Beschreibung von Plutonium

Plutonium(Plutonium) ist ein silbriges schweres chemisches Element, ein radioaktives Metall mit der Ordnungszahl 94, das im Periodensystem mit dem Symbol Pu bezeichnet wird.

Dieses elektronegativ aktive chemische Element gehört zur Gruppe der Aktiniden mit einer Atommasse von 244,0642, und wie Neptunium, das seinen Namen zu Ehren des gleichnamigen Planeten erhielt, verdankt dieses chemische Element seit seinen Vorgängern seinen Namen dem Planeten Pluto Zu den radioaktiven Elementen im Periodensystem der chemischen Elemente von Mendelejew gehören Neptunium und Neptunium, die ebenfalls nach entfernten kosmischen Planeten in unserer Galaxie benannt wurden.

Ursprung von Plutonium

Element Plutonium wurde erstmals 1940 an der University of California von einer Gruppe von Radiologen und wissenschaftlichen Forschern G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy und A. Walch entdeckt, als sie ein Uranziel aus einem Zyklotron mit Deuteronen – schweren Wasserstoffkernen – bombardierten.

Im Dezember desselben Jahres entdeckten Wissenschaftler Plutoniumisotop– Pu-238, dessen Halbwertszeit mehr als 90 Jahre beträgt, und es wurde festgestellt, dass unter dem Einfluss komplexer nuklearchemischer Reaktionen zunächst das Isotop Neptunium-238 entsteht, wonach das Isotop bereits gebildet wird Plutonium-238.

Anfang 1941 entdeckten Wissenschaftler Plutonium 239 mit einer Verfallszeit von 25.000 Jahren. Plutoniumisotope können unterschiedliche Neutronengehalte im Kern haben.

Eine reine Verbindung des Elements wurde erst Ende 1942 erhalten. Jedes Mal, wenn Radiologen ein neues Isotop entdeckten, maßen sie stets die Halbwertszeiten der Isotope.

Derzeit unterscheiden sich Plutoniumisotope, von denen es insgesamt 15 gibt, in der Zeitdauer Halbwertszeit. Mit diesem Element sind große Hoffnungen und Perspektiven, aber auch große Ängste der Menschheit verbunden.

Plutonium hat eine deutlich höhere Aktivität als beispielsweise Uran und ist einer der teuersten technisch wichtigen und bedeutsamen Stoffe chemischer Natur.

Beispielsweise kostet ein Gramm Plutonium ein Vielfaches mehr als ein Gramm oder andere gleichwertige Metalle.

Die Produktion und Gewinnung von Plutonium gilt als kostspielig, und die Kosten für ein Gramm Metall liegen in unserer Zeit getrost bei etwa 4.000 US-Dollar.

Wie wird Plutonium gewonnen? Plutoniumproduktion

Die Herstellung des chemischen Elements erfolgt in Kernreaktoren, in denen Uran unter dem Einfluss komplexer chemischer und technologischer Prozesse gespalten wird.

Uran und Plutonium sind die Hauptbestandteile bei der Herstellung von atomarem (nuklearem) Brennstoff.

Wenn es notwendig ist, eine große Menge eines radioaktiven Elements zu gewinnen, wird die Methode der Bestrahlung transuranischer Elemente verwendet, die aus abgebrannten Kernbrennstoffen und der Bestrahlung von Uran gewonnen werden können. Komplexe chemische Reaktionen ermöglichen die Trennung des Metalls vom Uran.

Um Isotope zu erhalten, nämlich Plutonium-238 und waffenfähiges Plutonium-239, die Zwischenprodukte des Zerfalls sind, wird die Bestrahlung von Neptunium-237 mit Neutronen eingesetzt.

Ein winziger Bruchteil von Plutonium-244, das aufgrund seiner langen Halbwertszeit das langlebigste Isotop ist, wurde in Cererz entdeckt, das wahrscheinlich aus der Entstehung unseres Planeten Erde erhalten geblieben ist. Dieses radioaktive Element kommt in der Natur nicht natürlich vor.

Grundlegende physikalische Eigenschaften und Eigenschaften von Plutonium

Plutonium ist ein ziemlich schweres radioaktives chemisches Element mit einer silbrigen Farbe, das nur leuchtet, wenn es gereinigt wird. Nuklear Masse aus metallischem Plutonium gleich 244 a. essen.

Aufgrund seiner hohen Radioaktivität fühlt sich dieses Element warm an und kann sich auf eine Temperatur erwärmen, die über die Siedetemperatur von Wasser hinausgeht.

Plutonium verdunkelt sich unter dem Einfluss von Sauerstoffatomen schnell und wird mit einem schillernden dünnen Film bedeckt, der zunächst hellgelb und dann satt oder braun ist.

Bei starker Oxidation kommt es zur Bildung von PuO2-Pulver auf der Oberfläche des Elements. Diese Art chemischer Metalle unterliegt bereits bei geringer Luftfeuchtigkeit starken Oxidationsprozessen und Korrosion.

Um Korrosion und Oxidation der Metalloberfläche zu verhindern, ist eine Trocknungsanlage erforderlich. Foto von Plutonium kann unten eingesehen werden.

Plutonium ist ein vierwertiges chemisches Metall; es löst sich gut und schnell in jodwasserstoffhaltigen Substanzen und sauren Umgebungen, beispielsweise in Chlorsäure.

Metallsalze werden in neutral reagierenden Umgebungen, alkalischen Lösungen, schnell neutralisiert und bilden dabei unlösliches Plutoniumhydroxid.

Die Temperatur, bei der Plutonium schmilzt, beträgt 641 Grad Celsius, der Siedepunkt liegt bei 3230 Grad.

Unter dem Einfluss hoher Temperaturen kommt es zu unnatürlichen Veränderungen der Dichte des Metalls. Plutonium hat in seiner Form verschiedene Phasen und weist sechs Kristallstrukturen auf.

Beim Übergang zwischen den Phasen kommt es zu erheblichen Volumenänderungen des Elements. Seine dichteste Form erreicht das Element in der sechsten Alpha-Phase (der letzten Stufe des Übergangs), während in diesem Zustand nur Neptunium und Radium schwerer als das Metall sind.

Beim Schmelzen erfährt das Element eine starke Kompression, sodass das Metall auf der Oberfläche von Wasser und anderen nicht aggressiven flüssigen Medien schwimmen kann.

