Transurane

Die Transurane oder die schweren Elemente sind die chemischen Elemente mit einer höheren Ordnungszahl als Uran (Z > 92). Bis einschließlich des Elements Lawrenciums (103), gehören sie zusammen mit Thorium (90), Protactinium (91) und Uran (92) zur Gruppe der Actinoide.

Im Periodensystem der Elemente beginnt nach dem Uran mit der Ordnungszahl 92 die Reihe der Transurane mit dem Neptunium (Element 93). Neben dem für die Kernspaltung bedeutenden Element Plutonium (94) gehören auch Americium (95), Curium (96), Berkelium (97), Californium (98), Einsteinium (99), Fermium (100), Mendelevium (101), Nobelium (102) und Lawrencium (103) sowie alle weiteren „superschweren“ Elemente (auch bekannt als Transactinoide) zu den Transuranen.

Die Transurane wurden ab den 1940er Jahren im Rahmen der Radiochemie, Kernchemie, Kernphysik und Kerntechnik umfangreich erforscht.

Eigenschaften

Alle bekannten Transurane sind radioaktiv mit Halbwertszeiten zwischen einigen 10 Millionen Jahren (selten, z. B. Plutonium-244) über Minuten bis zu Bruchteilen einer Sekunde (häufig). Einige Isotope der leichteren Transurane von Neptunium bis Curium haben Halbwertszeiten von einigen Jahrmillionen, Jahrtausenden oder Jahrhunderten. Sie entstehen beispielsweise in Kernreaktoren und machen einen Teil der langlebigen radioaktiven Abfälle aus. Element 99 und 100 wurden in der „radioaktive Asche“ durch des thermonuklearen explosiven Geräts und Tests Mike entdeckt. Die Bildung der Elemente (viz. Kernreaktion) war dem extrem hohen (und prompten) Neutronenfluss geschuldet.

Transurane, welche gleichzeitig Actinoide sind, sind chemisch sehr ähnlich zueinander und auch zu den Lanthanoiden. Diese Eigenschaft hat unmittelbar Einfluss auf die Verfahren der Trennung oder Separation dieser Elemente voneinander.

Bei der zivilen Nutzung von Kernenergie spielt die großtechnische extraktive Wiederaufarbeitung eine gewisse Rolle, wobei viele Spaltprodukte Lanthanoide sind. Die dabei auftretenden Probleme konnten jedoch durch den PUREX-Prozess und mehrfache Reinigungs- und Abtrennzyklen größtenteils gelöst werden. So kann Uran von Plutonium und den Spaltprodukten abgetrennt werden. Letztere können in weiteren geeigneten Verfahren entsorgt oder für die Endlagerung aufbereitet werden.

Die chemischen und makroskopischen physikalischen Eigenschaften der kurzlebigen schwereren Elemente sind zum Teil nur wenig bekannt, da deren Herstellung aufwendig und teuer ist und die kurze Halbwertszeit verbunden mit der Zerfallswärme Beobachtungen erschwert. Die Entdeckung längerlebiger Isotope mit höherem Neutronenüberschuss, welche von einigen Wissenschaftlern postuliert wird, könnte derartige Beobachtungen künftig erleichtern.

Erzeugung

Schematische Darstellung des Abbrands eines Brennelements in einem Leichtwasserreaktor. Es entstehen Transurane und Spaltprodukte.

Transurane lassen sich technisch aus Uran oder anderen Elementen mit hoher Ordnungszahl herstellen. Dazu werden solche Atomkerne mit Neutronen oder anderen Atomkernen in Forschungsreaktoren beschossen bzw. bestrahlt; dabei auftretende Neutroneneinfänge und anschließender Beta- und Gamma-Zerfall ergeben einige der Transurane.

Eine typische Kernreaktion, welche zu dem Transuran Plutonium-239 führt ist

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,4\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu}$

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Noch bevor Kernreaktoren verfügbar waren, wurden Teilchenbeschleuniger (Zyklotrone) genutzt. Die Elemente ab 101 wurden im Rahmen der Schwerionenforschung mit anderen Teilchenbeschleunigern entdeckt.

Aufgrund der geologisch gesehenen kurzen Halbwertszeiten kommen Transurane in der Natur nicht oder nur in Spuren vor, die durch Neutroneneinfang und nachfolgenden Beta-Zerfall des Urans entstehen. Die einzige Ausnahme bildet das Plutonium ²⁴⁴Pu, das noch aus der Entstehungszeit des Sonnensystems stammt.

Geschichte

Mendelejews Periodensystem von 1871 mit einer Lücke für Neptunium am unteren Rand, hinter Uran (U = 240)

Schon in Dimitri Mendelejews Periodensystem der Elemente von 1871 fand sich hinter Uran, dem damals schwersten bekannten Element, eine Lücke.

