Plutonium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE MeV	ZP
²³⁸Pu	{syn.}	87,74 a	α	5,593	²³⁴U
²³⁸Pu	{syn.}	87,74 a	SF (1,9 · 10^-7 %)
²³⁹Pu	{syn.}	24.110 a	α	5,245	²³⁵U
²³⁹Pu	{syn.}	24.110 a	SF (3 · 10^-10 %)
²⁴⁰Pu	{syn.}	6564 a	α	5,256	²³⁶U
²⁴⁰Pu	{syn.}	6564 a	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.}	376.300 a	α	4,984	²³⁸U
²⁴²Pu	{syn.}	376.300 a	SF (0,00055 %)
²⁴⁴Pu	100 %	82,6 · 10⁶ a	α (99,88 %)	4,666	²⁴⁰U
²⁴⁴Pu	100 %	82,6 · 10⁶ a	SF (0,12 %)

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung

Gefahrensymbole
T+ Sehr giftig

R- und S-Sätze

R: ?

S: ?

weitere Sicherheitshinweise

Radioaktvität

Radioaktives Element

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
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. Es wurde nach dem Zwergplaneten Pluto benannt, der zum Zeitpunkt der Entdeckung des Plutoniums noch als vollwertiger neunter Planet galt. 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.)

[Bearbeiten] Geschichte

Plutonium wurde am 23. Februar 1941 von den Amerikanern Glenn T. Seaborg, J. W. Kennedy, E. M. McMillan 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. 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.

[Bearbeiten] Vorkommen

Plutonium kommt in der Natur sehr selten vor - 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 muss dennoch auch als natürliches Element gelten. Größere Plutoniummengen entstanden auf natürlichem Weg in dem Naturreaktor Oklo. Durch Atombombenexplosionen wurden seit dem Zweiten Weltkrieg etwa 20 t freigesetzt. Alle Atomkraftwerke 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.

[Bearbeiten] Gewinnung und Herstellung

Plutonium ²³⁹Pu wird in Brutreaktoren künstlich hergestellt. Darin wird das natürlich vorkommende Uran ²³⁸U entsprechend der weiter unten im Text dargestellten Formel durch Neutronenbeschuss zu ²³⁹Pu umgewandelt. Die weitere Umwandlung in ²⁴⁰Pu ist für die Herstellung von Plutonium für Atomwaffen unerwünscht, denn die hohe spontane Spaltungsrate von ²⁴⁰Pu kann zur vorzeitigen Zündung führen. Die weitere Umwandlung wird daher durch spezielle Reaktorbauarten beziehungsweise die frühzeitige Entnahme des Plutoniums verhindert. Bei weapon grade Plutonium liegt der Anteil von ²⁴⁰Pu bei unter 7 %, bei supergrade Plutonium sogar noch deutlich darunter. Plutonium aus Reaktoren der Energiewirtschaft (reactor grade) wird nicht auf einen geringen Anteil von ²⁴⁰Pu hin optimiert, der Anteil von ²⁴⁰Pu liegt bei über 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 der starken Neutronenstrahlung ausgesetzt werden, wodurch nach unten stehender Reaktion ²³⁸Pu entsteht.

[Bearbeiten] 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.

Plutonium ist wie andere Schwermetalle giftig. Die für einen Menschen tödliche Dosis liegt wahrscheinlich im zweistelligen Milligrammbereich, laut [1] 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. [2] Zur Entstehung von Krebs reicht vermutlich eine Menge in der Größenordnung einiger Mikrogramm. Aus dieser Abschätzung wurde das weit verbreitete Missverständnis über die besondere Gefährlichkeit von Plutonium abgeleitet. Da die ausgesendete α-Strahlung durch die abgestorbene oberste Hautschicht abgeschirmt wird, ist Plutonium nur bei Inkorporation (beispielsweise Inhalation von Plutonium enthaltendem Staub) gesundheitsschädlich – diese unterschiedliche Wirkung der α-Strahlung kommt auf Grund der geringen Reichweite der mit dem umgebenden Material stark wechselwirkenden α-Strahlung zu Stande. Im menschlichen Körper kann die Alphastrahlung deshalb ungeschützte lebende Zellen zerstören während sie in der Haut bereits von den oberen abgestorbenen Zellen aufgehalten wird, die sie nicht schädigen kann. Die chemische Giftigkeit von Plutonium wird jedoch von vielen anderen Stoffen übertroffen.

[Bearbeiten] 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)	—

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.

[Bearbeiten] Isotope

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 n s 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 $\rightarrow$ ²³⁶U_m $\rightarrow$ ²³⁶U +

γ

²³⁶U + n $\rightarrow$ ²³⁷U

²³⁷Np

²³⁷Np + n $\rightarrow$ ²³⁸Np

²³⁸Pu

²³⁹Pu: entsteht durch Einfangen eines Neutrons durch das Uran-Isotop ²³⁸U und zwei anschließenden Beta-Zerfällen:

²³⁸U + n $\rightarrow$ ²³⁹U (23,5 Min.)

²³⁹Np (2,35 Tage)

²³⁹Pu

²⁴⁰Pu: entsteht durch Einfangen eines Neutrons aus ²³⁹Pu. Ebenso können aus ²³⁹Pu die höheren Isotope ²⁴¹Pu und ²⁴²Pu entstehen.

[Bearbeiten] 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.

[Bearbeiten] Verwendung

Plutonium ²³⁸Pu glüht durch seinen eigenen Zerfall.

²³⁹Pu als Spaltstoff in Kernwaffen.
²⁴¹Pu als Spaltstoff in besonders kleinen (leistungsschwachen) Kernwaffen.
²³⁹Pu reiche Plutonium-Isotopengemische in MOX-Brennelementen für Kernkraftwerke.
²³⁸Pu in Verbindung mit Beryllium in Neutronenquellen.
Es gibt darüber hinaus über mehrere Jahre eine Wärmeleistung von etwa 450 Watt/Kilogramm ab. Es wird deshalb in Radioisotopengeneratoren, (sogenannten „Plutonium-Batterien“) etwa für die Stromversorgung von Raumsonden (z. B. Cassini, New Horizons), die ins äußere Sonnensystem fliegen, verwendet. Früher wurden Radioisotopengeneratoren auch in Erd-Satelliten und Herzschrittmachern eingesetzt.