauchte 1966 wieder auf und wurde der Smithsonian Institution übergeben.

Die Originalprobe dieser Messungen wurde im Jahr 1966 der Smithsonian Institution übergeben.

Spurenprobe von 1941

Für die Analyse des neuen Elements 94 wurden mikroskopische Mengen auf Platinscheiben aufgebracht. In dem nebenstehenden Foto sind auf einer nachträglichen Notiz vom 13. Juli 1941 Daten von einer Alphastrahlungsmessung zu lesen („α's counted in a magnet field (MF) chamber with a dist. of 2.5 cm. B = 0.025 uCi ...“). Die Werte geben die zurückgelegte Strecke der Heliumkerne in Luft an. Nach einer approximativen Formel von Geiger (vgl. auch die Bethe-Formel) gilt in Luft näherungsweise ein einfacher Zusammenhang zwischen der Energie der Alphateilchen und ihrer Reichweite: $R_{a}=0,324\cdot E_{\alpha }^{3/2}$, d. h. für 3,6 cm ergeben sich $\alpha \approx 5$ MeV. Plutonium ist ein starker α-Strahler.

Erste Isolation

Zwischen dem 18. und 20. August 1942 gelang es Burris B. Cunningham und Louis B. Werner eine erste prinzipiell sichtbare (unter dem Mikroskop) Menge des neuen Elements 94 durch Fällung darzustellen. An den Arbeiten war auch der Mikrochemiker Michael Cefola beteiligt. Dies geschah im Raum 405 des George Herbert Jones Chemical Laboratory, der University of Chicago. Die Chemiker übernahmen das Gebäude und die Einrichtung des Jones Chemical Laboratory, Teil des Metallurgical Laboratory („Met Lab“) unter der Leitung von Seaborg.

Im September erhielten Cunningham und Werner eine neue bestrahlte Probe aus Berkeley (von 1941 bis 1949 unter Leitung von Wendell M. Latimer als Dekan des College of Chemistry). Dabei wurden mit dem 60-Zoll-Zyklotron des Crocker Laboratory die 12 MeV-Deuteronen auf ein Beryllium-Target mittels (d,n)-Reaktion zur Freisetzung von Neutronen verwendet, welche in rund 5 kg Uranylnitrat-Hexahydrat (UNH, UO₂(NO₃)₂·6 H₂O) etwa 1 μg Plutonium-239 produzierten. Dabei findet die folgende (n,γ)−Kernreaktion statt:

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,3\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu}$.

Diese Probe aus Berkeley wurde von Uran, Neptunium und Spaltprodukten gereinigt. Im Raum 405 wurde am 20. August 1942 in mehrfachen analytischen Reinigungs-, Oxidations- und Reduktions-Schritten mittels Mitfällung (genauer mit dem Lanthanfluorid-Trägerverfahren) schlussendlich ein Plutoniumfluorid-Niederschlag (Plutonium in den Hauptvalenzzuständen Pu(III) und Pu(IV)) gewonnen.

Namensgebung

Sie benannten es im März 1942 nach dem damals als äußersten Planeten geltenden Pluto, der wiederum nach dem gleichnamigen Gott der Unterwelt benannt ist: „[…] benannt nach dem jenseits des Neptuns folgenden Planeten Pluto, angesichts der infernalischen Wirkung der Pu-Bombe erscheint die Ableitung des Namens von Pluto, dem Gott der Unterwelt gerechtfertigter!“ So wurden die drei schwersten damals bekannten Elemente Uran, Neptunium und Plutonium nach den Planeten Uranus, Neptun und Pluto benannt.

Glenn T. Seaborg, Kernchemiker, einer der Entdecker von Plutonium, Leiter des Chicago Metallurgical Laboratory, Nobelpreisgewinner in Chemie und ehemaliger Vorsitzender der Atomic Energy Commission (AEC), ist auf diesem Foto neben einem Periodensystem zu sehen. Das Element 106 (Sg) wurde nach ihm benannt.

Erste Wägung

Am 10. September 1942 wurde eine weitere Probe als Plutoniumhydroxid gefällt, es waren 2,77 μg Plutoniumoxid PuO₂. Es war das erste gewogene Plutonium in Reinform.

Zu dieser Zeit wurden weitere kleine Mengen analytisch dargestellt. Erst später wurden am Los Alamos Scientific Laboratory (LASL) der University of California erste Grammmengen (>> 10 g) hergestellt. Darüber hinaus wurde in den kanadischen Chalk River Laboratories sehr früh mit der Erforschung von Plutonium und Kernbrennstoffen als Teil der Kerntechnik begonnen. In Frankreich wurde das neue Kernmaterial erstmals in den 1950er Jahren dargestellt.

Metall und weitere Eigenschaften

Ende 1943 gelang es anderen Wissenschaftlern des „Met Lab“, etwa 3 μg metallisches Plutonium darzustellen. Dabei reagierten rund 35 μg PuF₄ mit metallischem Barium bei 1.400 °C. Die Dichte der dabei entstandenen Plutonium-Kügelchen wurde zu ca. 16 g/cm³ bestimmt.

Etwa ab diesem Zeitpunkt wurden Produktionskapazitäten in Hanford errichtet. Später untersuchten Seaborg und seine Mitarbeiter auch das natürliche Vorkommen von Plutonium. Erst ab Mitte der 1950er Jahre wurde der technische PUREX-Prozess aufgebaut. Dieser ist heute der Stand der Technik für den nuklearen Brennstoffkreislauf zur Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen.

Vorkommen

Natürliches Vorkommen

Plutonium ist das letzte, allerdings extrem seltene, bisher bekannte natürlich vorkommende Element des Periodensystems. Mit einem Gehalt von 2 · 10⁻¹⁹ Gew.-% ist es eines der seltensten Elemente der Erdkruste. In Uranvorkommen kann es in winzigen Mengen durch Absorption natürlich freigesetzter Neutronen aus Uran entstehen. Auf 140 Milliarden Uranatome soll ein Plutoniumatom kommen. Der US-amerikanische Chemiker D. F. Peppard extrahierte im Jahr 1951 Mikrogrammmengen ²³⁹Pu aus einem kongolesischen Pechblendekonzentrat. Für jedes Mikrogramm waren 100 Tonnen Pechblende notwendig.

Von den Naturreaktoren von Oklo in Gabun sowie von einer benachbarten Uranlagerstätte ist bekannt, dass dort vor etwa 1,5 bis 2 Milliarden Jahren über mehrere Jahrtausende Kernspaltung als Kettenreaktion in natürlichem Umfeld auftrat. Durch die Anlagerung von Spaltungsneutronen an ²³⁸U entstanden dort etwa 2 bis 4 Tonnen ²³⁹Pu. In einigen Teilen der Oklo-Lagerstätte trug auch die direkte Spaltung von ²³⁹Pu nennenswert zur Gesamtkernspaltung bei. Etwa ein Drittel des insgesamt gespaltenen ²³⁵U soll aus dem Alphazerfall von ²³⁹Pu gestammt haben. Etwaige Reste des erzeugten Plutoniums sind mittlerweile komplett zerfallen.

Mit verfeinerter Spurenanalytik gelang es, im Mineral Bastnäsit, das nach dem Fundort Bastnäs in Schweden benannt wurde, geringste Spuren des langlebigsten Plutoniumisotops ²⁴⁴Pu nachzuweisen. Dieses Plutonium stammt aus der Entstehungszeit des Sonnensystems, ist also ein primordiales Nuklid. Die gefundenen Mengen sind so gering, dass sie erst im Jahr 1971, also lange nach der künstlichen Erzeugung von Plutonium in Kernreaktoren, entdeckt wurden.

Es wird berichtet, dass ²⁴⁴Pu in geringster Menge aus Sedimenten am Meeresboden isoliert wurde, die aus verschmelzenden Neutronensternen stammen sollen.

Künstliches Vorkommen

Plutonium entsteht in Kernreaktoren durch Transmutation von Uran-238. Neben den kommerziellen Kernreaktoren in Kernkraftwerken wurde es in sogenannten Produktionsreaktoren speziell für militärische Zwecke in großen Mengen hergestellt. Das Material ist in Staatsbesitz der Atommächte und seine Bestände wurden speziell nach dem Kalten Krieg öffentlich kommuniziert. Die im laufenden Betrieb von Kernkraftwerken anfallenden Mengen werden als Teil eines geschlossenen Kernbrennstoffkreislaufs von Uran und Spaltprodukten abgetrennt. Als Teil des Plutonium Management and Disposition Agreement (PMDA) versuchen die USA und Russland das hochkonzentrierte (waffenfähige) Pu-239 zu entsorgen. Siehe auch der Abschnitt Plutoniuminventar.

