Plutonium

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Einordnung: Chemisches Element | Actinoid | Periode-7-Element | Kernenergie

Was heißt Plutonium auf:
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Plutonium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Pu und der Ordnungszahl 94. Im Periodensystem der Elemente gehört es zur Gruppe der Actinoiden. Es wurde nach dem Planeten Pluto benannt, der auf den Planeten Neptun folgt (Plutonium folgt im Periodensystem auf Neptunium).

Eigenschaften

Neptunium - Plutonium - Americium

Sm
Pu

[Rn]5f⁶7s²

244

Periodensystem

Allgemein

Name, Symbol, Ordnungszahl

Plutonium, Pu, 94

Serie

Actinide

Gruppe, Periode, Block

Ac, 7, f

Aussehen

silbriges Metall

Atomar

Atommasse

244,0642

Atomradius (berechnet)

151 pm

Kovalenter Radius

k. A.

van der Waals-Radius

k. A.

Elektronenkonfiguration

[Rn]5f⁶7s²

Elektronen pro Energieniveau

2, 8, 18, 32, 24, 8, 2

Oxidationszustände (Oxide)

5 (leicht amphoterisch)

Kristallstruktur

monoklinisch

Physikalisch

Aggregatzustand (Magnetismus)

fest (-)

19740 kg/m³, k. A.

914 K (641 °C)

3600 K (3327 °C)

12,32 · 10^-4 m³/mol

325 kJ / mol

k. A.

k. A.

Schallgeschwindigkeit

k. A.

Verschiedenes

Elektronegativität

1,28 (Pauling-Skala)

Spezifische Wärmekapazität

130 J/(kg · K)

Elektrische Leitfähigkeit

6,7 · 10⁵ 1/(Ω m)

Wärmeleitfähigkeit

6,74 W/(m · K)

1. Ionisierungsenergie

544,5 kJ/mol

Isotope

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
²³⁸Pu	{syn.}	87,7 a	α SF 1,9 · 10^-7 %	5,593	²³⁴U
²³⁹Pu	{syn.}	24110 a	α SF 3 · 10^-10 %	5,245	²³⁵U
²⁴⁰Pu	{syn.}	6564 a	α SF 5,7 · 10^-6 %	5,256	²³⁶U
²⁴¹Pu	{syn.}	14,4 a	β α 0,0025 % SF 2 · 10^-14 %	0,021 5,14	²⁴¹Am ²³⁷U
²⁴²Pu	{syn.}	376300 a	α SF 0,00055 %	4,984	²³⁸U
²⁴⁴Pu	{syn.}	82,6 Mio a	α 99,88 % SF 0,12 %	4,666	²⁴⁰U

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.

Inhaltsverzeichnis

1 Eigenschaften

1.1 Kristallisationsphasen
1.2 Isotope

2 Vorkommen und Herstellung

2.1 Vorkommen
2.2 Herstellung

Eigenschaften

Plutonium ist ein radioaktives, silbriges Metall, das an der Luft schnell eine dunkle Oxidschicht bildet. Chemisch vergleichbar ist das Element mit Blei. Mit erhitztem Wasser oder Säuren reagiert es unter Freisetzung von Wasserstoffgas, was sich bei Störfällen in Kernreaktoren fatal auswirken kann.

Plutonium ist wie andere Schwermetalle giftig. Die für einen Menschen tödliche Dosis liegt wahrscheinlich im zweistelligen Milligrammbereich, laut eträgt die LD-50 - Dosis für Hunde 0,32 mg/kg Körpergewicht. Viel gefährlicher als die chemische Wirkung ist aber seine Radioaktivität, die Krebs verursachen kann. Zur Entstehung von Krebs reicht vermutlich eine Menge in der Größenordnung einiger Mikrogramm. Da die ausgesendete α-Strahlung durch die Haut abgeschirmt wird, ist Plutonium nur bei Inkorporation (beispielsweise Inhalation von Plutonium enthaltendem Staub) gesundheitsschädlich - dies aufgrund der langen Verweildauer im Körper wesentlich mehr als bei anderen α-Strahlern.

Kristallisationsphasen

Kristallisationsphasen bei Atmosphärendruck

Phasenbezeichnung	stabiler Temperaturbereich	Dichte (Temperatur)	Kristallstruktur
α	0 K–395 K	19,84 g/cm³ (293 K)	monoklin
β	395 K–479 K	17,8 g/cm³ (395 K)	monoklin basiszentriert
γ	479 K–592 K	17,2 g/cm³ (479 K)	orthorhombisch flächenzentriert
δ	592 K–730 K	15,9 g/cm³ (592 K)	kubisch flächenzentriert
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	16,65 g/cm³ (K)	—

Bemerkenswert ist hier, dass die Dichte von Plutonium bei steigender Temperatur teilweise wieder größer wird, in der Regel sinkt die Dichte mit der Temperatur. Auch beim Schmelzen wird die Dichte größer, was auch bei Wasser auftritt.