Obwohl dieses radioaktive Element zur Gruppe der chemischen Metalle gehört, ist das Element ziemlich flüchtig und wenn es sich über einen kurzen Zeitraum in einem geschlossenen Raum befindet, erhöht sich seine Konzentration in der Luft um ein Vielfaches.

Zu den wichtigsten physikalischen Eigenschaften des Metalls gehören: geringer Wärmeleitfähigkeitsgrad aller vorhandenen und bekannten chemischen Elemente, geringe elektrische Leitfähigkeit; im flüssigen Zustand ist Plutonium eines der viskosesten Metalle.

Es ist zu beachten, dass alle Plutoniumverbindungen giftig und giftig sind und eine ernsthafte Strahlengefahr für den menschlichen Körper darstellen, die durch aktive Alphastrahlung entsteht. Daher müssen alle Arbeiten mit größter Sorgfalt und nur in Spezialanzügen mit Chemikalienschutz durchgeführt werden .

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Anwendungen von Plutonium

Das industrielle chemische Element wird üblicherweise in waffenfähiges und reaktortaugliches („energietaugliches“) Plutonium eingeteilt.

Daher darf für die Herstellung von Atomwaffen von allen existierenden Isotopen nur Plutonium 239 verwendet werden, das nicht mehr als 4,5 % Plutonium 240 enthalten sollte, da es einer spontanen Spaltung unterliegt, was die Herstellung militärischer Projektile erheblich erschwert .

Plutonium-238 wird für den Betrieb kleiner Radioisotopenquellen elektrischer Energie verwendet, beispielsweise als Energiequelle für die Raumfahrttechnik.

Vor einigen Jahrzehnten wurde Plutonium in der Medizin in Herzschrittmachern (Geräten zur Aufrechterhaltung des Herzrhythmus) eingesetzt.

Die erste Atombombe der Welt hatte eine Plutoniumladung. Atomplutonium(Pu 239) ist als Kernbrennstoff gefragt, um die Funktionsfähigkeit von Leistungsreaktoren sicherzustellen. Dieses Isotop dient auch als Quelle für die Herstellung von Transplutoniumelementen in Reaktoren.

Wenn wir nukleares Plutonium mit reinem Metall vergleichen, hat das Isotop höhere metallische Parameter und keine Übergangsphasen und wird daher häufig bei der Gewinnung von Brennelementen verwendet.

Oxide des Isotops Plutonium 242 sind auch als Energiequelle für weltraumtödliche Einheiten, Ausrüstung und Brennstäbe gefragt.

Waffentaugliches Plutonium ist ein Element, das in Form eines kompakten Metalls vorliegt und mindestens 93 % des Isotops Pu239 enthält.

Diese Art von radioaktivem Metall wird bei der Herstellung verschiedener Arten von Atomwaffen verwendet.

Waffenfähiges Plutonium wird in speziellen industriellen Kernreaktoren hergestellt, die durch den Einfang von Neutronen mit natürlichem oder schwach angereichertem Uran betrieben werden.

Es sind 15 Isotope von Plutonium bekannt. Das wichtigste davon ist Pu-239 mit einer Halbwertszeit von 24.360 Jahren. Das spezifische Gewicht von Plutonium beträgt 19,84 bei einer Temperatur von 25 °C. Das Metall beginnt bei einer Temperatur von 641 °C zu schmelzen und siedet bei 3232 °C. Seine Wertigkeit beträgt 3, 4, 5 oder 6.

Das Metall hat einen silbrigen Farbton und wird bei Einwirkung von Sauerstoff gelb. Plutonium ist ein chemisch reaktives Metall und löst sich leicht in konzentrierter Salzsäure, Perchlorsäure und Jodwasserstoffsäure. Beim Zerfall gibt das Metall Wärmeenergie ab.

Plutonium ist das zweite entdeckte transuranische Actinid. In der Natur kommt dieses Metall in geringen Mengen in Uranerzen vor.

Plutonium ist giftig und erfordert sorgfältigen Umgang. Das spaltbarste Isotop Plutonium wurde als Atomwaffe eingesetzt. Es kam insbesondere bei einer Bombe zum Einsatz, die auf die japanische Stadt Nagasaki abgeworfen wurde.

Dabei handelt es sich um ein radioaktives Gift, das sich im Knochenmark anreichert. Bei Experimenten an Menschen zur Untersuchung von Plutonium ereigneten sich mehrere Unfälle, einige davon tödlich. Es ist wichtig, dass das Plutonium nicht die kritische Masse erreicht. In Lösung bildet Plutonium schneller eine kritische Masse als im festen Zustand.

Die Ordnungszahl 94 bedeutet, dass alle Plutoniumatome 94 sind. An der Luft bildet sich Plutoniumoxid auf der Oberfläche des Metalls. Dieses Oxid ist pyrophor, sodass glimmendes Plutonium wie Asche flackert.

Es gibt sechs allotrope Formen von Plutonium. Die siebte Form erscheint bei hohen Temperaturen.

In einer wässrigen Lösung ändert Plutonium seine Farbe. Während der Oxidation entstehen auf der Oberfläche des Metalls verschiedene Farbtöne. Der Oxidationsprozess ist instabil und die Farbe von Plutonium kann sich plötzlich ändern.

Im Gegensatz zu den meisten Stoffen wird Plutonium beim Schmelzen dichter. Im geschmolzenen Zustand ist dieses Element viskoser als andere Metalle.

Das Metall wird in Form radioaktiver Isotope in thermoelektrischen Generatoren verwendet, die Raumfahrzeuge antreiben. In der Medizin wird es bei der Herstellung elektronischer Herzstimulatoren eingesetzt.

Das Einatmen von Plutoniumdampf ist gesundheitsschädlich. In einigen Fällen kann dies zu Lungenkrebs führen. Inhaliertes Plutonium hat einen metallischen Geschmack.

Plutonium (lateinisch Plutonium, Symbol Pu) ist ein radioaktives chemisches Element mit der Ordnungszahl 94 und dem Atomgewicht 244,064. Plutonium ist ein Element der Gruppe III des Periodensystems von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew und gehört zur Familie der Aktiniden. Plutonium ist ein schweres (Dichte unter Normalbedingungen 19,84 g/cm³), sprödes radioaktives Metall von silbrig-weißer Farbe.