Freisetzung durch anthropogene Ursachen

Anthropogen wurde Plutonium zwischen 1945 und 1980 durch oberirdische Kernwaffentests in einer Menge von drei bis fünf Tonnen freigesetzt, die in Spuren weltweit nachweisbar sind. Weitere Mengen wurden durch verschiedene unbeabsichtigte Ereignisse und Unfälle freigesetzt.

• Freisetzungen bei Kernwaffenunfällen und bei Unfällen in Kernwaffen-Laboratorien
• Fehlgeschlagene Weltraummissionen und Wiedereintritt von Satelliten mit Radionuklidbatterien, wie durch Transit 5BN-3, Kosmos 954 und Apollo 13
• Brand eines der beiden ersten Produktionsreaktoren von Sellafield (damals Windscale) im Jahre 1957
• Unfälle mit Atom-U-Booten
• im Abwasser von Kernforschungsanlagen und von Wiederaufarbeitungsanlagen
• Mitunter erfolgte in der Vergangenheit legale und illegale Verklappung radioaktiver Abfälle in die Ozeane
• Der Großteil des bei der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl entwichenen Plutoniums blieb in einem Umkreis von 100 Kilometer um den Reaktor. Auch 1957 beim Kyschtym-Unfall, der die russische Kerntechnische Anlage Majak betraf, entwichen erhebliche Mengen an Plutonium, die hauptsächlich lokal und regional abgelagert wurden.

Gewinnung und Darstellung

Plutonium entsteht unvermeidlich in den mit ²³⁸U-reichen Isotopengemischen betriebenen Kernkraftwerken. Dabei wird ein Teil des eingesetzten ²³⁸U durch Einfang eines Neutrons und nachfolgenden Betazerfall in ²³⁹Pu umgewandelt.

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23,5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu}$     (HWZ: 24110 a)

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Ein weiteres Neutron führt in den meisten Fällen zur Kernspaltung, zum Teil entsteht jedoch das Isotop ²⁴⁰Pu (HWZ: 6561 a). Da dieses Isotop nur schlecht spaltbar ist, führt weiterer Neutroneneinfang zur Entstehung von ²⁴¹Pu (HWZ: 14,3 a), das wiederum gut spaltbar ist. Allerdings werden nicht alle Atome gespalten, so dass bei einigen davon der Brutprozess zu ²⁴²Pu (HWZ: 373000 a) und noch schwereren Isotopen fortgesetzt werden kann. Weil jedoch das spaltbare ²⁴³Pu eine sehr kurze Halbwertszeit hat (5 h), ist ein weiterer Neutroneneinfang, der meistens zur Spaltung oder – in selteneren Fällen – zur Erzeugung von Plutonium ²⁴⁴Pu führt, unwahrscheinlich. Der Plutonium-Brutprozess ist daher praktisch beim ²⁴³Pu zu Ende und führt über den Betazerfall von ²⁴³Pu zum Americium-Isotop ²⁴³Am (HWZ: 7364 a).

$\mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 94}^{240}Pu\ +\ \gamma }$

$\mathrm {^{240}_{\ 94}Pu\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 94}^{241}Pu\ +\ \gamma }$

$\mathrm {^{241}_{\ 94}Pu\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 94}^{242}Pu\ +\ \gamma }$

$\mathrm {^{242}_{\ 94}Pu\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 94}^{243}Pu\ +\ \gamma }$

Da jede Stufe dieser aufeinander aufbauenden Kernreaktionen eine gewisse Zeit braucht, ändern sich im Laufe der Zeit die relativen Mengen der Isotope im Reaktorkern. Die Raten, mit denen die Kernreaktionen ablaufen, hängen von der Geschwindigkeitsverteilung der Neutronen ab. Weil ein großer Teil der leicht spaltbaren Isotope jedoch gespalten wird und sich nicht in andere Isotope umwandelt, nimmt die mögliche Ausbeute (Effizienz) des Brutprozesses mit der Erzeugung jedes weiteren leicht spaltbaren Isotops ab.

Das leichtere Isotop ²³⁸Pu wird bei Bedarf gezielt hergestellt. Es entsteht durch Einfang mehrerer Neutronen aus dem Uran-Isotop ²³⁵U. Dabei entsteht zuerst ein ²³⁶U-Kern in einem angeregten Zustand, der eine Halbwertszeit von 120 Nanosekunden hat und sich mit hoher Wahrscheinlichkeit spaltet. Angeregte ²³⁶U-Kerne können jedoch auch durch Emission von Gamma-Strahlung in den langlebigen Grundzustand übergehen. Durch weiteren Neutroneneinfang und β-Zerfall entsteht Neptunium ²³⁷Np. Nach einer gewissen Bestrahlungszeit wird das Neptunium, das fast ausschließlich aus ²³⁷Np besteht, aus den Brennstäben extrahiert. Das Neptunium wird nun in Form von reinen Neptunium-Brennstäben wieder in einen Reaktor eingefügt und mit Neutronen bestrahlt. Es wandelt sich dabei durch Neutroneneinfang in ²³⁸Np um, das unter Aussendung von Betastrahlung zu ²³⁸Pu zerfällt.

$\mathrm {^{235}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{236m}U\ {\xrightarrow[{120\ ns}]{}}\ _{\ 92}^{236}U\ +\ \gamma }$

$\mathrm {^{236}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{237}U\ {\xrightarrow[{6,75\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{237}Np}$

$\mathrm {^{237}_{\ 93}Np\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2,117\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu}$

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Beim Abbrand eines schwach angereicherten Brennelementes (links) sinkt der Anteil an spaltbarem ²³⁵U. Plutonium entsteht durch Kernreaktion mit Neutronen aus dem ²³⁸U.

Die so behandelten Brennstäbe enthalten auch schwerere Plutoniumisotope. Außerdem werden einige der Neptunium-Atome auch von Neutronen über 6,27 MeV Energie getroffen, wodurch in geringer Menge auch ²³⁶Pu entsteht. Dieses zerfällt über die Thorium-Reihe, in der der starke Gammastrahler Thallium ²⁰⁸Tl vorkommt.

Wird ²³⁹Pu durch schnelle, also nicht abgebremste Neutronen gespalten, ist die durchschnittliche Zahl neu freigesetzter Neutronen pro gespaltenem Atomkern besonders hoch. In einem solchen Reaktor kann daher mehr ²³⁸U in neues ²³⁹Pu umgewandelt werden, als gleichzeitig durch Spaltung verbraucht wird (man spricht von einer Konversionsrate über 1). Ein solcher Reaktor wird deshalb als Brutreaktor oder „schneller Brüter“ bezeichnet. Mit den russischen BN-Reaktoren speisen seit 2015 erstmals solche Brutreaktoren in das öffentliche Stromnetz ein, die Konversionsrate wird mit bis zu 1,3 angegeben.

Das Plutonium befindet sich nach der Herstellung zusammen mit den Spaltprodukten, unverbrauchtem Rest-Kernbrennstoff und abgereichertem Uran 238 in den abgebrannten Brennelementen. Durch Wiederaufbereitung in einer Wiederaufarbeitungsanlage kann das Plutonium aus ihnen herausgelöst werden. Die bis heute übliche Methode dafür ist der PUREX-Prozess, der aus militärischen Gründen entwickelt wurde und darauf optimiert ist, möglichst reines Plutonium sowie (ebenfalls erwünschtes) Uran zu extrahieren, während die übrigen Stoffe – Spaltstoffe, minore Actinoide, aber auch erhebliche Teile des Plutoniums und Urans – ungetrennt bleiben und als Abfall gelten. Dazu wird das Material zunächst in Salpetersäure gelöst und das Plutonium und Uran mit Tri-n-butyl-phosphat (TBP) extrahiert. Die Spaltprodukte und anderen Bestandteile bleiben dabei zurück. Im Jahr 2000 wurden etwa 20 Tonnen Plutonium, überwiegend in Form des Isotops ²³⁹Pu, abgetrennt.

Eigenschaften

Plutonium war Gegenstand der Forschung jeder größeren Einrichtung auf dem Gebiet der Kernforschung. Aufgrund seiner interessanten Eigenschaften, wie beispielsweise sechs Kristallstrukturen und vieler weiterer physikalischen, chemischen, mechanischen, elektrischen und metallurgischen Eigenheiten wird Plutonium bis heute untersucht, z. B. im Hinblick auf seine elektronische Struktur oder Alterungseffekte.

