Plutonium-239


Plutonium-239
Eigenschaften
   
[Rn] 5f67s2
94
Pu
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Plutonium, Pu, 94
Serie Actinoide
Gruppe, Periode, Block Ac, 7, f
Aussehen silbriges Metall
CAS-Nummer 7440-07-5
Massenanteil an der Erdhülle 2 · 10−19 %
Atomar [1]
Atommasse 244,0642 u
Atomradius (berechnet) 151 () pm
Kovalenter Radius 187 pm
Elektronenkonfiguration [Rn] 5f67s2
Elektronen pro Energieniveau 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
1. Ionisierungsenergie 584,7 kJ/mol
Physikalisch [1]
Aggregatzustand fest
Modifikationen 6
Kristallstruktur monoklin
Dichte 19,816 g/cm3
Magnetismus paramagnetisch
Schmelzpunkt 912,5 K (639,4 °C)
Siedepunkt 3509 K (3230 °C)
Molares Volumen 12,29 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 325 kJ/mol
Schmelzwärme 11,48[2] kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 2260 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 130 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 6,8 · 105 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit 6,74[2] W/(m · K)
Chemisch [1]
Oxidationszustände +3, +4, +5, +6, (+7)
Oxide (Basizität) (leicht amphoter)
Normalpotential −2,031 V (Pu3+ + 3e → Pu)
Elektronegativität 1,28 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP
236Pu

{syn.}

2,9 a α
237Pu

{syn.}

45,2 d
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 ? 243Am
244Pu

100 %

80 · 106 a α (99,88 %) 4,666 240U
SF (0,12 %)
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung

nicht von der EU eingestuft[3]

R- und S-Sätze R: siehe oben
S: siehe oben
weitere Sicherheitshinweise
Radioaktivität
Radioaktives Element

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 (7. Periode, f-Block) und zählt auch zu den Transuranen. Plutonium ist ein giftiges und radioaktives Schwermetall. Benannt wurde es nach dem Zwergplaneten Pluto. Es gehört zu den schwersten in der Natur vorkommenden Elementen. Dabei wird das Element aber nur in kleinsten Spuren in sehr alten Gesteinen gefunden. Größer ist die Menge, die künstlich in Kernkraftwerken erzeugt wird.

Als eines der wenigen spaltbaren Elemente spielt es eine wichtige Rolle für den Betrieb von Kernkraftwerken und den Bau von Kernwaffen. So war das Spaltmaterial der Atombombe, die am 9. August 1945 auf Nagasaki abgeworfen wurde, Plutonium.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Eine Plutoniumscheibe auf einem Calciumchloridblock.

Plutonium wurde von den Amerikanern Glenn T. Seaborg, J. W. Kennedy, E. M. McMillan, Michael Cefola und A. C. Wahl entdeckt. Am 14. Dezember 1940 stellten sie das Isotop 238Pu durch Beschuss von Uran 238U mit Deuterium in einem Cyclotron her. Dazu wurden zunächst Proben des Isotops 238U in Form des Oxids U3O8 in dünner Schicht auf einer Kupferplatte aufgetragen. Bei dieser Reaktion werden zwei Neutronen emittiert; das zwischenzeitlich entstehende Neptunium zerfällt zu 238Pu. Den eindeutigen Nachweis für das Element 94 erbrachte A. C. Wahl am 23./24. Februar 1941.[4][5]

\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{2}_{1}D\ \longrightarrow \ ^{238}_{\ 93}Np\ +\ 2\ ^{1}_{0}n \quad;\quad ^{238}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,117 \ d]{\beta^-} \ ^{238}_{\ 94}Pu}

Das zweite Isotop wurde durch Beschuss mit schnellen Neutronen erzeugt:

\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23,5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}
Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Sie benannten es im März 1942 nach dem damals als äußersten Planeten geltenden Pluto, der wiederum nach dem gleichnamigen römischen 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!“.[6] So wurden die drei schwersten damals bekannten Elemente Uran, Neptunium und Plutonium nach den Planeten Uranus, Neptun und Pluto benannt.

