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Plutonium



Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Plutonium, Pu, 94
Serie Actinoide
Gruppe, Periode, Block Ac, 7, f
Aussehen silbriges Metall
Massenanteil an der Erdhülle 2 · 10−19 %
Atomar
Atommasse 244,0642 u
Atomradius (berechnet) 151 () pm
Kovalenter Radius pm
Van-der-Waals-Radius pm
Elektronenkonfiguration [Rn]5f67s2
Elektronen pro Energieniveau 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
1. Ionisierungsenergie 544,5 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Modifikationen 6
Kristallstruktur monoklin
Dichte 19,740 g/cm3
Magnetismus paramagnetisch
Schmelzpunkt 914 K (641 °C)
Siedepunkt 3600 K (3327 °C)
Molares Volumen 12,32 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 325 kJ/mol
Schmelzwärme kJ/mol
Dampfdruck

?

Schallgeschwindigkeit 2260 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 130 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 6,7 · 105 S/m
Wärmeleitfähigkeit 6,74 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände +3, +4, +5, +6
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
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[1]
R- und S-Sätze R: siehe oben
S: siehe oben
weitere Sicherheitshinweise
Radioaktvität
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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. Plutonium ist ein giftiges und radioaktives Schwermetall. Plutonium wurde nach dem Zwergplaneten Pluto benannt, der zum Zeitpunkt der Entdeckung des Plutoniums noch als vollwertiger neunter Planet galt. Erst nach der künstlichen Erzeugung wurde entdeckt, dass es in Spuren auch natürlich vorkommt.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

  Plutonium wurde am 23. Februar 1941 von den Amerikanern Glenn T. Seaborg, J. W. Kennedy, E. M. McMillan, Dr. Michael Cefola und A. C. Wahl entdeckt. Sie stellten das Isotop 238Pu durch Beschuss von Uran 238U mit Deuterium in einem Zyklotron her. Sie benannten es nach dem damals als äußersten Planeten geltenden Pluto, der wiederum nach dem gleichnamigen römischen Gott der Unterwelt benannt ist. So wurden die drei schwersten damals bekannten Elemente Uran, Neptunium und Plutonium nach den Planeten Neptun, Uranus und Pluto benannt.

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 geringste Spuren des langlebigsten Plutoniumisotops 244Pu in einigen Mineralien nachzuweisen. Diese Mengen sind so gering, dass sie erst nach der künstlichen Erzeugung des Plutoniums in Kernreaktoren im Jahr 1971 entdeckt wurden.[2]

Vorkommen

  Plutonium ist mit einem Gehalt von 2 · 10−19 %[3] 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. [4]

Aus der Entstehungszeit des Sonnensystems wurde im Mineral Bastnäsit, das nach dem Fundort Bastnäs in Schweden benannt wurde, das Plutoniumisotop 244Pu nachgewiesen.[5] 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[2] 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.[6]

Gewinnung und Darstellung

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}U\ + n \longrightarrow {}^{239}U  \stackrel{\beta^- 23,5 min} \longrightarrow\ {}^{239}Np \stackrel{\beta^- 2,3565 d} \longrightarrow\ {}^{239}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}Pu\ + n \longrightarrow {}^{240}Pu + \gamma}
\mathrm{{}^{240}Pu\ + n \longrightarrow {}^{241}Pu + \gamma}
\mathrm{{}^{241}Pu\ + n \longrightarrow {}^{242}Pu + \gamma}
\mathrm{{}^{242}Pu\ + n \longrightarrow {}^{243}Pu + \gamma}

Ganz selten auch noch:

\mathrm{{}^{243}Pu\ + n \longrightarrow {}^{244}Pu + \gamma}
Stufenweiser Neutroneneinfang und Entstehung der schwereren Isotope

Das leichteste bei Kernreaktionen entstehende Isotop 238Pu 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 gewisser 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 Neptunium237Np. Danach 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}U\ + n \longrightarrow {}^{236}U_m\stackrel{120 ns}  \longrightarrow\ {}^{236}U + \gamma}

\mathrm{{}^{236}U\ + n \longrightarrow {}^{237}U \stackrel{\beta^- 6,75d}  \longrightarrow\ {}^{237}Np}