Physikalische Eigenschaften

Zwei größere Plutonium „Buttons“. Für die Herstellung im Grammbereich mussten zunächst Verfahren entwickelt werden. Aufnahme von 1945

Plutonium ist ein bei Normalbedingungen silberglänzendes „Schwermetall“ mit hoher Dichte (19,86 g/cm³). Wie von allen Actinoiden existieren auch von Plutonium ausschließlich radioaktive Isotope. Es ist selbsterwärmend, pro 1 kg Plutonium entstehen etwa 2 Watt Wärmeleistung (bezogen auf ²³⁹Pu). Plutonium ist im Vergleich mit anderen Metallen ein schlechter Leiter für Wärme und elektrischen Strom. Das Metall kristallisiert abhängig von der Temperatur in insgesamt sechs allotropen Modifikationen. Diese unterscheiden sich zum Teil deutlich in ihren Dichten. Die bei Raumtemperatur stabile Modifikation α-Pu ist monoklin. In Plutonium besteht bei höheren Temperaturen der seltene Fall einer Dichteanomalie, die Dichte nimmt bei der Phasenumwandlung zur δ’- und ε-Modifikation wieder zu. Auch beim Schmelzen wird, wie bei Wasser, die Dichte größer. Hiervon kommt auch die negative Wärmeausdehnung des δ-Plutoniums. Flüssiges Plutonium besitzt die höchste Viskosität aller Elemente im flüssigen Zustand. Trotz einer für Metalle anormal hohen magnetischen Suszeptibilität und der Tendenz zur Ordnung bei tiefen Temperaturen zeigt Plutonium keine Ordnung über größere Bereiche und muss deshalb als paramagnetisch bezeichnet werden. Für die Messung stört allerdings das ständige Erwärmen durch den Zerfall des Plutoniums ²³⁹Pu. Dadurch sind keine Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erreichbar.

Modifikationen bei Atmosphärendruck

Bezeichnung der Phase	Stabil im Temperaturbereich	Dichte (Temperatur)	Kristallsystem	Bravais-Gitter	Raumgruppe
α-Pu	0 K – 395 K	19,77 g/cm3 (293 K)	monoklin	primitiv	P21/m (Nr. 11)Vorlage:Raumgruppe/11
β-Pu	395 K – 479 K	17,7 g/cm3 (395 K)	monoklin	raumzentriert	I2/m (Nr. 12, Stellung 3)Vorlage:Raumgruppe/12.3
γ-Pu	479 K – 592 K	17,14 g/cm3 (479 K)	orthorhombisch	flächenzentriert	Fddd (Nr. 70)Vorlage:Raumgruppe/70
δ-Pu	592 K – 730 K	15,9 g/cm3 (592 K)	monoklin	basiszentriert	Cm (Nr. 8)Vorlage:Raumgruppe/8
δ’-Pu	730 K – 749 K	16,0 g/cm3 (730 K)	tetragonal	raumzentriert	I4/mmm (Nr. 139)Vorlage:Raumgruppe/139
ε-Pu	749 K – 914 K	16,5 g/cm3 (749 K)	kubisch	raumzentriert	Im3m (Nr. 229)Vorlage:Raumgruppe/229
flüssig	914 K – 3503 K	16,63 g/cm3 (914 K)	—	—	—

Weiterhin ist eine Hochdruckmodifikation bekannt, die aus α-Pu bei einem Druck oberhalb von 40 GPa gewonnen wurde und in der Raumgruppe P6₃ (Raumgruppen-Nr. 173)Vorlage:Raumgruppe/173 kristallisiert.

Chemische Eigenschaften

Verschiedene Oxidationsstufen von Plutonium in wässriger Lösung.

Plutonium ist ein unedles und sehr reaktives Metall. An der Luft reagiert es schnell mit Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit. Dabei wird das Metall zunächst matt und überzieht sich mit einer dunkel blauschwarzen Oxidhaut, beim längeren Stehen an der Luft bildet sich eine dickere, graugrüne, pulverig abreibende Oxidschicht. Das Metall reagiert beim Erhitzen mit den meisten Nichtmetallen und Wasser. Bei Raumtemperatur wird es dagegen von Wasser und alkalischen Lösungen nicht angegriffen. In konzentrierter Salpetersäure ist es wegen Passivierung nicht löslich. Löslich ist Plutonium in Salzsäure und fluoridhaltiger Salpetersäure. Die Fluoridionen unterdrücken hierbei die ansonsten einsetzende Passivierung des Metalls. Die chemischen Eigenschaften des Plutoniums ähneln denen anderer Actinoiden. Ähnlich wie bei vielen anderen dieser Elemente bestimmt bei Plutonium die starke Radioaktivität die chemischen Eigenschaften mit, da durch die entstehende Wärme Bindungen aufgebrochen werden können. Auch die freiwerdende Strahlung kann zum Bruch von Bindungen führen.

Plutonium besitzt eine Reihe von Verbindungen, in denen es in den Oxidationsstufen +3 bis +7 vorliegen kann. Damit bildet Plutonium zusammen mit Neptunium die höchste Oxidationsstufe aller Actinoiden. Die stabilste Stufe ist +4. In wässriger Lösung haben die Plutoniumionen charakteristische Farben, so ist das Pu³⁺-Ion violett, Pu⁴⁺ braun, Pu^VO₂⁺ purpurfarben, Pu^VIO₂²⁺ orange und Pu^VIIO₂³⁺ grün.

Biologische Aspekte

Eine biologische Funktion des Plutoniums ist nicht bekannt. Weitere Forschungen und Untersuchungen konzentrierten sich auf mikrobielle Wechselwirkungen mit Plutonium, um auf diesem Wege kontaminierte Deponien und Umgebungen zu sanieren. Enterobakterien der Gattung Citrobacter können durch die Phosphataseaktivität in ihrer Zellwand Pu(IV) aus wässriger Lösung ausfällen und als Lanthan-Phosphat-Komplex binden.

Isotope

→ Liste der Plutoniumisotope

Von Plutonium wurden 20 Isotope und 15 Kernisomere mit Massenzahlen von 228 bis 247 vermessen. Die Halbwertszeiten liegen zwischen 37 · 10⁻¹²  s für das Isomer ^236″m1Pu und 80 Mio. Jahren für ²⁴⁴Pu. Die langlebigsten Isotope mit Halbwertszeiten größer als 11 Tagen haben Massenzahlen zwischen 236 und 244. Das Isotop ²⁴³Pu ist mit einer Halbwertszeit von weniger als 5 Stunden eine Ausnahme. Einige der Plutonium-Isotope werden als Ausgangspunkte für radioaktive Zerfallsreihen angesehen.