Die erste wägbare Menge von etwa 4 µg wurde im August/September 1942 von B. B. Cunningham, M. Cefola und Louis B. Werner isoliert.[7]

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.

Vorkommen

Plutonium ist mit einem Gehalt von 2 · 10−19 %[8] 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 amerikanische Chemiker D. F. Peppard stellte im Jahr 1951 Mikrogrammengen von 239Pu aus einem kongolesischen Pechblendekonzentrat her. Für jedes Mikrogramm waren 100 Tonnen Pechblende notwendig.[9]

Aus der Entstehungszeit des Sonnensystems wurde im Mineral Bastnäsit, das nach dem Fundort Bastnäs in Schweden benannt wurde, das langlebigste Plutoniumisotop 244Pu gefunden. Mit verfeinerter Spurenanalytik gelang es, geringste Spuren dieses Isotops nachzuweisen. Diese Mengen sind so gering, dass sie erst im Jahr 1971, also nach der künstlichen Erzeugung des Plutoniums in Kernreaktoren, entdeckt wurden.[10][11] Plutonium ist deshalb, anders als oft behauptet, ein natürliches Element und löste Uran als letztes bekanntes natürliches Element ab. Größere Plutoniummengen entstanden auf natürlichem Weg im Naturreaktor Oklo.

Durch oberirdische Kernwaffentests wurden von 1945 bis 1980 etwa 3 bis 5 t[11] freigesetzt, die in Spuren weltweit nachweisbar sind. Weitere Mengen wurden bei Unfällen mit Kernwaffen und in entsprechenden Laboratorien, einem Satellitenabsturz mit enthaltener Plutoniumdioxid-Batterie und von der Wiederaufarbeitungsanlage von Sellafield in die Umwelt gebracht. Bei der Reaktorkatastophe von Tschernobyl entwichenes Plutonium blieb in einem Umkreis von 100 km um den Reaktor.[12]

Gewinnung und Darstellung

Beim Abbrand eines schwach angereicherten Brennelementes (links) sinkt der Anteil an 235U, neue Elemente entstehen

Plutonium entsteht unvermeidlich in den mit 238U-reichen Isotopengemischen betriebenen Kernkraftwerken. Dabei wird das eingesetzte 238U durch Einfang eines Neutrons zu 239Pu umgewandelt.

\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23,5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}
Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

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 bei einigen davon der Brutprozess zu 242Pu und noch schwereren Isotopen fortgesetzt werden kann. Weil jedoch das spaltbare 243Pu eine sehr kurze Halbwertszeit hat, 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.

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 der 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.

\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{240}_{\ 94}Pu\ +\ \gamma}
\mathrm{^{240}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{241}_{\ 94}Pu\ +\ \gamma}
\mathrm{^{241}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{242}_{\ 94}Pu\ +\ \gamma}
\mathrm{^{242}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{243}_{\ 94}Pu\ +\ \gamma}

Ganz selten entstehen durch stufenweisen Neutroneneinfang auch noch schwerere Isotope:

\mathrm{^{243}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{244}_{\ 94}Pu\ +\ \gamma}

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 durch Betastrahlung zu 238Pu zerfällt.

\mathrm{^{235}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{236}_{\ 92}U_m\ \xrightarrow[120 \ ns]{} \ ^{236}_{\ 92}U\ +\ \gamma}
\mathrm{^{236}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{237}_{\ 92}U\ \xrightarrow[6,75 \ d]{\beta^-} \ ^{237}_{\ 93}Np}
\mathrm{^{237}_{\ 93}Np\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{238}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,117 \ d]{\beta^-} \ ^{238}_{\ 94}Pu}
Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Das so gewonnene Plutonium 238Pu enthält 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.

Daher wird 236Pu-freies 238Pu, z. B. für Herzschrittmacher, 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.[13]

\mathrm{^{241}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow[14,35 \ a]{\beta^-} \ ^{241}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{242}_{\ 95}Am\ \xrightarrow[16,02 \ h]{\beta^-} \ ^{242}_{\ 96}Cm\ (\ \xrightarrow[162,8 \ d]{\alpha} \ ^{238}_{\ 94}Pu)}
Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

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. Er wird deshalb als Brutreaktor oder "schneller Brüter" bezeichnet.

