Neptunium Samarium  Americium  
 Plutonium                                     94Pu
 engl. plutonium; nach dem Planeten Pluto
 


Halbwertszeit für Pu-244 *):
81 Millionen Jahre
Nukleonenzahl *)     
Ordnungszahl    
Schmelzpunkt    
Siedepunkt    
Oxidationszahlen     
Dichte    
Härte (Mohs)     
Elektronegativität    
Elektronenkonfig.   
Natürl. Häufigkeit  
     
*) langlebigstes  
Isotop   
244
94    
640 °C    
3228 °C   
7, 6, 5, 4, 3, 2    
19,84 g/cm³   
keine Angaben   
1,28 (Pauling)     
[Rn]5f67s2   
Pu-239  Spuren   
Pu-244  Spuren   
   
 
 

     

 
Physikalisch-chemische Eigenschaften
Plutonium in reiner Form ist ein silbrig glänzendes, radioaktives Schwermetall mit sehr 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 α-Plutonium dehnt sich beim Erwärmen ungewöhnlich stark aus, während das bei 319 °C zugängliche δ-Plutonium wieder kontraktiert. Plutonium eignet sich zum Bau von Kernwaffen.   
   
 
Atombombenabwurf auf Nagasaki am 9. August 1945



Beim Atombombenabwurf auf Nagasaki wurde eine Kernwaffe mit Plutonium verwendet.
Sie explodierte mit der Wirkung von 22000 Tonnen TNT (22kt) und tötete 39000 Menschen. 
Bildquelle: U.S. military or Department of Defense, public domain, aufgenommen von einem B-29-Bomber.
 
 
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.  
 
 
 Plutonium-238 glüht (Virtuelle Darstellung)
 
 So sieht es in etwa aus, wenn das Isotop Pu-238 durch seine eigene Hitze glüht.
 
   
Toxikologie 
Plutonium und seine Verbindungen gehören zu den gefährlichsten bekannten Stoffen. Sie sind stark radioaktiv und lagern sich im Knochenmark und in der Leber an, von wo aus sie die Zellen im Körper schädigen. Das  Einatmen eines einzigen mit Plutonium verseuchten Staubteilchens kann Krebs verursachen. Die Einnahme weniger Milligramm des Elements führt zu tödlichen Strahlenschäden.
  
Vorkommen 
Häufigkeit   sehr selten

Plutonium gehört zu den fünf seltensten, natürlich vorkommenden Elementen auf der Erde. Die Gewinnung erfolgt aber nicht aus den natürlichen Vorkommen, sondern aus Kernreaktionen.
  
  
 Die fünf seltensten Elemente in der Erdhülle
   
Atomsorte Symbol Massenanteil 
Astat At 3 x 10-24 %
Francium Fr 1,3 x 10-21 %
Technetium Tc 1,2 x 10-19 %
Promethium Pm 1,5 x 10-19 %
Plutonium Pu 2 x 10-19 %
   
 Astat ist das seltenste, Plutonium steht an fünfter Stelle.
 
 
Plutonium-Isotope 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 β-Zerfall Neptunium-239 und schließlich Plutonium-239 bildet. Die größte Menge des heute in der Natur vorkommenden Plutoniums stammt jedoch aus Kernwaffenversuchen und aus verglühten Satelliten, die mit plutoniumhaltigen Isotopenbatterien bestückt waren. 
 
 
 Monazit aus Iveland/Norwegen

Monazit
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 Der Monazit enthält Spuren an Plutoniumverbindungen.
 
 
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 Berkeley in Kalifornien erstmals künstlich hergestellt und entdeckt. Es war damit als "Transuran" nach Neptunium das zweite künstlich hergestellte Element. Sie beschichteten eine Kupferplatte mit einem Oxid des Uran-Isotops-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. 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).
  
Herstellung     
Plutonium-239 lässt sich im sogenannten "schnellen Brüter" oder "Brutreaktor" aus Uran-238 herstellen. Man verwendet natürliches Uran, das zu 99,3 Prozent aus Uran-238 und zu 0,7 Prozent 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.   
   
Aus den ausgebrannten Uranbrennstäben der Leichtwasserreaktoren lässt sich reaktorfähiges Plutonium herstellen. Nach zwei Jahren Betriebszeit und zwei Jahren Lagerdauer enthalten die Uranbrennstäbe pro Tonne bis zu zehn Kilogramm Plutonium-Isotope, die sich durch das sogenannte "Purex-Verfahren" abtrennen lassen (Plutonium-uranium-refining by extraction). Dabei werden die Isotope mit dem Lösungsmittel Tributylphosphat (TBP) extrahiert und danach von anderen Spaltprodukten gereingt. Die so gewonnenen Plutonium-Isotope sind durch Neutronenbeschuss wieder spaltbar. Plutonium-239 produziert bei jeder Kernspaltung durchschnittlich 2,7 Neutronen, so dass eine Kettenreaktion ausgelöst wird. Wie bei der Kernspaltung beim Uran entsteht Energie, die aus den Massedefekten errechnet werden kann.  

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 etwa acht Zentimeter besitzt bereits diese kritische Masse! Die kritische Masse von Plutoniumoxid PuO2 liegt bei 12,8 Kilogramm. Wässrige Lösungen besitzen sogar noch wesentlich niedrigere kritische Massen, so dass dadurch der Bau von Mini-Atombomben durchaus möglich ist. 
  
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  PuO 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.
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