• ²³⁶Pu zerfällt über die Thorium-Reihe. Es kommt mit einer Halbwertszeit von 2,858 Jahren durch α-Zerfall auf die Zwischenstufe ²³²U, die mit einer Halbwertszeit von 68,9 Jahren zu ²²⁸Th zerfällt, das auf dem Hauptstrang der Reihe liegt. Dieses Isotop wird in Kernreaktoren, die mit Uran betrieben werden, nur in winzigen Mengen erbrütet.
• ²³⁷Pu wandelt sich mit einer Halbwertszeit von 45,43 Tagen zu 99,9958 % durch Elektroneneinfang in das Neptunium-Isotop ²³⁷Np um, das der offizielle Startpunkt der Neptunium-Reihe ist. Die restlichen 0,0042 % zerfallen durch α-Zerfall zu Uran ²³³U, das ebenfalls über die Neptunium-Reihe zerfällt.
• ²³⁸Pu ist ein α-Strahler mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren. Es zerfällt zunächst in ²³⁴U und weiter über die Zerfallskette der Uran-Radium-Reihe.
• ²³⁹Pu ist das am häufigsten produzierte Plutoniumisotop. Es hat eine Halbwertszeit von 24.110 Jahren und zerfällt überwiegend unter Abgabe von α-Strahlung in ²³⁵U. Der weitere Zerfall folgt der Uran-Actinium-Reihe für natürliche Radioaktivität, die bei ²³⁵U beginnt. Zu einem Anteil von 3 · 10⁻¹⁰ % tritt Spontanspaltung auf.
• ²⁴⁰Pu zerfällt mit einer Halbwertszeit von 6561 Jahren durch α-Strahlung in ²³⁶U. Dieses Uran-Isotop zerfällt mit einer Halbwertszeit von 23,4 Mio. Jahren zum natürlichen ²³²Th. Der weitere Zerfall folgt der Thorium-Reihe.
• ²⁴¹Pu wird oft als Beginn der Neptunium-Reihe bezeichnet, da es (bei Verlängerung der Reihe) vor dem Neptunium steht. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 14,35 Jahren und einer Wahrscheinlichkeit von 99,9975 % mit einem β-Zerfall zu ²⁴¹Am, sowie mit 0,0025 % Wahrscheinlichkeit unter α-Zerfall zu ²³⁷U. ²⁴¹Am zerfällt unter α-Zerfall (t_1/2 = 432,6 a) und ²³⁷U durch β-Zerfall zum gleichen langlebigen Neptuniumisotop ²³⁷Np, welches ein Alphastrahler ist und eine Halbwertszeit von 2,14 Mio. Jahre aufweist. Diese sehr lange Halbwertszeit ist das Problem für die Sicherheitsnachweise von Endlagern, wenn ²⁴¹Pu nicht in Mischoxidbrennelementen in einer Kernspaltung zu Isotopen transmutiert wird, in dessen Zerfallsreihe kein ²³⁷Np vorkommt.
• ²⁴²Pu zerfällt über die gleiche Zerfallskette wie ²³⁸Pu. Während jedoch ²³⁸Pu als Seitenarm beim ²³⁴U auf die Zerfallskette kommt, steht ²⁴²Pu noch vor dem ²³⁸U. Plutonium ²⁴²Pu zerfällt durch α-Zerfall in ²³⁸U, den Beginn der natürlichen Uran-Radium-Reihe. Mit einer Halbwertszeit von 375.000 Jahren ist es nach ²⁴⁴Pu das langlebigste Isotop.
• ²⁴³Pu ist mit einer Halbwertszeit von 4,956 h kurzlebig. Es geht zunächst durch β-Strahlung in Americium ²⁴³Am über, das in Neptunium ²³⁹Np übergeht und weiter zu ²³⁹Pu zerfällt. Damit steht es in Verlängerung der Uran-Actinium-Reihe.
• ²⁴⁴Pu ist wegen seiner vergleichsweise langen Halbwertszeit von 81,3 Mio. Jahren (Das Alter der Erde entspricht 56 Halbwertszeiten) das einzige in winzigsten Spuren (2 · 10⁻²⁰ %) natürlich vorkommende Plutonium-Isotop. Es ist der Ausgangspunkt der Thorium-Reihe, die darum manchmal auch Plutonium-Thorium-Reihe genannt wird. ²⁴⁴Pu zerfällt durch α-Zerfall zu ²⁴⁰U, dieses durch zwei β-Zerfälle über ²⁴⁰Np zu ²⁴⁰Pu, dieses dann wieder durch zwei weitere α-Zerfälle über ²³⁶U zum ²³²Th. Danach folgt der Zerfall der Thorium-Reihe.

Spaltbarkeit

Eine Plutoniumscheibe auf einem Calciumchloridblock.

Alle Plutoniumisotope mit ungerader Neutronenzahl zählen zu den wenigen Nukliden, die leicht, d. h. schon durch thermische Neutronen gut spaltbar sind. Der entsprechende Wirkungsquerschnitt beträgt beim ²³⁹Pu 748 Barn (b) und beim ²⁴¹Pu 1011 b, bei den geradzahligen ²³⁸Pu, ²⁴⁰Pu und ²⁴²Pu dagegen nur 17,9 b, 0,056 b bzw. < 0,16 b. Das recht kurzlebige geradzahlige ²³⁶Pu (Halbwertszeit 2,9 Jahre) hat mit 169 b einen mittelgroßen Spaltquerschnitt.

Alle langlebigen Plutoniumisotope spalten sich auch spontan. Die Spontanspaltungsrate ist bei ²³⁹Pu am geringsten und nimmt sowohl zu den leichteren als auch den schwereren Isotopen hin stark zu. Von Spontanspaltung betroffen sind sowohl die Isotope mit ungerader als auch gerader Neutronenzahl. Insbesondere weist ²⁴⁰Pu eine ca. 70.000-fach höhere Spontanspaltungsrate als ²³⁹Pu auf. Da die bei der Spontanspaltung freigesetzten Neutronen bei einer Atombombe zu einer Frühzündung und stark reduzierten Explosionswirkung führen können, ist ²⁴⁰Pu für Kernwaffen unerwünscht. Waffenplutonium enthält möglichst wenig ²⁴⁰Pu, ist aber nie ganz frei davon.

Alle Plutoniumisotope, auch solche mit gerader Neutronenzahl, lassen sich durch schnelle Neutronen oder Neutronen mit hoher Energie (MeV) spalten, und sind daher prinzipiell für den Bau von Kernwaffen geeignet. Die Spaltbarkeit von Plutonium durch schnelle Neutronen nimmt mit zunehmender Neutronenzahl jedoch ab.

Die für den Atombombenbau relevante kritische Masse wird sowohl von der Spaltbarkeit mit langsamen als auch mit schnellen Neutronen bestimmt, da aufgrund der vergleichsweise geringen Spaltquerschnitte mit schnellen Neutronen (1 bis 3 Barn) in einer Atombombe ein Teil der Neutronen nach zahlreichen Stößen mit Plutonium-Kernen doch auf thermische Energien abgebremst wird, bevor er eine erneute Kernspaltung auslösen kann. Bei ²³⁶Pu beträgt die kritische Masse 8,04–8,42 kg, bei ²³⁷Pu, welches sich sowohl durch schnelle wie langsame Neutronen sehr gut spalten lässt, nur 3,1 kg. Beide vorgenannten Isotope werden jedoch wegen ihrer hohen Spontanspaltungsrate, kurzen Halbwertszeit, hohen Wärmeproduktion und komplizierten Gewinnung nicht für Kernwaffen verwendet. Das für Nuklearbatterien verwendete ²³⁸Pu hat nach Berechnungen eine kritische Masse von ca. 9,04–10,31 kg. Beim wichtigsten Isotop für Kernwaffen, ²³⁹Pu, beträgt die kritische Masse (wie auch bei allen anderen Angaben ohne Moderator und/oder Reflektor) 10 kg. Bei ²⁴¹Pu sind es schon 12,27–13,04 kg.

§ 2 Abs. 1 des Atomgesetzes (Deutschland) ordnet die Plutonium-Isotope ²³⁹Pu und ²⁴¹Pu als „besondere spaltbare Stoffe“ den Kernbrennstoffen zu.

Zwei der vielen Möglichkeiten für die neutroneninduzierte Kernspaltung von ²³⁹Pu:

$\mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 56}^{144}Ba\ +\ _{38}^{94}Sr\ +\ 2\ _{0}^{1}n}$

$\mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 51}^{130}Sb\ +\ _{\ 43}^{107}Tc\ +\ 3\ _{0}^{1}n}$

Diese Kernreaktionen bzw. Spaltprozesse unterliegen einer statistischen Wahrscheinlichkeit.

Verwendung

Plutonium ist neben Thorium und Uran ein Kernbrennstoff. Das künstliche Element hatte vor der Nutzung der Kernenergie bzw. deren Erforschung praktisch nicht existiert. In natürlichen Vorkommen lässt es sich nur in Spuren finden, die nicht erschlossen werden können.

Plutonium hat nur den Zweck, für Kernenergie zu zivilen oder militärischen Zwecken eingesetzt zu werden. Die erste Bombe, die Plutonium verwendete, wurde beim Trinity-Test gezündet. Für die Herstellung von Plutonium war man nicht auf die aufwendige Technologie der Urananreicherung angewiesen, die um 1940 noch nicht ausgereift war. Allerdings mussten die chemischen Prozesse und andere Herstellungsverfahren erst entwickelt werden. Uran mit einer hohen Konzentration des spaltbaren Isotops 235 (also hochangereichertes Uran, HEU) wurde ebenfalls in den 1940er Jahren in riesigen Gasdiffusionsanlagen produziert.

In kommerziellen Kernkraftwerken wird Plutonium-239 zu etwa einem Drittel neben dem spaltbaren Uran-235 gespalten und liefert somit einen Beitrag zur Energiegewinnung. Eine weitere Anwendung ist, dass Plutonium-238 für Radionuklidbatterien benötigt wird. Schätzungen zufolge wurden im Jahr 2003 etwa 1.855 Tonnen Plutonium produziert bzw. existierten. Außerdem schätzt man, dass das Testen von Kernwaffen in der Atmosphäre zu rund einer Tonne Plutonium in der Umwelt geführt hat. Durch das LTBT-Moratorium wurden diese Tests unter die Erde verlegt.

Verwendete Isotope

• ²³⁹Pu: Als abgetrenntes Metall für Kernwaffen und als Begleitatom als Teil von Kernbrennstoffen im laufenden Kernreaktor (Energieproduktion); ²³⁹Pu ist immer mit ²⁴⁰Pu und noch geringeren Mengen von ²⁴¹Pu und ²⁴²Pu verunreinigt.
• ²³⁸Pu: Aus Neptunium erbrütetes ²³⁸Pu ist mit anderen Plutoniumisotopen verunreinigt. Nur über den Umweg von Curium ²⁴²Cm erbrütetes ²³⁸Pu ist frei von ²³⁶Pu.

