Plutonium

Eigenschaften
[Rn]5f67s2 94Pu Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Plutonium, Pu, 94
Elementkategorie
Gruppe, Periode, Block	Ac, 7, f
Aussehen	silbriges Metall
ECHA-InfoCard	100.028.288
Massenanteil an der Erdhülle	2 · 10−19
Atomar
Atommasse	244,0642 u
Atomradius	151 pm
Elektronenkonfiguration	[Rn]5f67s2
1. Ionisierungsenergie	544,5
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen	6
Kristallstruktur	monoklin
Dichte	19740
Magnetismus	paramagnetisch
Schmelzpunkt	914 K (641 °C)
Siedepunkt	3600 (3327 °C)
Molares Volumen	12,32 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	325
Schallgeschwindigkeit	2260 m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	130 J·kg−1·K−1
Elektrische Leitfähigkeit	6,7 · 105 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	6,74 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände	+3, +4, +5, +6
Normalpotential	−2,031 V (Pu3+ + 3e− → Pu)
Elektronegativität	1,28 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA 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 %)
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Gefahren- und Sicherheitshinweise
Radioaktiv
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung {{{GHS-Piktogramme}}} H- und P-Sätze H: {{{H}}} EUH: {{{EUH}}} P: {{{P}}}
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.

Geschichte

Datei:Hanford Site 1945.jpg

Fabriken zur Plutoniumproduktion für das Manhattan-Projekt

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.

Vorkommen

Ein Stück Plutonium in den Händen eines Arbeiters, der Schutzhandschuhe trägt.

Plutonium ist mit einem Gehalt von 2 · 10⁻¹⁹ % eines der seltensten Elemente der Erdkruste. In Uranvorkommen kann es in winzigen Mengen durch Absorption natürlich freigesetzter Neutronen aus Uran entstehen. Aus der Entstehungszeit des Sonnensystems wurde im Mineral Bastnäsit, das nach dem Fundort Bastnäs in Schweden benannt wurde, das Plutoniumisotop ²⁴⁴Pu nachgewiesen. 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 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.

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.

$\mathrm {{}^{238}U\ +n\longrightarrow {}^{239}U{\stackrel {\beta ^{-}23,5min}{\longrightarrow }}\ {}^{239}Np{\stackrel {\beta ^{-}2,3565d}{\longrightarrow }}\ {}^{239}Pu}$

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.

$\mathrm {{}^{239}Pu\ +n\longrightarrow {}^{240}Pu+\gamma }$

$\mathrm {{}^{240}Pu\ +n\longrightarrow {}^{241}Pu+\gamma }$

$\mathrm {{}^{241}Pu\ +n\longrightarrow {}^{242}Pu+\gamma }$

$\mathrm {{}^{242}Pu\ +n\longrightarrow {}^{243}Pu+\gamma }$

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.

$\mathrm {{}^{235}U\ +n\longrightarrow {}^{236}U_{m}{\stackrel {120ns}{\longrightarrow }}\ {}^{236}U+\gamma }$

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

$\mathrm {{}^{237}Np\ +n\longrightarrow {}^{238}Np{\stackrel {\beta ^{-}2,117d}{\longrightarrow }}\ {}^{238}Pu}$

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.}

$\mathrm {{}^{241}Pu{\stackrel {\beta ^{-}}{\longrightarrow }}\ {}^{241}Am}$

(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 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. In Deutschland regelt das Atomgesetz den Umgang mit spaltbaren Material. Es bestimmt, wer unter welchen Bedingungen Plutonium in Deutschland befördern und besitzen darf.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Plutonium ist bei Normalbedingungen ein silberglänzendes Schwermetall mit hoher Dichte (19,86 g/cm³). Es ist wie alle Actinoide in allen seinen Isotopen radioaktiv. Es ist selbsterwärmend, pro 100 g Plutonium entstehen etwa 0,2 Watt Wärmeenergie (bezogen auf ²³⁹Pu). Plutonium ist im Vergleich mit anderen Metallen ein schlechter Leiter für Wärme und elektrischen Strom. Das Metall kristallisiert je nach Temperatur in insgesamt sechs allotropen Modifikationen. Diese unterscheiden sich zum Teil deutlich in ihren Dichten. Die bei Raumtemperatur stabile Modifikation 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. Flüssiges Plutonium besitzt die höchste Viskosität aller Elemente im flüssigen Zustand. 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.. Für die Messung stört allerdings das ständige Erwärmen durch den Zerfall des Plutoniums. Dadurch sind keine Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes erreichbar.

