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Physikalisch-chemische Eigenschaften |
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Plutonium
in reiner Form ist ein silbergrau glänzendes, radioaktives Schwermetall
mit relativ hoher Dichte. Im Vergleich zu den anderen Metallen ist es ein
sehr schlechter Strom- und Wärmeleiter. Von dem Element sind sechs
Modifikationen bekannt, die durch das Erwärmen des Metalls zugänglich
sind. Das bei Raumtemperatur vorliegende a-Plutonium
dehnt sich beim Erwärmen ungewöhnlich stark aus, während
das bei 319 °C zugängliche d-Plutonium
wieder kontraktiert. Plutonium eignet sich zum Bau von Kernwaffen.
Plutonium als Vertreter in der Gruppe der Actinide ähnelt in seinen chemischen Eigenschaften dem Actinium und auch dem Uran. Es ist sehr reaktionsfähig und läuft an der Luft infolge einer Oxidation rasch an. Das Metall löst sich in Salzsäure, wird aber von konzentrierter Schwefelsäure und Salpetersäure infolge einer Passivierung nicht angegriffen. Mit Nichtmetallen wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff bilden sich die entsprechenden Hydride, Oxide, Nitride oder Carbide. Die Kationen der Plutoniumsalze bilden mit Wasser farbige Lösungen. Reines Plutonium eignet sich als Kernbrennstoff nicht, da die Isotope sich selbst aufheizen und die Umhüllungsmaterialien angreifen.
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Toxikologie |
| Plutonium und seine Verbindungen gehören zu den giftigsten, bekannten Stoffen, die sind stark radioaktiv. Sie lagern sich im Knochenmark und in der Leber an, von wo aus sie den Körper radioaktiv verstrahlen. Beim Einatmen von plutoniumhaltigen Stäuben kann sich Lungenkrebs bilden. Die Einnahme weniger tausendstel Gramm des Elements führt zu tödlichen Strahlenschäden. |
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Vorkommen |
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Mit
einem Massenanteil von 2 x 10-19
% steht Plutonium an 90. Stelle der Elementhäufigkeit.
Damit gehört es zu den fünf seltensten Elementen der Erdhülle.
Plutoniumisotope kommen in Uranmineralien wie in der Pechblende, aber auch zum Beispiel im Cermineral Monazit vor. Dort bildet sich das Element durch den Einfang von Neutronen durch Uran-238, wobei sich zunächst Uran-239 und dann durch b-Zerfall Neptunium-239 und schließlich Plutonium-239 bildet (Kernreaktion siehe unter Herstellung). Die größte Menge des heute in der Natur vorkommenden Plutoniums stammt jedoch aus Kernwaffenversuchen und aus verglühten Satelliten, die mit plutoniumhaltigen Isotopenbatterien bestückt waren.
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Geschichte |
| Das Element wurde von den Amerikanern Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, Joseph W. Kennedy und Arthur C. Wahl im Jahre 1940 an der Universität in Berkeley/Kalifornien erstmals künstlich hergestellt und entdeckt. Es war damit nach Neptunium das zweite künstliche hergestellt Element ("Transuran"). Sie beschichteten eine Kupferplatte mit einem Oxid des Uranisotops-238 und beschossen es mit Deuterium. Dabei entstand das Neptunium-Isotop-238, das sich durch beta-Zerfall in Plutonium-238 umwandelte. Durch die Bestrahlung mit schnellen Neutronen erhielten sie gleichzeitig das Plutonium-Isotop-239 (Kernreaktion siehe bei Herstellung). Nach einer längeren Phase der Geheimhaltung erhielt das Element im März 1942 seinen Namen in der Reihenfolge der Planeten und der Entdeckung der Transurane: Uranus (Uran), Neptun (Neptunium) und Pluto (Plutonium). |
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Herstellung |
Plutonium-239
lässt sich im sogenannten "schnellen Brüter" oder "Brutreaktor"
aus Uran-238 herstellen. Man verwendet natürliches Uran,
das zu 99,3% aus Uran-238 und zu 0,7% aus dem spaltbaren Uranisotop-235
besteht. Bei der Kernspaltung des
Urans-235 entstehen schnelle Neutronen, die mit dem Uran-238 eine Kernreaktion
eingehen:
 Durch radioaktiven Zerfall
bildet sich zunächst Neptunium-239 und dann Plutonium-239 mit einer
Halbwertszeit von 24100 Jahren. Flüssiges Natrium dient als Kühlmittel.
Ein schneller Brüter kann auf diese Weise bis zu 0,6 Kilogramm Plutonium
pro Tag erbrüten.
Das so hergestellte Plutonium eignet sich nicht für Kernwaffen. Kernwaffenfähiges Material muss eine hohe Isotopenreinheit besitzen. Man erhält es durch eine mehrwöchige Bestrahlung von Uran-238 mit Neutronen in Schwerwasserreaktoren. Die Kettenreaktion bei einer Plutonium-239-Atombombe wird beim Überschreiten der "kritischen Masse" von 5,4 Kilogramm ausgelöst. Eine Kugel mit einem Durchmesser von von ca. 8cm besitzt bereits diese kritische Masse! Die kritische Masse von Plutoniumoxid PuO2 liegt bei 12,8kg. Wässrige Lösungen besitzen sogar noch wesentlich niedrigere kritische Massen, so dass dadurch der Bau von Mini-Atombomben durchaus möglich ist. |
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Verwendung |
| Das spaltbare Plutonium-Isotop-239 dient in Mischoxid-Brennelementen (MOX) als Kernbrennstoff in Kernreaktoren, und es wird zum Bau von Atombomben benötigt. In Kernreaktoren eignen sich Plutoniumoxid PuO2 oder die Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen des Plutoniums. Pu-238 dient in Satelliten und Herzschrittmachern als Isotopenbatterie zur Erzeugung von elektrischem Strom. Die Verwendung in Herzschrittmachern ist jedoch problematisch, da sich die Strahlung nicht völlig abschirmen lässt. Mit Plutonium lassen sich auch weitere Transurane wie Americium oder Curium herstellen. |
| Copyright: Thomas Seilnacht |