\mathrm{{}^{237}Np\ + n \longrightarrow {}^{238}Np \stackrel{\beta^- 2,117 d}  \longrightarrow\ {}^{238}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, weshalb 236Pu freies 238Pu, z.B. für Herzschrittmacher, über den Umweg der wenig ergiebigen und deshalb teuren Erbrütung von Curium 242Cm, produziert wird. Dieses entsteht durch einen Neutroneneinfang von 241Am, das wiederum aus 241Pu gewonnen wird. [7]

\mathrm{{} ^{241}Pu \stackrel{\beta^-} \longrightarrow\ {}^{241}Am}
(zu 99,9975 %, Halbwertszeit 14,35 Jahre)
\mathrm{{}^{241}Am\ + n \longrightarrow {}^{242}Am + \gamma}
\mathrm{{} ^{242}Am \stackrel{\beta^-} \longrightarrow\ {}^{242}Cm}
(zu 82,7 %, Halbwertszeit 16,02 h)
\mathrm{{}^{242}Cm \stackrel {\alpha} \longrightarrow\ {}^{238}Pu}
(Halbwertszeit 162,8 Tage)

Werden die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen nicht abgebremst, wird besonders viel 238U in 239Pu umgewandelt. Da hierbei mehr Kernbrennstoff erzeugt (238U ist selbst nicht spaltbar) als verbraucht wird, spricht man hierbei von einem sogenannten Brutreaktor.

Das Plutonium befindet sich nach der Herstellung zusammen mit anderen Spaltprodukten in den abgebrannten Brennelementen. Durch den PUREX-Prozess kann in Wiederaufarbeitungsanlagen das entstandende Plutonium und das ebenfalls erwünschte Uran aus den verbrauchten Brennstäben des Reaktors herausgelöst werden. Dazu wird das Material zunächst in Salpetersäure gelöst und das Plutonium und Uran mit Tri-n-butyl-phosphat extrahiert. Andere entstandene Spaltprodukte bleiben dabei zurück. Im Jahr werden etwa 20 Tonnen[8] Plutonium, überwiegend in Form des Isotops 239Pu, produziert.

Die Weitergabe von spaltbaren 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.[9] In Deutschland regelt das Atomgesetz den Umgang mit spaltbaren Material. Es bestimmt, wer unter welchen Bedingungen Plutonium in Deutschland befördern und besitzen darf.[10]

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Plutonium ist bei Normalbedingungen ein silberglänzendes Schwermetall mit hoher Dichte (19,86 g/cm3[3]). 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).[11] 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.[12] Flüssiges Plutonium besitzt die höchste Viskosität aller Elemente im flüssigen Zustand.[13] 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.[12]. Für die Messung stört allerdings das ständige Erwärmen durch den Zerfall des Plutoniums. Dadurch sind keine Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes erreichbar.

Modifikationen bei Atmosphärendruck
Phasenbezeichnung stabiler Temperaturbereich Dichte (Temperatur) Kristallsystem Bravais-Gitter Raumgruppe
α-Pu [14] K – 395 K 19,77 g/cm³ (293 K) monoklin primitiv P2_1/m \;
ß-Pu [15] 395 K – 479 K 17,7 g/cm³ (395 K) monoklin basiszentriert I112/m \;
γ-Pu [16] 479 K – 592 K 17,14 g/cm³ (479 K) orthorhombisch flächenzentriert Fddd \;
δ-Pu [17] 592 K – 730 K 15,9 g/cm³ (592 K) monoklin basiszentriert Cm \;
δ'-Pu [18] 730 K – 749 K 16,0 g/cm³ (730 K) tetragonal raumzentriert I4/mmm \;
ε-Pu [19] 749 K – 914 K 16,5 g/cm³ (749 K) kubisch raumzentriert Im\bar3m
flüssig[20] 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.[21]