Kristallisationsphasen bei Atmosphärendruck

Phasenbezeichnung	stabiler Temperaturbereich	Dichte (Temperatur)	Kristallstruktur	Kristallografische Raumgruppe
α	0 K – 395 K	19,77 g/cm³ (293 K)	monoklin	P21/m
ß	395 K – 479 K	17,7 g/cm³ (395 K)	monoklin basiszentriert	I2/m
γ	479 K – 592 K	17,14 g/cm³ (479 K)	orthorhombisch flächenzentriert	Fddd
δ	592 K – 730 K	15,9 g/cm³ (592 K)	monoklin	Cm
δ'	730 K – 749 K	16,0 g/cm³ (730 K)	tetragonal raumzentriert
ε	749 K – 914 K	16,5 g/cm³ (749 K)	kubisch raumzentriert
flüssig	914 K – 3503 K	16,63 g/cm³ (K)	—

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. 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. Die Halbwertszeiten liegen zwischen 37 · 10⁻¹² s für das Kernisomer ^236m1Pu und 82,6 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 lediglich 5 Stunden 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 durch Alpha-Zerfall auf die Zwischenstufe ²³²U, die über ²²⁸Th auf den Hauptstrang der Reihe führt. 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 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. 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 zur Hälfte unter Abgabe von Alphastrahlung in ²³⁵U. Der weitere Zerfall folgt der Uran-Actinium-Reihe, für natürlichen Radioaktivität, die bei ²³⁵U beginnt.

• ²⁴⁰Pu zerfällt mit einer Halbwertszeit von 6564 Jahre 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 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 ist es nach ²⁴⁴Pu das langlebigste Isotop.

• ²⁴³Pu ist mit einer Halbwertszeit von 4,956 h kurzlebig. Es geht zunächst durch Beta-Strahlung in Americium²⁴³Am über, das in ²³⁹Np übergeht und weiter zu ²³⁹Pu zerfällt. Damit ist es auf die Uran-Actinium-Reihe eingeschwenkt.

• ²⁴⁴Pu ist wegen seiner langen Halbwertszeit von 80.000.000 Jahren das einzige natürlich vorkommende Plutonium-Isotop. Es ist der Ausgangspunkt der Thorium-Reihe, die darum manchmal auch Plutonium-Thorium-Reihe genannt wird. Sie verläuft mit teilweise langen Halbwertzeiten über das durch Alpha-Zerfall erreichte ²⁴⁰U, ²⁴⁰Np, ²⁴⁰Pu und ²³⁶U zum ²³²Th.

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.

${}_{94}^{239}\mathrm {Pu} +\mathrm {n} \to {}_{56}^{144}\mathrm {Ba} +{}_{38}^{94}\mathrm {Sr} +2\ {}_{0}^{1}\mathrm {n}$

${}_{94}^{239}\mathrm {Pu} +\mathrm {n} \to {}_{51}^{130}\mathrm {Sb} +{}_{43}^{107}\mathrm {Tc} +3\ {}_{0}^{1}\mathrm {n}$

Zwei Möglichkeiten für die Kernspaltung von ²³⁹Pu

Verwendung

Plutonium ²³⁸Pu glüht durch seinen eigenen Zerfall.

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.

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 weapons grade-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 mit reactor grade 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. 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.

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. Die für einen Menschen tödliche Dosis liegt wahrscheinlich im zweistelligen Milligrammbereich, für Hunde beträgt die LD₅₀-Dosis 0,32 mg/kg Körpergewicht. 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. 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. 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 ausreichens 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 weiter 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 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, Pu^{4+- 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.

Literatur

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

Weblinks

Wiktionary: Plutonium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Plutonium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Plutonium: An Element at odds with itself, Los Alamos Science, 2000 (engl.)
• Plutonium Manufacture and Fabrication (engl.)
• Plutonium – wohin damit? Hintergrundinformation Labor Spiez
• WebElements.com – Plutonium (engl.)
• EnvironmentalChemistry.com – Plutonium (engl.)
• Kernenergie-Wissen: Was ist Plutonium?
• Plutonium – Element mit vielen Facetten
• Institut for Energy and Environmental research (engl.)

Gesprochene Wikipedia

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