Plutonium hat keine stabilen Isotope. Von den hundert möglichen Isotopen von Plutonium wurden fünfundzwanzig synthetisiert. Die nuklearen Eigenschaften von fünfzehn von ihnen wurden untersucht (Massenzahlen 232–246). Vier davon haben praktische Anwendung gefunden. Die langlebigsten Isotope sind 244Pu (Halbwertszeit 8,26–107 Jahre), 242Pu (Halbwertszeit 3,76–105 Jahre), 239Pu (Halbwertszeit 2,41–104 Jahre), 238Pu (Halbwertszeit 87,74 Jahre) – α- Emitter und 241Pu (Halbwertszeit 14 Jahre) - β-Emitter. In der Natur kommt Plutonium in vernachlässigbaren Mengen in Uranerzen (239Pu) vor; Es entsteht aus Uran unter dem Einfluss von Neutronen, deren Quellen Reaktionen sind, die bei der Wechselwirkung von α-Teilchen mit leichten Elementen (in Erzen enthalten), der spontanen Spaltung von Urankernen und kosmischer Strahlung auftreten.

Das vierundneunzigste Element wurde 1940 von einer Gruppe amerikanischer Wissenschaftler – Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan und Arthur Wahl – in Berkeley (an der University of California) entdeckt, als sie ein Ziel aus Uranoxid (U3O8) mit hochbeschleunigten Deuteriumkernen bombardierten (Deuteronen) aus einem 60-Zoll-Zyklotron. Im Mai 1940 wurden die Eigenschaften von Plutonium von Lewis Turner vorhergesagt.

Im Dezember 1940 wurde das Plutoniumisotop Pu-238 mit einer Halbwertszeit von etwa 90 Jahren entdeckt, ein Jahr später folgte das wichtigere Isotop Pu-239 mit einer Halbwertszeit von etwa 24.000 Jahren.

Edwin MacMillan schlug 1948 vor, das chemische Element Plutonium zu Ehren der Entdeckung des neuen Planeten Pluto und in Analogie zu Neptunium zu benennen, das nach der Entdeckung von Neptun benannt wurde.

Metallisches Plutonium (239Pu-Isotop) wird in Kernwaffen verwendet und dient als Kernbrennstoff in Leistungsreaktoren, die mit thermischen und besonders schnellen Neutronen betrieben werden. Die kritische Masse für 239Pu als Metall beträgt 5,6 kg. Das Isotop 239Pu ist unter anderem Ausgangsstoff für die Herstellung von Transplutoniumelementen in Kernreaktoren. Das 238Pu-Isotop wird in kleinen Kernenergiequellen in der Weltraumforschung sowie in menschlichen Herzstimulanzien verwendet.

Plutonium-242 ist als „Rohstoff“ für die relativ schnelle Anreicherung höherer Transurane in Kernreaktoren wichtig. δ-stabilisierte Plutoniumlegierungen werden bei der Herstellung von Brennstoffzellen verwendet, da sie im Vergleich zu reinem Plutonium, das beim Erhitzen Phasenübergänge durchläuft, bessere metallurgische Eigenschaften aufweisen. Plutoniumoxide werden als Energiequelle für die Raumfahrttechnik genutzt und finden ihre Anwendung in Brennstäben.

Alle Plutoniumverbindungen sind giftig, was eine Folge der α-Strahlung ist. Alphateilchen stellen eine ernsthafte Gefahr dar, wenn ihre Quelle im Körper einer infizierten Person liegt; sie schädigen das umliegende Gewebe des Körpers. Gammastrahlung von Plutonium ist für den Körper ungefährlich. Es ist zu bedenken, dass verschiedene Plutoniumisotope unterschiedliche Toxizitäten aufweisen. Beispielsweise ist typisches Reaktorplutonium 8–10 Mal giftiger als reines 239Pu, da es von 240Pu-Nukliden dominiert wird, die eine starke Quelle für Alphastrahlung darstellen. Plutonium ist das radiotoxischste Element aller Aktiniden, gilt jedoch bei weitem nicht als das gefährlichste Element, da Radium fast tausendmal gefährlicher ist als das giftigste Isotop von Plutonium – 239Pu.

Biologische Eigenschaften

Plutonium wird von Meeresorganismen konzentriert: Der Akkumulationskoeffizient dieses radioaktiven Metalls (das Verhältnis der Konzentrationen im Körper und in der äußeren Umgebung) beträgt für Algen 1000-9000, für Plankton etwa 2300, für Seesterne etwa 1000 und für Weichtiere. bis zu 380, für Muskeln, Knochen, Leber und Magen von Fischen – 5, 570, 200 bzw. 1060. Landpflanzen nehmen Plutonium hauptsächlich über das Wurzelsystem auf und reichern es auf 0,01 % ihrer Masse an. Im menschlichen Körper wird das vierundneunzigste Element hauptsächlich im Skelett und in der Leber zurückgehalten, von wo es fast nicht ausgeschieden wird (insbesondere aus den Knochen).

Plutonium ist hochgiftig und seine chemische Gefahr (wie bei jedem anderen Schwermetall) ist viel geringer (aus chemischer Sicht ist es auch giftig wie Blei) im Vergleich zu seiner radioaktiven Toxizität, die eine Folge der Alphastrahlung ist. Darüber hinaus haben α-Partikel eine relativ geringe Penetrationsfähigkeit: Für 239Pu beträgt die Reichweite von α-Partikeln in Luft 3,7 cm und in weichem biologischem Gewebe 43 μm. Daher stellen Alphateilchen eine ernsthafte Gefahr dar, wenn ihre Quelle im Körper einer infizierten Person liegt. Gleichzeitig schädigen sie das das Element umgebende Körpergewebe.

Gleichzeitig sind γ-Strahlen und Neutronen, die auch Plutonium aussendet und von außen in den Körper eindringen können, nicht sehr gefährlich, da ihre Konzentration zu gering ist, um gesundheitsschädlich zu sein. Plutonium gehört zu einer Gruppe von Elementen mit besonders hoher Radiotoxizität. Gleichzeitig weisen verschiedene Plutoniumisotope eine unterschiedliche Toxizität auf. Beispielsweise ist typisches Reaktorplutonium 8–10 Mal giftiger als reines 239Pu, da es von 240Pu-Nukliden dominiert wird, die eine starke Quelle für Alphastrahlung darstellen.