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[11] 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 entstehene 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 Massezahlen von 228 bis 247 vermessen.[22] Die Halbwertszeiten liegen zwischen 37 · 10−12 s für das Kernisomer 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[22] 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[22] durch Alpha-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[22] zu 99,9958% durch Elektroneneinfang in das Neptunium-Isotop 237Np um, das der Startpunkt der Neptunium-Reihe ist. Die restlichen 0,0042 % zerfallen durch Alphazerfall zu Uran 233U das ebenlalls über die Neptunium-Reihe zerfällt.
  • 238Pu ist ein Alphastrahler mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren[22]. Es zerfällt zunächst in 234U und weiter über die Zerfallskette der Uran-Radium-Reihe.
  • 239Pu ist das am häufigsten produzierte Plutoniumisotop. Es zerfällt in 24.110 Jahren[22] zur Hälfte unter Abgabe von Alphastrahlung 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[22] durch Alphastrahlung 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[22] und einer Wahrscheinlichkeit von 99,9975% mit einem Betazerfall zu 241Am, sowie mit 0,0025% Wahrscheinlichkeit unter Alphazerfall zu 237U. 241Am zerfällt unter Alphazerfall und 237U durch Betazerfall 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 Alpha-Zerfall in 238U, den Beginn der natürlichen Uran-Radium-Reihe. Mit einer Halbwertszeit von 375.000 Jahren[22] ist es nach 244Pu das langlebigste Isotop.
  • 243Pu ist mit einer Halbwertszeit von 4,956 h[22] kurzlebig. Es geht zunächst durch Beta-Strahlung in Americium243Am 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 80.000.000 Jahren[22] das einzige natürlich vorkommende Plutonium-Isotop. Es ist der Ausgangspunkt der Thorium-Reihe, die darum manchmal auch Plutonium-Thorium-Reihe genannt wird. 244Pu zerfällt durch Alphazerfall zu 240U, dieses durch zwei Betazerfälle über 240Np zu 240Pu, dieses dann wieder durch zwei weitere Alphazerfälle über 236U zum 232Th . Danach folgt der Zerfall der Thorium-Reihe.

Plutoniumisotope mit ungerader Neutronenzahl zählen zu den wenigen Nukliden, die von thermischem Neutronen spaltbar sind. Dabei sind die Isotope mit höherer Masse leichter zu spalten als diejenigen mit geringerer Masse. 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 unreflektiert durch Wasser 10 kg.[23]

{}^{239}_{\ 94} \mathrm {Pu} + \mathrm {n} \to {}^{144}_{\ 56} \mathrm {Ba} + {}^{94}_{38} \mathrm {Sr} + 2\ {}^{1}_{0} \mathrm {n}
{}^{239}_{\ 94} \mathrm {Pu} + \mathrm {n} \to {}^{130}_{\ 51} \mathrm {Sb} + {}^{107}_{\ 43} \mathrm {Tc} + 3\ {}^{1}_{0} \mathrm {n}
Zwei Möglichkeiten für die Kernspaltung von 239Pu

Verwendung

  Nur Plutonium 238Pu und Plutonium 239Pu, welches aber immer auch mit Plutonium 240Pu und manchmal noch schwereren Isotopen verunreinigt ist, werden in größeren Mengen verwendet.

Verwendung in Kernkraftwerken

239Pu, wird zusammen mit angereichertem Uran zu MOX-Brennelementen verarbeitet. Die MOX-Brennelemente werden in Leichtwasserreaktoren und mit etwa 10fach höherer Anreicherung der Spaltbaren Isotope in schnellen Brütern verwendet.[24]

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 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 für Kernwaffen geeignetem 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 Plutonium240Pu 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 %.

Verwendung in Radioisotopengeneratoren

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[25]. Es wird deshalb in oxidierter Form als chemisch träges Plutoniumdioxid zur Erzeugung von elektrischer Energie in Radioisotopengeneratoren verwendet. Radioisotopengeneratoren 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 Radioisotopengeneratoren auch in erdumkreisenden Satelliten und Herzschrittmachern verwendet.[26]

Sonstiges

Ferner wird 238Pu zusammen mit Beryllium als Neutronenquelle verwendet, wobei ein Alphateilchen 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. 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.[27] Die für einen Menschen tödliche Dosis liegt wahrscheinlich im zweistelligen Milligrammbereich, für Hunde beträgt die LD50-Dosis 0,32 mg/kg Körpergewicht[12]. 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.[28] 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 der α-Strahlung kommt aufgrund der geringen Reichweite der mit dem umgebenden Material stark wechselwirkenden α-Strahlung zustande. Die chemische Giftigkeit von Plutonium wird jedoch von vielen anderen Stoffen übertroffen.