Das Plutonium befindet sich nach der Herstellung zusammen mit den Spaltprodukten und unverbrauchtem Rest-Kernbrennstoff in den abgebrannten Brennelementen. Durch den PUREX-Prozess können in Wiederaufarbeitungsanlagen das entstandene Plutonium und das ebenfalls erwünschte Uran aus ihnen herausgelöst werden. Dazu wird das Material zunächst in Salpetersäure gelöst und das Plutonium und Uran mit Tri-n-butyl-phosphat extrahiert. Die Spaltprodukte und anderen Bestandteile bleiben dabei zurück. Im Jahr werden etwa 20 Tonnen Plutonium, überwiegend in Form des Isotops 239Pu, produziert.[14]

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.[15] In Deutschland regelt das Atomgesetz den Umgang mit spaltbarem Material. Es bestimmt, wer unter welchen Bedingungen Plutonium in Deutschland befördern und besitzen darf.[16]

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Plutonium ist bei Normalbedingungen ein silberglänzendes Schwermetall mit hoher Dichte (19,86 g/cm3[17]). Wie von allen Actinoiden existieren auch von Plutonium ausschließlich radioaktive Isotope. Es ist selbsterwärmend, pro 100 g Plutonium entstehen etwa 0,2 Watt Wärmeenergie (bezogen auf 239Pu).[18] 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.[19] Flüssiges Plutonium besitzt die höchste Viskosität aller Elemente im flüssigen Zustand.[20] 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.[19] Für die Messung stört allerdings das ständige Erwärmen durch den Zerfall des Plutoniums. Dadurch sind keine Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erreichbar.

Modifikationen bei Atmosphärendruck
Phasenbezeichnung stabiler Temperaturbereich Dichte (Temperatur) Kristallsystem Bravais-Gitter Raumgruppe
α-Pu [21] K – 395 K 19,77 g/cm3 (293 K) monoklin primitiv P2_1/m \;
β-Pu [22] 395 K – 479 K 17,7 g/cm3 (395 K) monoklin basiszentriert I112/m \;
γ-Pu [23] 479 K – 592 K 17,14 g/cm3 (479 K) orthorhombisch flächenzentriert Fddd \;
δ-Pu [24] 592 K – 730 K 15,9 g/cm3 (592 K) monoklin basiszentriert Cm \;
δ'-Pu [25] 730 K – 749 K 16,0 g/cm3 (730 K) tetragonal raumzentriert I4/mmm \;
ε-Pu [26] 749 K – 914 K 16,5 g/cm3 (749 K) kubisch raumzentriert Im\bar3m
flüssig [27] 914 K – 3503 K 16,63 g/cm3 (K)

Weiterhin ist eine Hochdruckmodifikation bekannt, die aus α-Pu bei einem Druck oberhalb von 40 GPa gewonnen wurde und in der Raumgruppe P63m kristallisiert.[28]

Chemische Eigenschaften

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 verfärbt sich. 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.[18] 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.

Isotope

Von Plutonium wurden 20 Isotope und 15 Kernisomere mit Massenzahlen von 228 bis 247 vermessen.[29] Die Halbwertszeiten liegen zwischen 37 · 10−12  s für das Isomer 236m1Pu und 80 Mio. Jahren für 244Pu. Die langlebigsten Isotope mit Halbwertzeiten größer als 11 Tagen haben Massenzahlen zwischen 236 und 244. Das Isotop 243Pu ist mit einer Halbwertzeit von weniger als 5 Stunden[29] eine Ausnahme. Einige der Plutonium-Isotope werden als Ausgangspunkte für radioaktive Zerfallsreihen angesehen.