Bei Aufnahme über Wasser und Nahrung ist Plutonium weniger giftig als Substanzen wie Koffein, einige Vitamine, Pseudoephedrin sowie viele Pflanzen und Pilze. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass dieses Element vom Magen-Darm-Trakt schlecht aufgenommen wird, auch wenn es in Form eines löslichen Salzes zugeführt wird; dasselbe Salz wird vom Magen- und Darminhalt gebunden. Allerdings kann die Einnahme von 0,5 Gramm fein verteiltem oder gelöstem Plutonium innerhalb von Tagen oder Wochen zum Tod durch akute Verdauungsbestrahlung führen (bei Cyanid liegt dieser Wert bei 0,1 Gramm).

Aus der Sicht der Inhalation ist Plutonium ein gewöhnliches Gift (ungefähr gleichbedeutend mit Quecksilberdampf). Beim Einatmen ist Plutonium krebserregend und kann Lungenkrebs verursachen. Wenn also einhundert Milligramm Plutonium in Form von Partikeln mit einer optimalen Größe für die Retention in der Lunge (1–3 Mikrometer) eingeatmet werden, führt dies innerhalb von 1–10 Tagen zum Tod durch Lungenödem. Eine Dosis von zwanzig Milligramm führt in etwa einem Monat zum Tod durch Fibrose. Kleinere Dosen führen zu chronischen krebserregenden Vergiftungen. Die Gefahr des Einatmens von Plutonium in den Körper steigt, da Plutonium zur Bildung von Aerosolen neigt.

Obwohl es ein Metall ist, ist es ziemlich flüchtig. Ein kurzer Aufenthalt von Metall in einem Raum erhöht seine Konzentration in der Luft deutlich. Plutonium, das in die Lunge gelangt, setzt sich teilweise auf der Lungenoberfläche ab, gelangt teilweise in das Blut und dann in die Lymphe und das Knochenmark. Der Großteil (ca. 60 %) gelangt ins Knochengewebe, 30 % in die Leber und nur 10 % werden auf natürlichem Wege ausgeschieden. Die Menge an Plutonium, die in den Körper gelangt, hängt von der Größe der Aerosolpartikel und der Löslichkeit im Blut ab.

Plutonium, das auf die eine oder andere Weise in den menschlichen Körper gelangt, hat ähnliche Eigenschaften wie Eisen. Daher beginnt sich Plutonium beim Eindringen in das Kreislaufsystem in eisenhaltigen Geweben zu konzentrieren: Knochenmark, Leber, Milz. Der Körper nimmt Plutonium als Eisen wahr, daher nimmt das Transferrin-Protein Plutonium anstelle von Eisen auf, wodurch die Sauerstoffübertragung im Körper stoppt. Mikrophagen transportieren Plutonium zu den Lymphknoten. Es dauert sehr lange, bis Plutonium, das in den Körper gelangt, aus dem Körper entfernt wird – innerhalb von 50 Jahren werden nur 80 % aus dem Körper entfernt. Die Halbwertszeit aus der Leber beträgt 40 Jahre. Für Knochengewebe beträgt die Halbwertszeit von Plutonium 80–100 Jahre; tatsächlich ist die Konzentration von Element 94 in Knochen konstant.

Während des Zweiten Weltkriegs und nach dessen Ende führten Wissenschaftler des Manhattan-Projekts sowie Wissenschaftler des Dritten Reichs und anderer Forschungsorganisationen Experimente mit Plutonium an Tieren und Menschen durch. Tierstudien haben gezeigt, dass einige Milligramm Plutonium pro Kilogramm Gewebe eine tödliche Dosis darstellen. Die Anwendung von Plutonium beim Menschen bestand in der Regel darin, dass chronisch kranken Patienten 5 µg Plutonium intramuskulär injiziert wurden. Schließlich wurde festgestellt, dass die tödliche Dosis für einen Patienten ein Mikrogramm Plutonium betrug und dass Plutonium gefährlicher als Radium war und sich tendenziell in den Knochen anreicherte.

Plutonium ist bekanntlich ein Element, das in der Natur praktisch nicht vorkommt. Durch Atomtests im Zeitraum 1945-1963 gelangten jedoch etwa fünf Tonnen davon in die Atmosphäre. Die Gesamtmenge an Plutonium, die durch Atomtests vor den 1980er Jahren in die Atmosphäre gelangte, wird auf 10 Tonnen geschätzt. Einigen Schätzungen zufolge enthält der Boden in den Vereinigten Staaten durchschnittlich 2 Millicuries (28 mg) Plutonium pro km2 Niederschlag, und das Vorkommen von Plutonium im Pazifischen Ozean ist im Verhältnis zur Gesamtverteilung von Kernmaterial auf der Erde erhöht.

Das jüngste Phänomen steht im Zusammenhang mit den US-Atomtests auf den Marshallinseln auf dem pazifischen Testgelände Mitte der 1950er Jahre. Die Verweildauer von Plutonium im Oberflächengewässer des Ozeans liegt zwischen 6 und 21 Jahren. Doch auch nach dieser Zeit fällt Plutonium zusammen mit biogenen Partikeln auf den Boden, von wo aus es durch mikrobielle Zersetzung in lösliche Formen umgewandelt wird.

Die weltweite Verschmutzung mit dem vierundneunzigsten Element ist nicht nur mit Atomtests verbunden, sondern auch mit Unfällen in der Produktion und bei Geräten, die mit diesem Element interagieren. So stürzte im Januar 1968 eine B-52 der US-Luftwaffe mit vier Atomsprengköpfen in Grönland ab. Durch die Explosion wurden die Ladungen zerstört und Plutonium gelangte ins Meer.

Ein weiterer Fall einer radioaktiven Kontamination der Umwelt infolge eines Unfalls ereignete sich am 24. Januar 1978 mit der sowjetischen Raumsonde Kosmos-954. Infolge einer unkontrollierten Umlaufbahn fiel ein Satellit mit einer Atomstromquelle an Bord auf kanadisches Territorium. Durch den Unfall gelangte mehr als ein Kilogramm Plutonium-238 in die Umwelt und verteilte sich auf einer Fläche von etwa 124.000 m².