Verwendung in Kernkraftwerken

Beim Betrieb von Kernreaktoren entsteht aus dem Uran-238 in den Brennelementen Plutonium. Pu-239 sowie Pu-241 werden entlang des Betriebs gespalten. Bei Brennstoffwechsel kann Plutonium nach Abtrennung in einer Wiederaufarbeitungsanlage zusammen mit schwachangereichertem Uran zu MOX-Brennelementen für Leichtwasserreaktoren verarbeitet und somit wiederverwertet werden.

Grundlegend haben die Legierungen von Plutonium haben keinen anderen konstruktiven oder industriellen Verwendungszweck. Wenn sie als Brennelement genutzt werden, dann in kleineren Prozentmengen zusammen mit Uran als Mischoxid (MOX). Es kann aufgrund seiner erhöhten Anzahl freiwerdender Neutronen im Falle einer Kernspaltung in schnellen Reaktoren verwendet werden.

Die Hoffnung, mehr Kernmaterial zu erzeugen, als verbraucht wird, ließ sich jedoch nur in ganz wenigen Kernreaktorsystemen umsetzen, vgl. die BN-Reaktorbaureihe aus Russland. Diese Reaktoren werden jedoch zum „verbrennen“ von Plutonium aus dem Kalten Krieg verwendet, um das Material zu vernichten, vgl. auch das Plutonium Management and Disposition Agreement.

Dort erhöht die Verwendung von MOX anstelle von Uranbrennstoff bestimmte Betriebsrisiken geringfügig: der Anteil der verzögerten Neutronen (siehe Kritikalität) nimmt um einige Prozent ab und der schnelle Neutronenfluss – der Strahlenschaden am Reaktordruckbehälter bewirkt – nimmt um wenige Prozent zu. Ein MOX-Brennstoff mit etwa zehnfach höherer Anreicherung der spaltbaren Isotope wird in Brutreaktoren verwendet. Kernreaktoren und Kernkraftwerke müssen für MOX-Brennstoff ausgelegt bzw. zugelassen werden.

Militärische Verwendung

Für Kernwaffen geeignetes Waffenplutonium (englisch weapons grade) muss möglichst viel ²³⁹Pu und möglichst wenig ²⁴⁰Pu enthalten. Ab einem Gehalt von etwa 92 % ²³⁹Pu gilt Plutonium als waffenfähig. Nach Ansicht der IAEO ist jedoch jedes Plutonium grundsätzlich geeignet für militärische Zwecke. Als „Reaktorplutonium“ wird Plutonium bezeichnet, das im Normalbetrieb von Kernkraftwerken anfällt; es kann bis zu 31 % ²⁴⁰Pu enthalten.

²⁴⁰Pu ist nicht durch thermische Neutronen spaltbar, zerfällt aber durch Spontanspaltung. Dabei werden Neutronen frei, die eine unerwünschte Frühzündung der Plutoniumbombe bewirken können und die Berechnung der Sprengkraft ungenau machen. Militärisch ist eine exakte Zündung und präzise Voraussage der Sprengkraft erwünscht, d. h. nur waffenfähiges Plutonium kommt zum Einsatz. Auch die Zerfallswärme des Alphastrahlers ²³⁸Pu wirkt störend.

Für die Produktion von Waffenplutonium in Kernreaktoren ist eine möglichst kurze Bestrahlungszeit erforderlich: je länger diese ist, desto mehr ²⁴⁰Pu entsteht aus ²³⁹Pu. Deshalb lässt sich aus einem Kernreaktor mit laufender Wärme- bzw. Stromerzeugung Waffenplutonium sinnvoll nur gewinnen, wenn es sich um einen Druckröhrenreaktor (Reaktortypen z. B. CANDU oder RBMK) handelt, denn nur bei ihm können einzelne Brennelemente bei laufendem Betrieb ausgetauscht werden. Die Mehrzahl der Produktionsreaktoren waren graphitmoderierte Reaktoren oder „Konverter“, speziell die Reaktoren in Hanford und Mayak. Russland erzeugte sein Waffenplutonium in speziell dafür gebauten Reaktoren des Typs ADE; der letzte von ihnen wurde nach 46 Jahren Betrieb 2010 stillgelegt. Grundlegend haben die Staaten im Besitz von Kernwaffen bzw. Atomstreitkräften ihre Produktion ab 1990 heruntergefahren und ihre Kernwaffenkomplexe (vgl. auch Kernwaffenprogramme) aus dem Kalten Krieg in einen Laborbetrieb umgebaut.

Dagegen befanden sich in den deutschen Kernkraftwerken alle Brennelemente zusammen im Reaktordruckbehälter, und eine Brennelemententnahme erforderte ein aufwändiges Herunterfahren („Abfahren“) der Anlage, was nicht geheim zu halten gewesen wäre (z. B. keine Wasserdampfwolken über den Kühltürmen mehr).

Die USA und Russland haben sich 2010 im Plutonium Management and Disposition Agreement (PDMA) darauf geeinigt, ihre Bestände an Waffen-Plutonium um je 34 Tonnen zu verringern. Ein ergänzendes Protokoll unterzeichneten die Außenminister Hillary Clinton und Sergei Lawrow in Washington. Russland kostet dies 2,5 Mrd. Dollar; davon übernehmen die USA 400 Mio. Dollar. Der militärischen Verwendung entzogen werden kann das Plutonium durch Endlagerung nach einer Vermischung mit anderen Nuklearabfällen oder durch eine Umarbeitung in MOX-Elemente.

Ein PuO₂-Pellet (²³⁸Pu) glüht durch den eigenen radioaktiven Zerfall

Radionuklidbatterien für die Raumfahrt

→ Hauptartikel: Radionuklidbatterie

Eine ausreichend große, kompakt angeordnete Menge von ²³⁸Pu erhitzt sich durch ihren eigenen radioaktiven Zerfall bis zur Weißglut und gibt dabei nur sehr geringe Mengen von Gammastrahlung ab, sodass man mit der dünnsten Abschirmung im Vergleich zu fünf anderen potenziell geeigneten Nukliden auskommt. Es wird deshalb in oxidierter Form als chemisch träges Plutoniumdioxid zur Erzeugung elektrischer Energie in Radionuklidbatterien verwendet.

Radionuklidbatterien werden wegen ihrer Langlebigkeit in der interplanetaren Raumfahrt eingesetzt, vor allem für Raumsonden, die das äußere Sonnensystem erreichen sollen. Solarzellen würden in großer Sonnenentfernung nicht mehr genug Energie liefern. Eingebaut wurden solche Nuklearbatterien beispielsweise in die Voyager-Sonden, Cassini-Huygens (1997–2005 zu Saturn) oder New Horizons (2006–2015 zu Pluto); ebenso in Perseverance (2020 Marsrover). Früher wurden Radionuklidbatterien mit Plutonium ²³⁸Pu auch in erdumkreisenden Satelliten verwendet.

1964 verglühte der Satellit Transit 5BN-3 der USA mit einer Radionuklidbatterie an Bord bei einem Fehlstart etwa 50 Kilometer über dem Pazifik. Der Satellit enthielt knapp ein Kilogramm Plutonium, welches sich anschließend messbar auf der gesamten Nordhalbkugel verteilte.

1996 stürzte die russische Sonde Mars 96, an der Deutschland beteiligt war, mit 270 Gramm Plutonium an Bord ab – in den Pazifik oder auf das südamerikanische Festland.

²³⁶Pu-freies ²³⁸Pu wurde in den 1970er Jahren in Herzschrittmachern verwendet, und wurde über den Umweg der wenig ergiebigen und deshalb teuren Erbrütung von Curium ²⁴²Cm produziert. Dieses entsteht durch einen Neutroneneinfang von Americium ²⁴¹Am, das wiederum aus ²⁴¹Pu gewonnen wird.

$\mathrm {^{241}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow[{14,35\ a}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16,02\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm\ \left({\xrightarrow[{162,8\ d}]{\alpha }}\ _{\ 94}^{238}Pu\right)}$

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Neutronenquelle

→ Hauptartikel: Neutronenquelle

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

Verbindungen

20 Mikrogramm reines Plutoniumhydroxid (Pu(OH)₃) im Kapillarrohr, gewonnen als Teil von radiochemisch-analytischen Studien, September 1942

→ Kategorie Plutoniumverbindung

Oxide

Die stabilste und wichtigste Sauerstoffverbindung ist Plutoniumdioxid (PuO₂). Diese Verbindung ist ein Feststoff mit hoher Schmelztemperatur. Es ist gegenüber Wasser stabil und nicht in diesem löslich. Plutonium wird daher in Radionuklidbatterien und Kernkraftwerken in Form dieses Oxids verwendet. Neben Plutoniumdioxid sind auch Plutonium(III)-oxid Pu₂O₃ und Plutonium(II)-oxid PuO bekannt.