Sicherheitshinweise

Beim Umgang mit Plutonium ist vor allem wegen seiner starken Radioaktivität äußerste Vorsicht geboten. Da die Alphastrahlung 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.[11] Feinverteiltes Plutonium ist pyrophor.

Weiterhin muss unbedingt verhindert werden, dass eine kritische Masse entsteht, die zur Kettenreaktion und damit zu unkontrolllierter 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

  Plutonium besitzt eine Reihe von Verbindungen. in diesen kann es in den Oxidationsstufen +III bis +VII vorliegen. Damit bildet Plutonium zusammen mit Neptunium die höchste Oxidationsstufe aller Actinoiden. Die stabilste Stufe ist +IV. In wässriger Lösung haben die Plutoniumionen charakteristische Farben, so sind Pu3+- violett, Pu4+- braun, Pu5+- purpurfarben, Pu6+- orange und Pu7+-haltige Lösungen grün.

Plutoniumdioxid

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

Weitere Plutoniumverbindungen

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

Produktionsnachweis außerhalb des Reaktors

Forscher des Sandia National Laboratories wollen Antineutrinos dazu verwenden die Produktion von Plutonium in Kernreaktoren zu messen, damit die IAEA 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.[29]

Einzelnachweise

  1. 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
  2. a b Kernenergie-Wissen.de (Plutonium)
  3. a b Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007.
  4. Taube & Rudenko: Vom Wasserstoff bis zu den Transuranen VEB Fachbuchverlag; Leipzig 1968; keine ISBN; Seite 323 unter Element Plutonium
  5. Klaus Hoffmann: Kann man Gold machen? Gauner, Gaukler und Gelehrte. Aus der Geschichte der chemischen Elemente Urania-Verlag; Leipzig, Jena, Berlin 1979; keine ISBN; Seite 183
  6. Presseerklärung der IAEA zu Tschernobyl (1995) S.9
  7. http://www.kernenergie-wissen.de/pu-batterien.html
  8. dtv-Atlas Chemie. Band 1. dtv, 2000
  9. Deutsche Übersetzung des Atomwaffensperrvertrags des deutschen Bundesaußenministeriums
  10. Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren (Atomgesetz)
  11. a b c N.N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente, VCH Verlagsgesellschaft, 1. Auflage 1988, ISBN 3-527-26169-9
  12. a b c Plutonium: An Element at odds with itself, Los Alamos Science, 2000.
  13. www.kernchemie.de/Plutonium
  14. W. H. Zachariasen:The Crystal Structure of alpha Plutonium Metal. In: Acta Cryst. (1963), 16, 777-783.
  15. W. H. Zachariasen:The Crystal Structure of Beta Plutonium Metal. In: Acta Cryst. (1963), 16, 369-375.
  16. 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.
  17. K. T. Moore, P. Söderlind, A. J. Schwartz, and 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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
  21. 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.
  22. 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. Bd. A 729, 2003, S. 3–128.
  23. Hamburger Bildungsserver, Informationen über Kernspaltung
  24. Dr. Erich Übelacker: WAS IST WAS Band 3, Atom Energie. Tessloff Verlag, Nürnberg 1995, ISBN 3-7886-0243-0 Seite 29
  25. Nuklide für RTGs (PDF) letzte Seite
  26. Anwendung von Plutonium in Radioisotopengeneratoren
  27. Franz Frisch: Klipp und klar, 100 x Energie. Bibliographisches Institut AG, Mannheim 1977, ISBN 3-411-01704-X Seite 184
  28. Uni Oldenburg: Gefährlichkeit von Uran-238 und Plutonium-239 im Vergleich
  29. Antineutrinos überwachen Plutoniumproduktion

Literatur

  • N.N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage, VCH Verlagsgesellschaft., Mülheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
  • Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage, De Gruyter Verlag., Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
  • M. Volkmer: Basiswissen Kernenergie. Hamburgsche Elektricitäts-Werke-AG, 1996, ISBN 3-925986-09-X.


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