Das schrecklichste Beispiel für einen Notfallaustritt radioaktiver Stoffe in die Umwelt ist der Unfall im Kernkraftwerk Tschernobyl, der sich am 26. April 1986 ereignete. Durch die Zerstörung des vierten Kraftwerksblocks wurden auf einer Fläche von rund 2200 km² 190 Tonnen radioaktive Stoffe (einschließlich Plutoniumisotope) in die Umwelt freigesetzt.

Die Freisetzung von Plutonium in die Umwelt ist nicht nur mit vom Menschen verursachten Vorfällen verbunden. Es sind Fälle von Plutoniumaustritt bekannt, sowohl unter Labor- als auch unter Fabrikbedingungen. Es sind mehr als zwanzig versehentliche Lecks aus den 235U- und 239Pu-Laboren bekannt. Von 1953 bis 1978. Unfälle führten zu einem Verlust von 0,81 (Mayak, 15. März 1953) bis 10,1 kg (Tomsk, 13. Dezember 1978) 239Pu. Industrieunfälle führten in Los Alamos zu insgesamt zwei Todesfällen (21. August 1945 und 21. Mai 1946) aufgrund von zwei Unfällen und dem Verlust von 6,2 kg Plutonium. In der Stadt Sarow 1953 und 1963. Ungefähr 8 und 17,35 kg fielen außerhalb des Kernreaktors. Eine davon führte 1953 zur Zerstörung eines Kernreaktors.

Bei der Spaltung eines 238Pu-Kerns mit Neutronen werden 200 MeV Energie freigesetzt, was 50 Millionen Mal mehr ist als bei der berühmtesten exothermen Reaktion: C + O2 → CO2. Beim „Verbrennen“ in einem Kernreaktor erzeugt ein Gramm Plutonium 2.107 kcal – das ist die Energie, die in 4 Tonnen Kohle enthalten ist. Ein Fingerhut Plutoniumbrennstoff kann im Energieäquivalent vierzig Waggons guten Brennholzes entsprechen!

Das „natürliche Isotop“ von Plutonium (244Pu) gilt als das langlebigste Isotop aller Transuranelemente. Seine Halbwertszeit beträgt 8,26∙107 Jahre. Wissenschaftler versuchen seit langem, ein Isotop eines Transuran-Elements zu erhalten, das länger als 244Pu existieren würde – große Hoffnungen diesbezüglich wurden auf 247Cm gesetzt. Nach seiner Synthese stellte sich jedoch heraus, dass die Halbwertszeit dieses Elements nur 14 Millionen Jahre beträgt.

Geschichte

Im Jahr 1934 gab eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Enrico Fermi bekannt, dass sie während wissenschaftlicher Arbeiten an der Universität Rom ein chemisches Element mit der Seriennummer 94 entdeckt hatten. Auf Fermis Drängen hin erhielt das Element den Namen Hesperium, der Wissenschaftler war davon überzeugt, dass er hatte ein neues Element entdeckt, das heute Plutonium heißt, und legte damit die Existenz von Transuran-Elementen nahe und wurde zu ihrem theoretischen Entdecker. Fermi verteidigte diese Hypothese in seiner Nobelvorlesung im Jahr 1938. Erst nach der Entdeckung der Kernspaltung durch die deutschen Wissenschaftler Otto Frisch und Fritz Strassmann sah sich Fermi gezwungen, in der 1939 in Stockholm veröffentlichten gedruckten Ausgabe eine Notiz zu machen, in der er darauf hinwies, dass „das gesamte Problem der Transurane“ neu überdacht werden müsse. Tatsache ist, dass die Arbeiten von Frisch und Strassmann zeigten, dass die von Fermi in seinen Experimenten entdeckte Aktivität genau auf die Spaltung zurückzuführen war und nicht auf die Entdeckung von Transuranelementen, wie er zuvor angenommen hatte.

Ein neues Element, das vierundneunzigste, wurde Ende 1940 entdeckt. Es geschah in Berkeley an der University of California. Durch den Beschuss von Uranoxid (U3O8) mit schweren Wasserstoffkernen (Deuteronen) entdeckte eine Gruppe amerikanischer Radiochemiker unter der Leitung von Glenn T. Seaborg einen bisher unbekannten Alphateilchen-Emitter mit einer Halbwertszeit von 90 Jahren. Es stellte sich heraus, dass es sich bei diesem Emittenten um das Isotop des Elements Nr. 94 mit der Massenzahl 238 handelte. So wurden am 14. Dezember 1940 die ersten Mikrogrammmengen Plutonium zusammen mit einer Beimischung anderer Elemente und ihrer Verbindungen gewonnen.

Bei einem Experiment im Jahr 1940 wurde festgestellt, dass bei einer Kernreaktion zunächst das kurzlebige Isotop Neptunium-238 entsteht (Halbwertszeit 2,117 Tage) und daraus Plutonium-238:

23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu

Lange und mühsame chemische Experimente zur Trennung des neuen Elements von Verunreinigungen dauerten zwei Monate. Die Existenz eines neuen chemischen Elements wurde in der Nacht vom 23. auf den 24. Februar 1941 von G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy und A. C. Wall durch die Untersuchung seiner ersten chemischen Eigenschaften bestätigt – der Fähigkeit, mindestens zwei Oxidationsstufen zu besitzen Zustände. Etwas später als das Ende der Experimente wurde festgestellt, dass dieses Isotop nicht spaltbar und daher für weitere Untersuchungen uninteressant ist. Bald (März 1941) synthetisierten Kennedy, Seaborg, Segre und Wahl ein wichtigeres Isotop, Plutonium-239, indem sie Uran in einem Zyklotron mit hochbeschleunigten Neutronen bestrahlten. Dieses Isotop entsteht durch den Zerfall von Neptunium-239, emittiert Alphastrahlung und hat eine Halbwertszeit von 24.000 Jahren. Die erste reine Verbindung des Elements wurde 1942 gewonnen, und die ersten Gewichtsmengen metallischen Plutoniums wurden 1943 gewonnen.