Halogenide

Mit den Halogenen Fluor, Chlor, Brom und Iod bildet Plutonium zahlreiche Verbindungen. Von allen Halogenen ist eine entsprechende Plutoniumverbindung in der Oxidationsstufe +3 bekannt. Daneben existieren noch Plutonium(IV)-fluorid, Plutonium(IV)-chlorid und Plutonium(VI)-fluorid.

Oxidationszahl	F	Cl	Br	I
+6	Plutonium(VI)-fluorid PuF6 rotbraun
+4	Plutonium(IV)-fluorid PuF4 rotbraun	Plutonium(IV)-chlorid PuCl4
+3	Plutonium(III)-fluorid PuF3 violett	Plutonium(III)-chlorid PuCl3 grün	Plutonium(III)-bromid PuBr3 grün	Plutonium(III)-iodid PuI3 grün

Boride

Es gibt vier bekannte Plutoniumboride. Sie werden genutzt, um die Neutronenemission von Plutoniummaterial und damit die Gefahr einer Kritikalität zu vermindern.

Metallorganische Verbindungen

Analog zu Uranocen, einer Organometallverbindung in der Uran von zwei Cyclooctatetraen-Liganden komplexiert ist, wurden die entsprechenden Komplexe von Thorium, Protactinium, Neptunium, Americium und auch des Plutoniums, (η⁸-C₈H₈)₂Pu, dargestellt.

Analytik

Plutonium war anfangs Gegenstand einer Vielzahl von radiochemischen Untersuchungsverfahren (siehe auch der Abschnitt zur Entdeckung und die Fachliteratur), bevor komplexe Messtechnik bzw. instrumentelle Verfahren dieses Feld ergänzten.

Instrumentelle quantitative Analytik von Plutonium

α-Spektrometrie

Plutonium wird häufig über die α-Strahlung der Isotope ^239(40)Pu und ²³⁸Pu nachgewiesen. Eine direkte Analyse ist oft nicht möglich, sodass vorangehende Separationstechniken durchgeführt werden müssen. Häufig kommt dabei die Ionenaustauschchromatographie zum Einsatz. Mit Hilfe der α-Spektrometrie konnte ^239(40)Pu in maritimen Sedimenten mit einer Nachweisgrenze von 1 mBq/g bestimmt werden.

Elementmassenspektrometrie (MS)

Für die Plutoniumbestimmung kommen in der Massenspektrometrie die ICP-Ionisierung (ICP, induktiv-gekoppeltes Plasma, Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) und die AMS (Beschleuniger-Massenspektrometrie) zum Einsatz. Im Vergleich zur ICP-MS ist die AMS sensitiver aber apparativ aufwändig und kostenintensiv, da ein Teilchenbeschleuniger zur Ionisierung verwendet werden muss. Mit der AMS konnte am VERA-System in Wien eine Nachweisgrenze von etwa 10⁶ Atomen des Isotops ²³⁹Pu erreicht werden. Mit Hilfe der ICP-Technik konnte eine Nachweisgrenze von 10⁸ Atomen ²³⁹Pu erzielt werden, was einer Aktivität von 0,1 mBq entspricht.

Optische Emissionsspektrometrie (OES)

Plutonium kann auch mit einer laserbasierten Variante der optischen Emissionsspektrometrie (OES) nachgewiesen werden. Bei der Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) nutzt man kurze Laserimpulse zur Verdampfung und Emissionsstimulation der Probe. Zur Emissionsmessung steht ein breites Spektrum an Linien zur Verfügung, wobei aufgrund der besten Intensitätswerte meist auf die Linien bei 295,16 nm, 300,06 nm und 363,22 nm zurückgegriffen wird. Mit dieser Technik konnte eine Nachweisgrenze von 10⁻⁸ g/mL erzielt werden. Die gleiche Nachweisgrenze konnte mit der optischen Emissionsspektrometrie mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) erzielt werden.

Laserinduzierte photoakustische Spektrometrie (LIPAS)

Bei der LIPAS-Technik wird ein hochenergetischer Laserimpuls in die Probelösung geschickt, welcher eine photoakustische Welle induziert. Mit Hilfe eines piezoelektrischen Detektors wird die Amplitude dieser Welle bestimmt. Mit dieser Technik konnte sechswertiges Plutonium mit einer Nachweisgrenze von 0,5 µg/mL nachgewiesen werden.

Plutoniuminventar

Siehe auch: Plutonium Management and Disposition Agreement

Deutschland meldete zum Ende des Jahres 2009 einen Plutoniumbestand von 5,4 t separiertem unbestrahltem Plutonium in frischen MOX-Brennelementen oder anderen gefertigten Produkten an die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO). Hinzu kamen 86,9 t Plutonium in bestrahlten Brennelementen, welche an den deutschen Reaktoren gelagert wurden sowie weitere 5,9 t in bestrahltem Brennstoff, der an anderen Standorten gelagert wurde.

Die Schweiz berichtete an die IAEO zum Ende des Jahres 2010 einen Plutoniumbestand von weniger als 50 kg separiertem Plutonium. Hinzu kamen 13 t Plutonium in bestrahlten Brennelementen, welche an den Reaktorstandorten gelagert wurden sowie weitere 4 t in bestrahltem Brennstoff, der an anderen Standorten gelagert wurde.

Das weltweite Inventar an Plutonium ist zum Stand des Jahres 1999 angegeben. Die Angaben beruhen auf Schätzungen des Department of Energy (DOE). Die Zahlen in Klammern geben den aus dem abgebrannten Brennstoff extrahierten Plutoniumanteil an. Für Kasachstan wurde laut des Bulletin of the Atomic Scientist die Plutoniumqualität durch das Department of Energy falsch klassifiziert und sollte kommerziell sein. Waffenfähiges Plutonium (weapons grade) enthält weniger als 7 % des Isotops ²⁴⁰Pu. Plutonium kommerzieller Qualität (commercial grade) setzt sich aus Brennstoffplutonium (fuel grade) mit 7 bis 18 % ²⁴⁰Pu und Reaktorplutonium (reactor grade) mit mehr als 19 % ²⁴⁰Pu zusammen.

Das DOE veröffentlichte den US-Bestand offiziell zuletzt bis zum Jahr 2009.

Staat (Stand 1999)	waffenfähig (in t)	kommerzielle Qualität (in t)
Argentinien	0	6
Belgien	0	23–31
Brasilien	0	0,6
Großbritannien	7,6	98,4 (51)
Volksrepublik China	1,7–2,8	1,2
Frankreich	6–7	151–205 (70)
Deutschland	0	75–105 (17)
Indien	0,15–0,25	6
Israel	0,3–0,5	0
Japan	0	119–262 (21)
Kasachstan	2–3*	0
Nordkorea	0,025–0,035	0
Russland	140–162	65 (30)
USA	85	257,2 (14,5)
Gesamt	242,3–267,4	802,4–1037,4 (≈203,5)

Im Jahr 2000 haben die USA und Russland das Plutonium Management and Disposition Agreement (PMDA) vereinbart, um jeweils 34 t Plutonium zu entsorgen oder zu entschärfen. Siehe dort für die laufenden Entwicklungen zu dem Abkommen.

Proliferationsrisiko

Ein Problem in diesem Zusammenhang ist, dass das Material sicherheitstechnisch als „kritisch“ im Sinne der Proliferation gilt, d. h., es unterliegt Regulierungen der Besitzerländer und der weltweiten Kernmaterialüberwachung, z. B. durch die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) und Partnerinstitutionen.

Die Weitergabe von spaltbarem Material (wie ²³⁹Pu und ²⁴¹Pu) sowie von Materialien, die zu ihrer Herstellung geeignet sind, an Staaten, die keine Kernwaffen besitzen, unterliegt laut Absatz III des Atomwaffensperrvertrages der Kontrolle der IAEO. In Deutschland regelt das Atomgesetz den Umgang mit spaltbarem Material. Es bestimmt, wer unter welchen Bedingungen Plutonium in Deutschland befördern und besitzen darf.

Produktionsnachweis

Forscher des Sandia National Laboratories wollen die beim Betazerfall von Spaltprodukten emittierten Antineutrinos dazu verwenden, die Produktion von Plutonium in Kernreaktoren zu messen, damit die IAEO nicht mehr auf Schätzungen angewiesen ist und kein Plutonium unbemerkt für den Bau von Atomwaffen abgezweigt werden kann. Wegen der extrem hohen Produktionsrate von Antineutrinos in Kernreaktoren würde schon ein Detektor mit 1 m³ Detektorflüssigkeit vor dem Kernkraftwerk reichen.