  • 236Pu zerfällt über die Thorium-Reihe. Es kommt mit einer Halbwertzeit von 2,858 Jahren[29] 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 Halbwertzeit von 45,2 Tagen[29] zu 99,9958 % durch Elektroneneinfang in das Neptunium-Isotop 237Np um, das der 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[29]. 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[29] und zerfällt zur Hälfte unter Abgabe von α-Strahlung in 235U. Der weitere Zerfall folgt der Uran-Actinium-Reihe, für natürliche Radioaktivität, die bei 235U beginnt.
  • 240Pu zerfällt mit einer Halbwertszeit von 6564 Jahre[29] durch α-Strahlung in 236U. Dieses Uran-Isotop zerfällt mit einer Halbwertzeit von 23,4 Mio. Jahren zum natürlichen 232Th. Der weitere Zerfall folgt der Thorium-Reihe.
  • 241Pu ist der Beginn der Neptunium-Reihe. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 14,35 Jahren[29] 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 und 237U durch β-Zerfall zum gleichen langlebigen Neptuniumisotop 237Np.
  • 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[29] ist es nach 244Pu das langlebigste Isotop.
  • 243Pu ist mit einer Halbwertszeit von 4,956 h[29] kurzlebig. Es geht zunächst durch β-Strahlung in Americium 243Am über, das in 239Np übergeht und weiter zu 239Pu zerfällt. Damit steht es in Verlängerung der Uran-Actinium-Reihe.
  • 244Pu ist wegen seiner langen Halbwertszeit von 80 Mio. Jahren[29] das einzige natürlich vorkommende Plutonium-Isotop.[10] 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.
Liste der Plutoniumisotope

Spaltbarkeit

Plutoniumisotope mit ungerader Neutronenzahl zählen zu den wenigen Nukliden, die durch thermische Neutronen leicht spaltbar sind. Der entsprechende Wirkungsquerschnitt beträgt beim 239Pu 752 Barn (b) und beim 241Pu 1010 b, bei den geradzahligen 238Pu, 240Pu und 242Pu dagegen nur 17 b, 0,4 b bzw. < 0,2 b.[30]

Die meisten langlebigen Plutoniumisotope spalten sich auch spontan. Die Spontanspaltungsrate nimmt bei den schweren Isotopen stark zu.

Die kritische Masse des wichtigsten Isotops 239Pu beträgt (ohne Moderator und/oder Reflektor) 10 kg.[31] Unter diesen Bedingungen haben die anderen Isotope mit ungeraden Neutronenzahlen ebenfalls eine niedrige kritische Masse. Bei dem sehr kurzlebigen 237Pu ist sie mit 3,1 kg besonders niedrig, es wird jedoch wegen seiner kurzen Halbwertszeit, Wärmeproduktion und komplizierten Gewinnung nicht als Spaltstoff für Kernwaffen verwendet. 241Pu hat mit 12,27–13,04 kg zwar ebenfalls eine niedrige kritische Masse, die jedoch höher als bei 239Pu ist[32]. Es ist als Spaltstoff für Kernwaffen geeignet und wird deshalb im deutschen Atomgesetz (wie 239Pu) den Kernbrennstoffen zugeordnet.[33]. Es wird jedoch, soweit bekannt, wegen seiner kurzen Halbwertszeit und seiner gegenüber 239Pu schwierigeren Produktion, nicht in Kernwaffen verwendet.

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

\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow\ ^{144}_{\ 56}Ba\ +\ ^{94}_{38}Sr\ +\ 2\ ^{1}_{0}n}
\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow\ ^{130}_{\ 51}Sb\ +\ ^{107}_{\ 43}Tc\ +\ 3\ ^{1}_{0}n}

Durch schnelle Neutronen sind jedoch auch einige Isotope mit geraden Neutronenzahlen gut spaltbar. Die kritische Masse beträgt (ohne Moderator und/oder Reflektor) bei Plutonium 236Pu 8,04–8,42 kg [32] und bei Plutonium 238Pu 9,04–10,31 kg[34], die kritischen Massen sind bei diesen Isotopen kleiner oder ähnlich hoch wie bei 239Pu. Sie werden jedoch als Spaltstoff für Kernwaffen wegen ihrer Kurzen Halbwertszeit, Wärmeproduktion und komplizierten Gewinnung nicht verwendet.

Verwendung

Nur 238Pu und 239Pu werden in größeren Mengen verwendet. 238Pu ist, wenn es aus Neptunium erbrütet wird, mit anderen Plutoniumisotopen verunreinigt.[35] Nur 238Pu, das über den Umweg von Curium 242Cm erbrütet wird, ist frei von 236Pu.