Der Name des neuen Elements 94 wurde 1948 von MacMillan vorgeschlagen, der wenige Monate vor der Entdeckung von Plutonium zusammen mit F. Eibelson das erste Element erhielt, das schwerer als Uran war – Element Nr. 93, das zu Ehren Neptunium genannt wurde des Planeten Neptun - der erste jenseits von Uranus. Analog dazu beschlossen sie, das Element Nr. 94 Plutonium zu nennen, da der Planet Pluto nach Uranus der zweitgrößte ist. Seaborg wiederum schlug vor, das neue Element „Plutium“ zu nennen, stellte dann jedoch fest, dass der Name im Vergleich zu „Plutonium“ nicht sehr gut klang. Darüber hinaus schlug er andere Namen für das neue Element vor: Ultimium, Extermium, aufgrund der damaligen Fehleinschätzung, dass Plutonium das letzte chemische Element im Periodensystem werden würde. Daher erhielt das Element zu Ehren der Entdeckung des letzten Planeten im Sonnensystem den Namen „Plutonium“.

In der Natur sein

Die Halbwertszeit des langlebigsten Plutoniumisotops beträgt 75 Millionen Jahre. Die Zahl ist sehr beeindruckend, allerdings wird das Alter der Galaxis in Milliarden Jahren gemessen. Daraus folgt, dass die primären Isotope des vierundneunzigsten Elements, die während der großen Synthese der Elemente des Universums entstanden sind, bis heute keine Überlebenschance hatten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es auf der Erde überhaupt kein Plutonium gibt. Es wird ständig in Uranerzen gebildet. Durch das Einfangen von Neutronen aus kosmischer Strahlung und Neutronen, die durch die spontane Spaltung von 238U-Kernen entstehen, verwandeln sich einige – sehr wenige – Atome dieses Isotops in 239U-Atome. Die Kerne dieses Elements sind sehr instabil, sie emittieren Elektronen und erhöhen dadurch ihre Ladung, es kommt zur Bildung von Neptunium, dem ersten Transuranelement. 239Np ist zudem instabil, seine Kerne emittieren ebenfalls Elektronen, sodass sich in nur 56 Stunden die Hälfte von 239Np in 239Pu verwandelt.

Die Halbwertszeit dieses Isotops ist bereits sehr lang und beträgt 24.000 Jahre. Im Durchschnitt ist der Gehalt an 239Pu etwa 400.000-mal geringer als der von Radium. Daher ist es äußerst schwierig, „terrestrisches“ Plutonium nicht nur abzubauen, sondern sogar nachzuweisen. Kleine Mengen 239Pu – Teile pro Billion – und Zerfallsprodukte können in Uranerzen gefunden werden, beispielsweise im natürlichen Kernreaktor in Oklo, Gabun (Westafrika). Der sogenannte „natürliche Kernreaktor“ gilt als der einzige weltweit, in dem derzeit in der Geosphäre Aktiniden und deren Spaltprodukte entstehen. Nach modernen Schätzungen kam es in dieser Region vor mehreren Millionen Jahren zu einer selbsterhaltenden Reaktion unter Freisetzung von Wärme, die mehr als eine halbe Million Jahre anhielt.

Wir wissen also bereits, dass in Uranerzen durch den Einfang von Neutronen durch Urankerne Neptunium (239Np) entsteht, dessen β-Zerfallsprodukt natürliches Plutonium-239 ist. Dank spezieller Instrumente – Massenspektrometer – wurde im präkambrischen Bastnäsit (Cererz) das Vorhandensein von Plutonium-244 (244Pu) entdeckt, das die längste Halbwertszeit hat – etwa 80 Millionen Jahre. In der Natur kommt 244Pu überwiegend in Form von Dioxid (PuO2) vor, das in Wasser noch schlechter löslich ist als Sand (Quarz). Da sich das relativ langlebige Isotop Plutonium-240 (240Pu) in der Zerfallskette von Plutonium-244 befindet, kommt es zwar zu dessen Zerfall, dieser kommt jedoch sehr selten vor (1 Fall von 10.000). Sehr geringe Mengen an Plutonium-238 (238Pu) sind auf den sehr seltenen doppelten Beta-Zerfall des Ausgangsisotops Uran-238 zurückzuführen, der in Uranerzen gefunden wurde.

Spuren der Isotope 247Pu und 255Pu wurden im Staub gefunden, der nach Explosionen thermonuklearer Bomben gesammelt wurde.

Hypothetisch könnten minimale Mengen an Plutonium im menschlichen Körper vorhanden sein, da zahlreiche Atomtests durchgeführt wurden, die auf die eine oder andere Weise mit Plutonium in Zusammenhang standen. Plutonium reichert sich hauptsächlich im Skelett und in der Leber an und wird von dort praktisch nicht ausgeschieden. Darüber hinaus wird Element 94 von Meeresorganismen angereichert; Landpflanzen nehmen Plutonium hauptsächlich über das Wurzelsystem auf.

Es stellt sich heraus, dass künstlich synthetisiertes Plutonium immer noch in der Natur existiert. Warum wird es also nicht abgebaut, sondern künstlich gewonnen? Tatsache ist, dass die Konzentration dieses Elements zu niedrig ist. Über ein anderes radioaktives Metall – Radium – sagt man: „Ein Gramm Produktion ist ein Jahr Arbeit“, und Radium kommt in der Natur 400.000 Mal häufiger vor als Plutonium! Aus diesem Grund ist es äußerst schwierig, „terrestrisches“ Plutonium nicht nur abzubauen, sondern sogar nachzuweisen. Dies geschah erst, nachdem die physikalischen und chemischen Eigenschaften des in Kernreaktoren erzeugten Plutoniums untersucht wurden.

Anwendung

Das 239Pu-Isotop (zusammen mit U) wird als Kernbrennstoff in Leistungsreaktoren verwendet, die (hauptsächlich) mit thermischen und schnellen Neutronen betrieben werden, sowie bei der Herstellung von Kernwaffen.

Etwa ein halbes Tausend Kernkraftwerke auf der ganzen Welt erzeugen etwa 370 GW Strom (oder 15 % der gesamten Stromproduktion der Welt). Plutonium-236 wird bei der Herstellung von Atombatterien verwendet, deren Lebensdauer fünf Jahre oder mehr beträgt, sie werden in Stromgeneratoren verwendet, die das Herz stimulieren (Herzschrittmacher). 238Pu wird in kleinen Kernenergiequellen für die Weltraumforschung verwendet. So ist Plutonium-238 die Energiequelle für die Sonden New Horizons, Galileo und Cassini, den Rover Curiosity und andere Raumfahrzeuge.