Toxizität

Siehe auch: Radiotoxizität, Strahlenbiologie und Strahlenphysik

Frühe Untersuchungen

Die Untersuchung des Elements erfolgte frühzeitig im Rahmen der Erforschung der Radioaktivität, wie es damals bei anderen radioaktiven Elementen auch der Fall war. Ziel war es, die Auswirkungen auf die Gesundheit zu ermitteln. Die Arbeitsbedingungen mussten sicher sein, wobei Plutonium zwar in einem Handschuhkasten analytisch untersucht werden konnte, das Einatmen oder die Aufnahme durch die Haut des metallischen Elements jedoch zwingend vermieden werden musste, falls das Metall vorlag oder in Maschinen bearbeitet wurde. Plutonium ist zwar gefährlich, jedoch kein chemisches Gift, wie z. B. die Nervengifte oder andere Kampfstoffe. Kurz gesagt: Cyanid wäre innerhalb von Minuten tödlich, Plutonium kann erst nach Jahren bis Jahrzehnten zu Krebs führen. In diesem Zusammenhang sei die seit Jahrzehnten andauernde Diskussion über den „heißen Partikel“ erwähnt.

AEC Testpersonen

Zunächst wurden Versuche an Tieren (Ratten, Hunde) durchgeführt. Aufgrund unschlüssiger Ergebnisse gab die Atomic Energy Commission (AEC) ab 1945 eine Studie an Menschen in Auftrag. Einer der beteiligten Nuklearmediziner war Joseph Hamilton. Es wurden 18 Personen mit verschiedenen Proben Plutonium injiziert. Alle Personen waren bereits unheilbar krank. Eine von ihnen war Albert Stevens, dem die größte Dosis verabreicht wurde. Stevens wurde aufgrund seiner Krankheit eine hohe Sterbewahrscheinlichkeit zugeschrieben. Er überlebte jedoch bis 1966, im Alter von 79 Jahren starb er an einer Herzkrankheit. Weitere acht der 18 Patienten starben innerhalb von zwei Jahren an ihrer vorherigen Krankheit, jedoch niemand aufgrund des Experiments. Hamilton empfahl der AEC, die Experimente einzustellen, da sie einen „Hauch von Buchenwald“ hatten.

Manhatten-Projekt Arbeiter

Noch innerhalb des Manhattan-Projekts fand Plutoniummetall Anwendung. Arbeiter, die das Material unter extrem rudimentären Sicherheitsstandards verarbeiteten (Reinigung, Fluorierung, Metallreduktion, Rückgewinnung und Fabrikation), waren einer starken Exposition ausgesetzt. 26 ausgewählte Personen, auch bekannt als die „Clubmitglieder“, wurden mittels Urinprobe auf Plutonium untersucht. Man schätzt, dass sie mit 0,1 bis 1,2 µg Plutonium kontaminiert waren. Die Personengruppe löste sich nach dem Manhattan-Projekt zunächst auf. Ein Mediziner verfolgte jedoch ihre Entwicklung über Jahrzehnte. Im Jahr 1979 wurde eine 32-jährige Studie über die „Clubmitglieder“ veröffentlicht: Zwei Personen waren gestorben. Einer starb 1959 an einem Herzinfarkt, ein weiterer 1975 bei einem Verkehrsunfall. Die 24 Überlebenden hatten außer zwei Fällen von Hautkrebs, „die keinerlei Vorgeschichte oder Grundlage aufweisen, welche sie mit einer Plutoniumexposition in Verbindung bringen würde“, keine anderen Krebserkrankungen erlitten. Neun von ihnen hatten nie geraucht. Vier hatten ihr sechzigstes Lebensjahr erreicht, einer das 69.

Britischer Wissenschaftler

Ein britischer Wissenschaftler, der in Harwell und Dounreay mit Plutonium arbeitete, berichtete, dass im Jahr 2004 rund 1.200 Personen, die einer Plutonium-Exposition ausgesetzt waren, überwacht wurden, ohne dass bisher detektierbare Effekte auftraten. Auf die Frage, ob die Aufnahme von Plutonium in den Körper gefährlicher sei als jegliche Radioaktivität, die wir bereits in uns tragen, antwortete er: „Radium ist in unserer Umwelt zwanzigmal gefährlicher als die gleiche Masse Plutonium.“ Es gebe keine Hinweise darauf, dass je ein Mensch an den Folgen von Plutonium-Radioaktivität gestorben oder erkrankt sei.

Radiotoxizität

Plutonium wirkt radiotoxisch im Körper aufgrund seiner sehr hohen spezifischen Aktivität von 2,3 GBq/g bzw. 0,0622 Ci/g, woraus sich für Plutonium-239 $\approx$ 140 · 10⁶ α-Zerfälle pro Minute pro Milligram (mg) ergeben. Bereits ab Mengen über 1 μg muss in speziellen dafür geeigneten Handschuhkasten gearbeitet werden. Die hohe Ionisierung von $\approx$ 10⁷ Ionenpaaren pro α-Teilchen auf kurzer Reichweite führt zu einer beträchtlichen Ionisierungsdichte, was hohen Schaden an biologischen Zellen oder Gewebe verursachen kann. Die Reichweite der α-Kerne ist in Luft $\approx$ 3,6 cm und im Gewebe $\approx$ 40 μ. Diese kurze Reichweite ist mit der hohen Zahl an erzeugten Ionenpaaren schädigend. Plutonium oder andere starke α-strahlende Nuklide dürfen deshalb auch in nur mikroskopischen Mengen auf keinem Fall inkorporiert werden. Speziell muss das Einatmen (Lunge) und Hautkontakt vermieden werden. Bereits die Inhalation von 40 Nanogramm ²³⁹Pu reicht aus, um den Grenzwert der Jahres-Aktivitätszufuhr für Inhalation und Ingestion zu erreichen. Die von Plutonium ²³⁹Pu ausgesendete α-Strahlung wird zwar außerhalb des Körpers bereits durch die oberste Hautschicht aus abgestorbenen Zellen abgeschirmt, diesen Schutz gibt es aber nicht bei Inkorporation, beispielsweise durch Inhalation von Plutonium enthaltenden Staub. Es wird auch als „Knochensucher“ bezeichnet, da es sich an Knochen anlagert. Die schädliche Wirkung rührt von der ionisierenden Strahlung (hier α, nicht γ). Man beachte jedoch, das ²⁴¹Pu auch einen β^- Betastrahlungsanteil beisteuert. Der interessierte Leser mag auch die spezifische Aktivität von Polonium-210 nachschlagen, welche um ein Vielfaches höher liegt als die von Plutonium.

Würde es zu einer Inkorporation von Plutonium kommen, dann würde es laut dem toxikologischen Profil der Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) nur sehr langsam über Urin und Stuhl aus dem Körper ausgeschieden. Gelangte heute Plutonium in die Lunge, würde ein Großteil davon 30 bis 50 Jahre später immer noch in ihrem Körper verweilen. Je nachdem, wie viel Plutonium sich im Körper befindet und wie lange es dort verbleibt, kann sich Krebs entwickeln. Am wahrscheinlichsten entwickeln sich Lungen-, Knochen- und Leberkrebs. Diese Krebsarten traten bei Arbeitnehmern auf, die deutlich höheren Plutoniumkonzentrationen in der Atemluft ausgesetzt waren als die meisten Menschen.

Aufgrund fehlender geeigneter Daten zu den Auswirkungen einer Plutoniuminhalation auf die Gesundheit von Menschen oder Tieren wurden keine akuten, intermediären oder chronischen Minimales Risiko Level (MRL)-Werte für Plutonium abgeleitet. MRLs (Maximale Referenzmengen) geben an, wie viel eines Gefahrstoffs ein Mensch täglich ohne gesundheitliche Risiken (ausgenommen Krebs) aufnehmen kann. Es finden sich in der Literatur jedoch einzelne Daten. Die maximal zulässige Konzentration in Luft für eine 40-Stunden-Woche ist etwa 10⁻¹² μCi/cc.

Empfehlungen für die Grenzwerte für die Arbeit mit ionisierender Strahlung und nuklearem Material werden von der International Commission on Radiological Protection (ICRP) gegeben. Die U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) empfiehlt 0,1 rem/Jahr für die generelle Öffentlichkeit und 0,5 rem/Jahr für Arbeiter im Umfeld der Kerntechnik.