239Pu ist immer mit 240Pu und noch geringeren Mengen von 241Pu und 242Pu verunreinigt.[36]

Verwendung in Kernkraftwerken

239Pu wird zusammen mit angereichertem Uran zu MOX-Brennelementen verarbeitet. Die MOX-Brennelemente werden in Leichtwasserreaktoren und mit etwa zehnfach höherer Anreicherung der spaltbaren Isotope in schnellen Brütern verwendet.[37]

Rohling aus waffenfähigem Plutonium 239Pu vor der Weiterverarbeitung

Militärische Verwendung

239Pu wird außerdem hochkonzentriert in den meisten Atom- und Wasserstoffbomben als Spaltmaterial verwendet. Weil die Anreicherung des 239Pu gegenüber dem mitproduzierten 240Pu wegen des geringen Gewichtsunterschiedes praktisch nicht möglich ist, wird bei der Produktion von Waffenplutonium der als Ausgangsmaterial dienende Kernbrennstoff nur kurze Zeit der Neutronenstrahlung im Kernreaktor ausgesetzt. Speziell für die Gewinnung von waffenfähigem Plutonium optimierte Reaktoren erlauben daher eine frühzeitige Entnahme der Brennstäbe bei laufendem Betrieb. Ein Beispiel für einen solchen als Plutoniumfabrik dienenden Reaktor ist der russische Typ RBMK. Trotzdem müssen Atombomben mit Plutonium als Spaltstoff wegen des erhöhten Neutronenhintergrundes durch das Plutonium 240Pu das Implosionsdesign verwenden.

Bei waffenfähigem Plutonium liegt der Anteil des erzeugten 240Pu bei unter 7 %, im Vergleich zum erwünschten Isotop 239Pu. Bei Reaktoren, die zur Energiegewinnung betrieben werden, wird der Kernbrennstoff deutlich länger im Reaktor belassen. Der Anteil von 240Pu an diesem als reaktorfähig bezeichneten Plutonium ist größer als 20 %, und 241Pu kommt in diesem Plutonium normalerweise zu etwa 12 % vor.[38]

PuO2 glüht durch den Zerfall des enthaltenen Isotops 238Pu.

Verwendung in Radionuklidbatterien

238Pu erhitzt sich durch seinen eigenen radioaktiven Zerfall bis zur Weißglut, und gibt dabei nur sehr geringe Mengen von Gammastrahlung ab, so dass man mit der dünnsten Abschirmung aller potenziell geeigneten Nuklide auskommt.[39] Es wird deshalb in oxidierter Form als chemisch träges Plutoniumdioxid zur Erzeugung von elektrischer Energie in Radionuklidbatterien verwendet. Radionuklidbatterien werden 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 Radionuklidbatterien mit Plutonium 238Pu auch in erdumkreisenden Satelliten[40] und Herzschrittmachern[41] verwendet (in Herzschrittmachern jedoch 236Pu-freies).

als 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.

Toxizität

Plutonium ist wie andere Schwermetalle giftig 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.[19] Die chemische Giftigkeit von Plutonium wird jedoch von vielen anderen Stoffen übertroffen.

Viel gefährlicher als die chemische Wirkung ist 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.[42] Zur sicheren Entstehung von Krebs reicht vermutlich eine Menge von einigen Mikrogramm aus. Die von Plutonium 239Pu 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 kommt aufgrund der geringen Reichweite der mit dem umgebenden Material stark wechselwirkenden α-Strahlung zustande.

