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Übergangselemente

Scandiumgruppe

Actinoide

Plutonium

Siehe auch: Periodensystem der Elemente, Neptunium, Americium

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Plutonium

Autor: H. Lohninger

Ordnungszahl	94
Symbol	Pu
CAS-Nr.	7440-07-5
Atomgewicht	[244] amu
Elektronenkonfiguration	[Rn] 5f⁶ 7s²
Schmelzpunkt	641 °C
Siedepunkt	3228 °C
Dichte	19.86 g/cm³
Quellen: Enghag 2004 , Wieser 2011

Geschichte

Plutonium wurde 1940 von G.T. Seaborg, E.M. McMillan, J.W. Kennedy, und A.C. Wahl durch Beschuss von Uran mit Deuterium entdeckt. Zwei Jahre später wurde Plutonium auch in Spuren in Pechblende und Carnotit gefunden.

Vorkommen und Gewinnung

Obwohl Plutonium in der Natur in Spuren vorkommt, stammt der bei weitem größte Teil des Plutoniums aus anthropogenen Quellen (aus Kernwaffenversuchen und Unfällen und aus der Wiederaufbereitung von abgebrannten Kernbrennstäben). Man schätzt die Menge an Plutonium, das in Kernwaffen "gelagert" ist, auf weltweit ca. 100 t, insgesamt existieren rund 250 t waffenfähiges Plutonium.

Plutonium entsteht in Kernkraftwerken nach folgender Reaktion:

²³⁸U + n ²³⁹U
²³⁹U ²³⁹Np + ß- (t_h = 24 min)
²³⁹Np ²³⁹Pu + ß- (t_h = 2.36 d)

Plutonium wird aus den abgebrannten Kernbrennstäben durch den PUREX-Prozess gewonnen. Der PUREX-Prozess beruht auf der Flüssig-Flüssig-Extraktion mit tri-n-Butylphosphat.

Eigenschaften

Zwei Plutoniumscheiben mit jeweils 4 cm Durchmesser. Foto: U.S. Department of Energy, 1945

Von Plutonium sind zur Zeit rund 20 Isotope bekannt, die allesamt radioaktiv sind. ²³⁸Pu bis ²⁴²Pu und ²⁴⁴Pu weisen Halbwertszeiten von über einem Jahr auf. Das stabilste Isotop ist ²⁴⁴Pu (t_h = 80 Mill. Jahre), das wichtigste Isotop ist aber ²³⁹Pu (t_h = 24110 Jahre), das einerseits in Kernwaffen eingesetzt wird und andererseits in Kernkraftwerken nach Uran-235 der am häufigsten eingesetzte Brennstoff ist. Waffenfähiges Plutonium ²³⁹Pu darf nur einen geringen Anteil (< 7%) an ²⁴⁰Pu aufweisen, da Plutonium-240 durch spontanen Zerfall die Kettenreaktion vorzeigt startet und dadurch die Bombe nicht die volle Energie entwickeln kann.

Plutonium ist ein silbrig-graues Metall, das an Sauerstoff und feuchter Luft relativ schnell oxidiert wird. Plutonium wird von Salzsäure leicht gelöst, von Flusssäure aber nur sehr langsam (durch Passivierung der Oberfläche). Salpetersäure erzeugt ebenfalls eine Passivierung. Schwefelsäure löst Plutonium nur langsam. Plutonium kommt in sechs allotropen Modifikationen vor, die verschiedene Kristallstrukturen aufweisen und sich in der Dichte deutlich unterscheiden (16.0 bis 19.86 g/cm³). α-Plutonium, das im Temperaturbereich bis 122°C vorliegt, weist die größte Dichte auf.

Verwendung

Plutonium ist das in der technischen Anwendung wichtigste Transuranelement, da es sowohl für Kernwaffen als auch für Kernkraftwerke in großem Umfang eingesetzt wird. Dabei wird zwischen waffenfähigem Plutonium (²³⁹Pu mit maximal 7% ²⁴⁰Pu) und Plutonium für Kraftwerke (²⁴⁰Pu-Gehalt größer als 7%). In U-Booten werden Atombomben mit "Supergrade"-Plutonium verwendet (weniger als 2% ²⁴⁰Pu), um die Strahlenbelastung der Mannschaft möglichst niedrig zu halten: Während die Alphastrahlung des ²³⁹Pu leicht abzuschirmen ist, zerfällt ²⁴⁰Pu spontan unter Aussendung von Gammaquanten, so dass Plutonium mit hohem ²⁴⁰Pu-Anteil nur mit hohem Aufwand (wenn überhaupt) abgeschirmt werden kann.

²³⁸Pu ist ein langlebiger Alphastrahler (t_h= 87.7 Jahre), der als Nuklidbatterie in Raumsonden eingesetzt wird.

Gesundheitliche Aspekte und Gefahrenmomente

Da Plutonium eine hohe spezifische Aktivität aufweist und in Knochen und Leber eingebaut wird, ist es selbst in kleinsten Mengen sehr gefährlich. Darum werden alle Aktivitäten mit Plutonium in Glove-Boxes durchgeführt die Unterdruck aufweisen, ebenso wird das Labor in dem die Glove-Box steht auf Unterdruck gehalten. Beim Befüllen oder Entladen der Glove-Box sind Gasmasken zu tragen, da selbst kleinste Mengen von inhaliertem Plutoniumstaub (< 1µg) tödlich sind.

Weiters muss man bei Plutonium sehr darauf achten, nicht die kritische Masse zu erreichen. Speziell in wässriger Lösung ist die kritische Masse von ²³⁹Pu, bedingt durch Neutronenreflexion sehr niedrig (531 g). Metallisches ²³⁹Pu hat dagegen eine kritische Masse von etwa 10 kg. Die kritische Masse kann sich aber durch in der Nähe befindliche Neutronenreflektoren deutlich erniedrigen, was in der Vergangenheit schon zu einigen Unfällen mit tödlichem Ausgang geführt hat.

Plutonium

Last Update: 2013-08-08