Kernwaffen verwenden Plutonium-239, da dieses Isotop das einzig geeignete Nuklid für den Einsatz in einer Atombombe ist. Darüber hinaus ist die häufigere Verwendung von Plutonium-239 in Atombomben darauf zurückzuführen, dass Plutonium in der Kugel (wo sich der Bombenkern befindet) ein geringeres Volumen einnimmt und daher die Sprengkraft der Bombe gesteigert werden kann Eigentum.

Das Schema, nach dem eine nukleare Explosion mit Plutonium erfolgt, liegt in der Konstruktion der Bombe selbst, deren Kern aus einer mit 239Pu gefüllten Kugel besteht. Im Moment der Kollision mit dem Boden wird die Kugel konstruktionsbedingt und durch den diese Kugel umgebenden Sprengstoff auf eine Million Atmosphären komprimiert. Nach dem Aufprall dehnt sich der Kern in kürzester Zeit in Volumen und Dichte aus – mehrere zehn Mikrosekunden, die Anordnung springt mit thermischen Neutronen durch den kritischen Zustand und geht mit schnellen Neutronen in den überkritischen Zustand über – eine nukleare Kettenreaktion beginnt unter Beteiligung von Neutronen und Kerne des Elements. Die letzte Explosion einer Atombombe setzt Temperaturen in der Größenordnung von mehreren zehn Millionen Grad frei.

Plutoniumisotope haben ihre Verwendung bei der Synthese von Transplutoniumelementen (neben Plutonium) gefunden. Beispielsweise werden im Oak Ridge National Laboratory bei Langzeit-Neutronenbestrahlung 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es und 257100Fm erhalten. Auf die gleiche Weise wurde erstmals 1944 Americium 24195Am gewonnen. Im Jahr 2010 diente mit Calcium-48-Ionen beschossenes Plutonium-242-Oxid als Quelle für Ununquadium.

δ-stabilisierte Plutoniumlegierungen werden bei der Herstellung von Brennstäben verwendet, da sie im Vergleich zu reinem Plutonium, das beim Erhitzen Phasenübergänge durchläuft und ein sehr sprödes und unzuverlässiges Material ist, deutlich bessere metallurgische Eigenschaften aufweisen. Legierungen von Plutonium mit anderen Elementen (intermetallische Verbindungen) werden normalerweise durch direkte Wechselwirkung von Elementen in den erforderlichen Anteilen erhalten, während hauptsächlich Lichtbogenschmelzen verwendet wird; manchmal werden instabile Legierungen durch Sprühabscheidung oder Abkühlung von Schmelzen erhalten.

Die wichtigsten industriellen Legierungselemente für Plutonium sind Gallium, Aluminium und Eisen, obwohl Plutonium mit wenigen Ausnahmen (Kalium, Natrium, Lithium, Rubidium, Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Europium und Ytterbium) mit den meisten Metallen Legierungen und Zwischenprodukte bilden kann. . Refraktärmetalle: Molybdän, Niob, Chrom, Tantal und Wolfram sind in flüssigem Plutonium löslich, in festem Plutonium jedoch fast unlöslich oder kaum löslich. Indium, Silizium, Zink und Zirkonium sind in der Lage, bei schnellem Abkühlen metastabiles δ-Plutonium (δ"-Phase) zu bilden. Gallium, Aluminium, Americium, Scandium und Cer können δ-Plutonium bei Raumtemperatur stabilisieren.

Große Mengen an Holmium, Hafnium und Thallium ermöglichen die Lagerung von etwas δ-Plutonium bei Raumtemperatur. Neptunium ist das einzige Element, das α-Plutonium bei hohen Temperaturen stabilisieren kann. Titan, Hafnium und Zirkonium stabilisieren die Struktur von β-Plutonium bei Raumtemperatur, wenn es schnell abgekühlt wird. Die Anwendungen solcher Legierungen sind sehr vielfältig. Beispielsweise wird eine Plutonium-Gallium-Legierung zur Stabilisierung der δ-Phase von Plutonium verwendet, wodurch der α-δ-Phasenübergang vermieden wird. Die ternäre Plutonium-Gallium-Kobalt-Legierung (PuGaCo5) ist eine supraleitende Legierung bei 18,5 K. Es gibt eine Reihe von Legierungen (Plutonium-Zirkonium, Plutonium-Cer und Plutonium-Cer-Kobalt), die als Kernbrennstoff verwendet werden.

Produktion

Industrielles Plutonium wird auf zwei Arten hergestellt. Hierbei handelt es sich entweder um die Bestrahlung von 238U-Kernen in Kernreaktoren oder um die Trennung von Plutonium aus Uran, Transuranen und Spaltprodukten, die in abgebrannten Brennelementen enthalten sind, durch radiochemische Methoden (Mitfällung, Extraktion, Ionenaustausch usw.).

Im ersten Fall wird das praktischste Isotop 239Pu (gemischt mit einer kleinen Beimischung von 240Pu) in Kernreaktoren unter Beteiligung von Urankernen und Neutronen mittels β-Zerfall und unter Beteiligung von Neptuniumisotopen als Zwischenprodukt der Spaltung erzeugt:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β-Zerfall

Dabei dringt ein Deuteron in Uran-238 ein, wodurch Neptunium-238 und zwei Neutronen entstehen. Neptunium-238 spaltet sich dann spontan und emittiert Beta-Minus-Partikel, die Plutonium-238 bilden.

Typischerweise beträgt der Gehalt an 239Pu in der Mischung 90–95 %, 240Pu beträgt 1–7 %, der Gehalt an anderen Isotopen überschreitet nicht Zehntelprozent. Isotope mit langen Halbwertszeiten – 242Pu und 244Pu – werden durch längere Bestrahlung mit 239Pu-Neutronen erhalten. Darüber hinaus beträgt die Ausbeute an 242Pu mehrere zehn Prozent, und 244Pu macht einen Bruchteil eines Prozents des 242Pu-Gehalts aus. Bei der Bestrahlung von Neptunium-237 mit Neutronen entstehen geringe Mengen isotopenreines Plutonium-238. Leichte Isotope von Plutonium mit den Massenzahlen 232–237 werden üblicherweise in einem Zyklotron durch Bestrahlung von Uranisotopen mit α-Teilchen gewonnen.