Nach Untersuchungen des Forschers Arnulf Seidel vom Institut für Strahlenbiologie des Kernforschungszentrum Karlsruhe führen kleine Dosen 239Pu im Langzeitversuch erst nach frühestens 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.[43]

Das wie auch 240Pu in Kernreaktoren immer miterbrütete 241Pu zerfällt zum größten Teil in Americium 241Am, das große Mengen relativ weicher Gammastrahlung abgibt. Die Konzentration von 241Am erreicht nach 70 Jahren ihren Höchststand. Weil die Plutoniumisotope selbst kaum Gammastrahlung abgeben, nimmt diese (und damit die Dicke der benötigten Abschirmung) des Materials zunächst deutlich zu, um dann nach etwa 70 Jahren Lagerung wieder abzunehmen. Wegen der längeren Halbwertzeit von 241Am erfolgt diese Abnahme deutlich langsamer als der Anstieg.[44]

Sicherheitshinweise

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. Da während des Zerfalls Wärme entsteht, muss diese abgeführt werden. Dazu bewahrt man Plutonium am Besten unter trockener, zirkulierender Luft auf.[18] Feinverteiltes Plutonium ist pyrophor.

Weiterhin muss unbedingt verhindert werden, dass eine kritische Masse entsteht, die zur 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 vor möglichen neuen Spaltungsreaktionen abfangen. Grundsätzlich ist zu beachten, dass die kritische Masse durch die Anwesenheit bestimmter Stoffe, insbesondere Wasser, aufgrund deren neutronenmoderierender oder -reflektierender Wirkung auch stark gesenkt werden kann.

Verbindungen

Verschiedene Oxidationsstufen von Plutonium in wässriger Lösung.

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, PuVO2+ purpurfarben, PuVIO22+ orange und PuVIIO23+ grün.[45]

→ 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.[46]

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.[47]

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 4 bekannte Plutoniumboride. Sie werden genutzt, um die Radioaktivität von Plutonium 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.[48]

Produktionsnachweis außerhalb des Reaktors

Forscher des Sandia National Laboratories wollen Antineutrinos dazu verwenden, die Produktion von Plutonium in Kernreaktoren zu messen, damit die IAEO nicht mehr auf Schätzungen angewiesen ist, und niemand mehr etwas für den Bau von Atomwaffen abzweigen kann. Wegen der extrem hohen Produktionsrate von Antineutrinos in Kernreaktoren würde schon ein Detektor mit 1 Detektorflüssigkeit vor dem Kernkraftwerk reichen.[49]