Isotope

²³⁸Pu: entsteht durch Einfang eines Neutrons durch das Uran-Isotop ²³⁵U. Dadurch entsteht ein ²³⁶U - Kern in einem angeregten Zustand, der eine Halbwertszeit von 120 n s hat und sich mit gewisser Wahrscheinlichkeit spaltet (siehe Kernspaltung). Angeregte ²³⁶U - Kerne können jedoch auch durch Emission von Gamma-Strahlung in den langlebigen Grundzustand übergehen. Durch weiteren Neutroneneinfang und β - Zerfall entsteht²³⁸Pu:
²³⁵U + n <math>\rightarrow<math> ²³⁶U_m <math>\rightarrow<math> ²³⁶U + <math>\gamma<math>
²³⁶U + n <math>\rightarrow<math> ²³⁷U ²³⁷Np
²³⁷Np + n <math>\rightarrow<math> ²³⁸Np ²³⁸Pu
²³⁹Pu: entsteht durch Einfangen eines Neutrons durch das Uran-Isotop ²³⁸U und einen anschließenden Beta-Zerfall:
²³⁸U + n <math>\rightarrow<math> ²³⁹U ²³⁹Np ²³⁹Pu
²⁴⁰Pu: entsteht durch Einfangen eines Neutrons aus ²³⁹Pu. Ebenso können aus ²³⁹Pu die höheren Isotope ²⁴¹Pu und ²⁴²Pu entstehen.

Vorkommen und Herstellung

Vorkommen

Plutonium kommt in der Natur sehr selten vor - in Uranvorkommen kann es durch Absorption natürlich freigesetzter Neutronen aus Uran entstehen, allerdings nur in winzigen Mengen. Größere Vorkommen entstanden auf natürlichem Weg in dem Naturreaktor Oklo. Durch Atombombenexplosionen wurden seit dem Zweiten Weltkrieg etwa 10 t freigesetzt.

Herstellung

Künstlich hergestellt wird Plutonium in Atomreaktoren. Darin wird das natürlich vorkommende ²³⁸U entsprechend obiger Formel durch Neutronenbeschuss zu ²³⁹Pu umgewandelt. Die weitere Umwandlung in ²⁴⁰Pu ist für die Herstellung von Plutonium für Atomwaffen unerwünscht, denn die hohe spontane Spaltungsrate von ²⁴⁰Pu kann zur vorzeitigen Zündung führen. Die weitere Umwandlung wird daher durch spezielle Reaktorbauarten beziehungsweise die frühzeitige Entnahme des Plutoniums verhindert. Bei weapon grade Plutonium liegt der Anteil von ²⁴⁰Pu bei unter 7 %, bei supergrade Plutonium sogar noch deutlich darunter. Plutonium aus Reaktoren der Energiewirtschaft (reactor grade) wird nicht auf einen geringen Anteil von ²⁴⁰Pu hin optimiert, der Anteil von ²⁴⁰Pu liegt bei über 20 %. Zur Erzeugung von ²³⁸Pu wird Neptunium aus verbrauchten Brennstäben extrahiert. Das Neptunium aus Brennstäben besteht fast nur aus dem Isotop ²³⁷Np; aus dem Neptunium werden dann eigene Stäbe gefertigt, die in einem Kernreaktor der starken Neutronenstrahlung ausgesetzt werden, wodurch nach obiger Reaktion ²³⁸Pu entsteht.

Verwendung

Spaltstoff in Kernwaffen
MOX-Brennelemente in Kernkraftwerken
Radioisotopengenerator (²³⁸Pu, "Plutonium-Batterie")

Geschichte

Plutonium wurde 1941 von dem Amerikaner Glenn T. Seaborg entdeckt. Etwa zur gleichen Zeit hatte in Deutschland 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 Plutonium-Verteilungsstudien an Versuchspersonen durch, die heute umstritten sind.

Siehe auch

Weblinks

weitere Weblinks

Los Alamos National Laboratory - Plutomium'(engl.)
WebElements.com - Plutonium'(engl.)
EnvironmentalChemistry.com - Plutomium'(engl.)
Nuclear Chemistry: The Discovery and Isolation of Plutonium'(engl.)
Kernenergie-Wissen: Was ist Plutonium?Plutonium - Element mit vielen FacettenInstitut for Energy and Environmental research'(engl.)

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