Für weitere Informationen zu dem Thema Radiotoxizität wird auf die Spezialliteratur verwiesen. Siehe auch die Informationen der Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) des Centers for Disease Control and Prevention (CDC).

Weitere Untersuchungen

Nach Untersuchungen von Arnulf Seidel vom Institut für Strahlenbiologie des Kernforschungszentrum Karlsruhe führen kleine Dosen ²³⁹Pu im Langzeitversuch erst nach frühestens zehn Jahren bei Hunden zu Knochenkrebs, wobei es eine fünfmal größere Gefährlichkeit als Radium zeigt. Der Grund dafür kann eine ungleichmäßige Verteilung des Plutoniums im Skelett sein, die zu punktuell stark bestrahlten Stellen führt.

Der Kernphysiker Bernard Cohen kam über seine Modellrechnung 1977 zu dem Ergebnis: „Die Schlussfolgerungen zur Toxizität von Plutonium besagen, dass mit einem Krebsfall pro 200 μg inhaliertem Reaktor-Plutonium (2,5 g/Ci) oder pro 1,0 g oral aufgenommenem Plutonium zu rechnen ist.“

Im Jahr 2020 wurden umfangreiche Ergebnisse aus Mayak veröffentlicht. In Mayak wurden bis in die 1990er Jahre waffenfähiges Plutonium hergestellt.

Metallische Wirkung

Plutonium ist wie viele andere Schwermetalle giftig (Schwermetallvergiftung) und schädigt besonders die Nieren. Es bindet ebenfalls an Proteine im Blutplasma und lagert sich unter anderem in den Knochen und der Leber ab. Die für einen Menschen tödliche Dosis liegt wahrscheinlich im zweistelligen Milligrammbereich, für Hunde beträgt die LD₅₀-Dosis 0,32 mg/kg Körpergewicht.

Plutonium in der Umwelt

Plutonium in der Umwelt, siehe Radioökologie und die Spezialliteratur dazu.

Strahlungskinetik

Das wie auch ²⁴⁰Pu in Kernreaktoren immer mitgebildete ²⁴¹Pu zerfällt mit etwa 14 Jahren Halbwertszeit in ²⁴¹Am, das große Mengen relativ weicher Gammastrahlung abgibt. In gelagertem Plutonium erreicht die Konzentration von ²⁴¹Am nach etwa 70 Jahren ihren Höchststand. Weil die Plutoniumisotope selbst kaum Gammastrahlung abgeben, nimmt diese Strahlung (und damit die Dicke der benötigten Abschirmung) wegen des gebildeten Americiums zunächst deutlich zu, um dann nach etwa 70 Jahren Lagerung wieder abzunehmen. Wegen der längeren Halbwertzeit von ²⁴¹Am (432 Jahre) erfolgt diese Abnahme deutlich langsamer als der Anstieg.

Sicherheitshinweise

Einstufungen nach der CLP-Verordnung liegen nicht vor, obwohl es gefährlich ist. Beim Umgang mit Plutonium ist vor allem wegen seiner starken Radioaktivität äußerste Vorsicht geboten. Da die α-Strahlung des Plutoniums nur auf kurze Reichweiten wirkt, ist besonders darauf zu achten, dass das Metall nicht in den Körper gelangt (Inkorporation).

Da während des Zerfalls Wärme entsteht, muss diese abgeführt werden. Dazu bewahrt man Plutonium am besten unter trockener zirkulierender Luft auf. Feinverteiltes Plutonium ist pyrophor.

Kritische Masse

Bei der Verarbeitung und in Prozesstechnik (vgl. Wiederaufarbeitung) gelten strengen Vorgaben in Hinblick auf die kritische Masse. Es muss unbedingt verhindert werden, dass eine kritische Masse entsteht, die zur nuklearen Kettenreaktion und damit zu unkontrollierter Energie- und Strahlungsfreisetzung führt. Die Unterkritikalität kann entweder durch ausreichend kleine Massen oder eine sichere Geometrie erreicht werden. Bei dieser ist die Oberfläche groß genug, so dass mehr Neutronen verloren gehen als bei neutroneninduzierten Spaltungen entstehen. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz neutronenabsorbierender Materialien wie Bor, die diese Neutronen vor möglichen neuen Spaltungsreaktionen abfangen. Grundsätzlich ist zu beachten, dass die kritische Masse durch die Anwesenheit bestimmter Stoffe, insbesondere Wasser, aufgrund derer neutronenmoderierenden oder -reflektierenden Wirkungen auch stark gesenkt werden kann.

Literatur

Fachliteratur

• Siehe die Einzelnachweise, und
• E. Grison: Les débuts de la métallurgie du plutonium en France. In: Journal of Nuclear Materials. Band 100, Nr. 1–3, September 1981, S. 20–25, doi:10.1016/0022-3115(81)90514-6 (französisch). 
• Cyril Stanley Smith: Some recollections of metallurgy at Los Alamos, 1943–1945. In: Journal of Nuclear Materials. Band 100, Nr. 1–3, September 1981, S. 3–10, doi:10.1016/0022-3115(81)90511-0 (englisch). 
• S. G. Srinivasan, S. S. Hecker, P. S. Follansbee, M. I. Baskes: Dr Smith goes to Los Alamos: Cyril Stanley Smith, plutonium metallurgy, and the Manhattan project. In: Resonance. Band 11, Nr. 6, Juni 2006, S. 8–25, doi:10.1007/BF02838878 (englisch). 
• Plutonium Handbook von O. J. Wick (Ed.) 1967 in zwei Bänden und Neuauflage ab 2022 in fünf Bänden. Autorenteam: Sig Hecker u. a.
• Mieczyslaw Taube: Plutonium. The Macmillan Company (Pergamon Press), New York 1964 (englisch, Online). 
• Günter Herrmann: Five Decades Ago: From the “Transuranics” to Nuclear Fission. In: Angewandte Chemie International Edition in English. Band 29, Nr. 5, Mai 1990, S. 481–508, doi:10.1002/anie.199004811 (englisch). 
• Darleane C. Hoffman: The Transuranium Elements: From Neptunium and Plutonium to Element 112. LLNL, Livermore, CA 1996 (englisch, Online). 
• Kevin T. Moore, Gerrit Van Der Laan: Nature of the 5f states in actinide metals. In: Reviews of Modern Physics. Band 81, Nr. 1, 6. Februar 2009, S. 235–298, doi:10.1103/RevModPhys.81.235 (englisch). 
• David L. Clark, Siegfried S. Hecker, Gordon D. Jarvinen, Mary P. Neu: Plutonium. In: Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Springer Netherlands, Dordrecht 2010, ISBN 978-94-007-0210-3, S. 813–1264, doi:10.1007/978-94-007-0211-0_7 (englisch). 
• Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Springer Netherlands, Dordrecht 2011, ISBN 978-94-007-0210-3, doi:10.1007/978-94-007-0211-0 (englisch). 
• David L. Clark, Franz J. Freibert, Gordon D. Jarvinen: Plutonium and Plutonium Compounds. In: Kirk-Othmer (Hrsg.): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 1. Auflage. Wiley, 2017, ISBN 978-0-471-48494-3, S. 1–49, doi:10.1002/0471238961.1612212013151819.a01.pub3 (englisch). 

Weitere Literatur

• Jeremy Bernstein: Plutonium: a history of the world’s most dangerous element (= A Joseph Henry Press Book). Joseph Henry Press, Washington, DC 2007, ISBN 978-0-309-10296-4 (englisch, Online). 
• Kate Brown: Plutopia: nuclear families, atomic cities, and the great Soviet and American plutonium disasters. Oxford University Press, Oxford New York Auckland 2013, ISBN 978-0-19-985576-6 (englisch, Online). 
• Frank Barnaby (Hrsg.): Plutonium and Security. Palgrave Macmillan UK, London 1992, ISBN 978-1-349-11695-9, doi:10.1007/978-1-349-11693-5 (englisch). 

Toxikologie

• CDC: Radioisotope Brief: Plutonium-239 (Pu-239). CDC, 17. März 2023, abgerufen am 31. Juli 2023 (englisch). 
• Harold C. Hodge, John B. Hursh, J. Newell Stannard (Hrsg.): Uranium · Plutonium Transplutonic Elements. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1973, ISBN 978-3-642-65553-1, doi:10.1007/978-3-642-65551-7 (englisch). 
• J. C. Nenot, J. W. Stather: The Toxicity of Plutonium, Americium and Curium. Pergamon Press, Oxford ; New York 1979, ISBN 978-0-08-023440-3 (englisch, Online). 

Weblinks

• Plutonium. In: RSC Periodic Table. Royal Society of Chemistry, abgerufen am 30. Januar 2025 (englisch). 

Wiktionary: Plutonium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

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