Einzelnachweise

  1. Die Werte der atomaren und physikalischen Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Plutonium) entnommen.
  2. a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3, S. 469–476.
  3. In Bezug auf ihre Gefährlichkeit wurde die Substanz von der EU noch nicht eingestuft, eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden. Die Radioaktivität gehört nicht zu den einzustufenden Eigenschaften. Genaueres über Gefährlichkeit und Sicherheit von Plutonium findet man in den Abschnitten Toxizität und Sicherheitshinweise.
  4. G. T. Seaborg, E. McMillan, J. W. Kennedy, A. C. Wahl: "Radioactive Element 94 from Deuterons on Uranium", in: Physical Review 1946, 69 (7–8), 366–367; doi:10.1103/PhysRev.69.367.
  5. J. W. Kennedy, G. T. Seaborg, E. Segrè, A. C. Wahl: "Properties of Element 94", in: Physical Review 1946, 70 (7–8), 555–556; doi:10.1103/PhysRev.70.555.
  6. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1948.
  7. B. B. Cunningham, L. B. Werner: "The First Isolation Of Plutonium", in: Journal of the American Chemical Society 1949, 71 (5), 1521–1528; doi:10.1021/ja01173a001.
  8. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1949.
  9. Taube & Rudenko: Vom Wasserstoff bis zu den Transuranen VEB Fachbuchverlag, Leipzig 1968, Seite 323 unter Element Plutonium; keine ISBN.
  10. a b D. C. Hoffman, F. O. Lawrence, J. L. Mewherter, F. M. Rourke: "Detection of Plutonium-244 in Nature", in: Nature 1971, 234, 132–134; doi:10.1038/234132a0.
  11. a b Kernenergie-Wissen.de (Plutonium).
  12. Presseerklärung der IAEO zu Tschernobyl (1995) S. 9.
  13. Basiswissen-Kernenergie.
  14. dtv-Atlas zur Chemie, Band 1, dtv, 2000.
  15. Deutsche Übersetzung des Atomwaffensperrvertrags des deutschen Bundesaußenministeriums.
  16. Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren (Atomgesetz).
  17. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 2149.
  18. a b c Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente, VCH Verlagsgesellschaft, 1. Auflage 1988, ISBN 3-527-26169-9.
  19. a b c Plutonium: An Element at odds with itself, Los Alamos Science, 2000.
  20. www.kernchemie.de (Plutonium).
  21. W. H. Zachariasen, F. H. Ellinger: "The Crystal Structure of alpha Plutonium Metal", in: Acta Cryst. 1963, 16, 777–783; doi:10.1107/S0365110X63002012.
  22. W. H. Zachariasen, F. H. Ellinger: "The Crystal Structure of beta Plutonium Metal", in: Acta Cryst. 1963, 16, 369–375; doi:10.1107/S0365110X63000992.
  23. W. H. Zachariasen: "Crystal Chemical Studies of the 5f-Series of Elements. XXIV. The Crystal Structure and Thermal Expansion of γ-Plutonium", in: Acta Cryst. 1955, 8, 431–433.
  24. K. T. Moore, P. Söderlind, A. J. Schwartz, D. E. Laughlin: "Symmetry and Stability of δ Plutonium: The Influence of Electronic Structure", in: Physical Review Letters 2006, 96 (20), 206402/1-206402/4.
  25. F. H. Ellinger: "Crystal structure of delta' plutonium and the thermal expansion characteristics of delta, delta' and epsilon plutonium", in: Journal of Metals 1956, 8, 1256–1259.
  26. J. B. Ball, J. A. Lee, P. G. Mardon, J. A. L. Robertson: "Determination de quelques proprietes physiques du plutonium metal", in: Memoires Scientifiques de la Revue de Metallurgie 1960, 57, 49–56.
  27. David R. Lide (ed), CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition. CRC Press. Boca Raton, Florida, 2003; Section 4, Properties of the Elements and Inorganic Compounds; Density of Molten Elements and Representative Salts.
  28. S. Dabos-Seignon, J. P. Dancausse, R. Gering, S. Heathman, U. Benedict: "Pressure induced phase transition in alpha-Pu", in: Journal of Alloys and Compounds 1993, 190, 237–242.
  29. a b c d e f g h i j k G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: "The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties", in: Nuclear Physics A, 729, 2003, 3–128.
  30. Karlsruher Nuklidkarte 1998.
  31. Hamburger Bildungsserver, Informationen über Kernspaltung.
  32. a b Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport", S. 15 und 16; PDF.
  33. § 2, Art. 1, AtG
  34. Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238
  35. Cassini-Huygens: Spacecraft (siehe Table 2-3).
  36. Institute for Energy and Environmental Research.
  37. Dr. Erich Übelacker: WAS IST WAS Band 3, Atom Energie, Tessloff Verlag, Nürnberg 1995, ISBN 3-7886-0243-0, S. 29.
  38. Smoke Detektors and Americium (Internet Archive).
  39. Nuklide für RTGs (PDF) letzte Seite.
  40. Cassini-Huygens: Spacecraft (siehe Table 2-2).
  41. Herzschrittmacher mit Plutonium (engl.)
  42. Uni Oldenburg: Gefährlichkeit von Uran-238 und Plutonium-239 im Vergleich.
  43. Franz Frisch: Klipp und klar, 100 x Energie, Bibliographisches Institut AG, Mannheim 1977, ISBN 3-411-01704-X, S. 184.
  44. BREDL Southern Anti-Plutonium Campaign.
  45. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1956.
  46. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1972.
  47. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1968–1971.
  48. Christoph Elschenbroich: Organometallchemie, 6. Auflage, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0167-8, S. 589.
  49. Antineutrinos überwachen Plutoniumproduktion.

Literatur

  • Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3, S. 469–476.
  • Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1988; ISBN 3-527-26169-9.
  • Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007; ISBN 978-3-11-017770-1.
  • Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, Springer Netherlands 2005; ISBN 1-4020-3555-1.
  • M. Volkmer: Basiswissen Kernenergie, Hamburgsche Elektricitäts-Werke-AG, 1996; ISBN 3-925986-09-X.

Weblinks

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