Über sechzig Jahre später äußerte sich Ida Noddack im Mai 1934 zu den damals bestehenden Lücken in Mendelejews Periodensystem und stellte am Ende ihrer Arbeit Überlegungen über die Möglichkeit von Transuranen an. Wenige Wochen später veröffentlichte Enrico Fermi drei Arbeiten zu diesem Thema. Noddack setzte sich im September 1934 kritisch mit der vermeintlichen Entdeckung des Elements 93 durch Fermi auseinander. In ihren Ausführungen nahm sie u. a. die Entdeckung der neutroneninduzierten Kernspaltung vorweg: „Es wäre denkbar, daß bei der Beschießung schwerer Kerne mit Neutronen diese Kerne in mehrere größere Bruchstücke zerfallen, die zwar Isotope bekannter Elemente, aber nicht Nachbarn der bestrahlten Elemente sind.“ Ungeachtet Noddacks Einwendungen verfolgten damals alle Arbeitsgruppen die Hypothese, dass bei der Bestrahlung von Uran mit Neutronen stets schwerere Elemente als Uran entstehen.

Am Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin machten sich Otto Hahn, Fritz Straßmann und Lise Meitner in dieser Zeit ebenfalls auf die Suche nach Transuranen. In jahrelanger Arbeit versuchten sie, die bei Fermis Versuchen beobachteten Vorgänge aufzuklären. Auf der Suche nach schwereren Elementen fanden sie einige Substanzen, die sie als Nachweise von Transuranen beschrieben.

Unabhängig hiervon widmeten sich von 1937 an auch Irène Joliot-Curie und Paul Savitch in Paris der Suche nach Transuranen. 1937/1938 führte ihre Arbeitsgruppe Versuche durch, bei dem ein dem Lanthan ähnliches Element freigesetzt wurde, dessen chemische Identifizierung sich als außerordentlich schwierig erwies und das sie aufgrund der damaligen Annahmen über chemische Verwandtschaften als einen möglichen Nachweis des Elements 93 deuteten. Sie hielten es für möglich, dass die entdeckte Substanz „die Kernladungszahl 93 hat und es sich bei den von Hahn, Meitner und Straßmann bisher gefundenen Transuranen um die Elemente 94 bis 97 handelt.“

Tatsächlich handelte es sich bei den von Hahn, Straßmann, Meitner, Joliot-Curie und Savitch gemachten Beobachtungen nicht um Nachweise der gesuchten Transurane, sondern um die damals noch unerkannte Kernspaltung des Urans. Zum Wissen über das später Neptunium genannte chemische Element trugen ihre Forschungen daher nur vergleichsweise wenig bei, da sie die zahlreichen bei der Kernspaltung von Uran entstehenden Spaltprodukte für Nachweise der gesuchten Transurane hielten und in ihren Publikationen auch als solche beschrieben.

Einige Transurane, speziell das Plutonium, wurden ab 1942 durch Forscher um Glenn T. Seaborg (vgl. Metallurgical Project des Manhattan-Projekt und danach als Teil der Kernforschung der Atomic Energy Commission) hergestellt und charakterisiert; Seaborg erhielt dafür 1951 den Nobelpreis für Chemie. Die Nachweise und chemischen Eigenschaften der Elemente wurden durch die Radiochemie erbracht. Die metallisch-physikalischen Eigenschaften waren Teil einer umfangreichen Metallurgieforschung die bis heute andauert.

Ursprünglich war Transuran eine kürzere Bezeichnung für ein künstliches superschweres Element. Das in winzigsten Spuren vorkommende Plutonium-244 aus der Entstehungszeit des Sonnensystems wurde erst 1971, lange nach der Prägung des Begriffes Transuran, entdeckt.

Siehe auch

• JRC Karlsruhe
• Kernbrennstoff
• Liste der Isotope
• Nuklidkarte
• Periodensystem
• Seltene Erden
• Transuranabfall

Literatur

Siehe auch: Radiochemie

Fachartikel oder Aufsätze

• G T Seaborg: Transuranium elements: A half century. August 1990 (englisch, osti.gov). 
• Kit Chapman: The transuranic elements and the island of stability. In: Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. Band 378, Nr. 2180, 18. September 2020, S. 20190535, doi:10.1098/rsta.2019.0535 (englisch). 

Fachbücher und Kapitel

• V. I. Gol’danskii, S. M. Polikanov: The Transuranium Elements. Springer US, Boston, MA 1995, ISBN 978-1-4684-8383-3, doi:10.1007/978-1-4684-8381-9 (englisch). 
• Darleane C. Hoffman: The Transuranium Elements: From Neptunium and Plutonium to Element 112. LLNL, Livermore, CA 1996 (englisch, unt.edu). 
• Gottfried Münzenberg, Matthias Schädel: Moderne Alchemie: die Jagd nach den schwersten Elementen (= Facetten). Vieweg, Braunschweig Wiesbaden 1996, ISBN 978-3-528-06474-7. 
• Walter D. Loveland, David J. Morrissey, Glenn T. Seaborg: The Transuranium Elements. In: Modern Nuclear Chemistry. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA 2005, ISBN 978-0-471-76862-3, S. 429–464, doi:10.1002/0471768626.ch15 (englisch). 
• Transuranium Elements. In: Glenn D. Considine (Hrsg.): Van Nostrand’s Encyclopedia of Chemistry. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA 2005, ISBN 978-0-471-74003-2, S. vec2544, doi:10.1002/0471740039.vec2544 (englisch). 
• A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
• Helge Kragh: From Transuranic to Superheavy Elements (= SpringerBriefs in History of Science and Technology). Springer International Publishing, Cham 2018, ISBN 978-3-319-75812-1, doi:10.1007/978-3-319-75813-8 (englisch).