Die zweite Methode der industriellen Produktion von 239Pu nutzt das Purex-Verfahren, das auf der Extraktion mit Tributylphosphat in einem leichten Verdünnungsmittel basiert. Im ersten Zyklus werden Pu und U gemeinsam von Spaltprodukten gereinigt und anschließend abgetrennt. Im zweiten und dritten Zyklus wird das Plutonium weiter gereinigt und konzentriert. Das Schema eines solchen Prozesses basiert auf den unterschiedlichen Eigenschaften vier- und sechswertiger Verbindungen der zu trennenden Elemente.

Zunächst werden abgebrannte Brennstäbe demontiert und die Umhüllung mit verbrauchtem Plutonium und Uran auf physikalischen und chemischen Wegen entfernt. Anschließend wird der extrahierte Kernbrennstoff in Salpetersäure gelöst. Schließlich ist es im gelösten Zustand ein starkes Oxidationsmittel und Uran, Plutonium und Verunreinigungen werden oxidiert. Plutoniumatome mit der Wertigkeit Null werden in Pu+6 umgewandelt und sowohl Plutonium als auch Uran werden gelöst. Aus einer solchen Lösung wird das vierundneunzigste Element mit Schwefeldioxid in den dreiwertigen Zustand reduziert und anschließend mit Lanthanfluorid (LaF3) ausgefällt.

Allerdings enthält das Sediment neben Plutonium auch Neptunium und Seltenerdelemente, der Großteil (Uran) bleibt jedoch in Lösung. Anschließend wird das Plutonium erneut zu Pu+6 oxidiert und erneut Lanthanfluorid hinzugefügt. Nun fallen die Seltenerdelemente aus und das Plutonium bleibt in Lösung. Als nächstes wird Neptunium mit Kaliumbromat in einen vierwertigen Zustand oxidiert, da dieses Reagens keinen Einfluss auf Plutonium hat. Bei der Sekundärfällung mit demselben Lanthanfluorid geht dreiwertiges Plutonium in einen Niederschlag über und Neptunium bleibt in Lösung. Die Endprodukte solcher Operationen sind plutoniumhaltige Verbindungen – PuO2-Dioxid oder Fluoride (PuF3 oder PuF4), aus denen metallisches Plutonium gewonnen wird (durch Reduktion mit Barium-, Calcium- oder Lithiumdampf).

Reineres Plutonium kann durch elektrolytische Raffination des pyrochemisch erzeugten Metalls erreicht werden, die in Elektrolysezellen bei 700 °C mit einem Elektrolyten aus Kalium, Natrium und Plutoniumchlorid unter Verwendung einer Wolfram- oder Tantalkathode erfolgt. Das so gewonnene Plutonium hat eine Reinheit von 99,99 %.

Um große Mengen Plutonium zu produzieren, werden Brutreaktoren gebaut, sogenannte „Breeder“ (vom englischen Verb tobreed – vermehren). Diese Reaktoren erhielten ihren Namen aufgrund ihrer Fähigkeit, spaltbares Material in Mengen zu produzieren, die die Kosten für die Beschaffung dieses Materials übersteigen. Der Unterschied zwischen Reaktoren dieses Typs und anderen besteht darin, dass die Neutronen in ihnen nicht abgebremst werden (es gibt keinen Moderator, beispielsweise Graphit), damit möglichst viele von ihnen mit 238U reagieren.

Nach der Reaktion entstehen 239U-Atome, die anschließend 239Pu bilden. Der Kern eines solchen Reaktors, der PuO2 in abgereichertem Urandioxid (UO2) enthält, ist von einer Hülle aus noch stärker abgereichertem Urandioxid-238 (238UO2) umgeben, in dem 239Pu entsteht. Durch die kombinierte Verwendung von 238U und 235U können „Brüter“ 50-60-mal mehr Energie aus natürlichem Uran erzeugen als andere Reaktoren. Allerdings haben diese Reaktoren einen großen Nachteil: Die Brennstäbe müssen durch ein anderes Medium als Wasser gekühlt werden, was ihre Energie verringert. Daher wurde beschlossen, flüssiges Natrium als Kühlmittel zu verwenden.

Der Bau solcher Reaktoren in den Vereinigten Staaten von Amerika begann nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs; die UdSSR und Großbritannien begannen erst in den 1950er Jahren mit dem Bau.

Physikalische Eigenschaften

Plutonium ist ein sehr schweres (normale Dichte 19,84 g/cm³) silbriges Metall, das im gereinigten Zustand Nickel sehr ähnlich ist, aber an der Luft oxidiert Plutonium schnell, verblasst und bildet einen schillernden Film, der zunächst hellgelb und dann dunkelviolett wird . Bei starker Oxidation bildet sich auf der Metalloberfläche ein olivgrünes Oxidpulver (PuO2).

Plutonium ist ein hochelektronegatives und reaktives Metall, um ein Vielfaches sogar stärker als Uran. Es hat sieben allotrope Modifikationen (α, β, γ, δ, δ“, ε und ζ), die sich in einem bestimmten Temperaturbereich und in einem bestimmten Druckbereich ändern. Bei Raumtemperatur liegt Plutonium in der α-Form vor – das ist die häufigste allotrope Modifikation für Plutonium. In der Alpha-Phase ist reines Plutonium spröde und ziemlich hart – diese Struktur ist etwa so hart wie Grauguss, es sei denn, es wird mit anderen Metallen legiert, was der Legierung Duktilität und Weichheit verleiht. Darüber hinaus ist In dieser Form mit der höchsten Dichte ist Plutonium das sechstdichteste Element (nur Osmium, Iridium, Platin, Rhenium und Neptunium sind schwerer. Weitere allotrope Umwandlungen von Plutonium gehen mit abrupten Dichteänderungen einher. Beispielsweise beim Erhitzen von 310 auf 480 °C , es dehnt sich nicht wie andere Metalle aus, sondern zieht sich zusammen (Delta-Phasen „ und „Delta-Prime“). Beim Schmelzen (Übergang von der Epsilon-Phase zur flüssigen Phase) zieht sich das Plutonium ebenfalls zusammen, wodurch ungeschmolzenes Plutonium schweben kann.

Plutonium hat eine Vielzahl ungewöhnlicher Eigenschaften: Es hat die niedrigste Wärmeleitfähigkeit aller Metalle – bei 300 K beträgt sie 6,7 W/(m K); Plutonium hat die niedrigste elektrische Leitfähigkeit; In seiner flüssigen Phase ist Plutonium das viskoseste Metall. Der spezifische Widerstand des vierundneunzigsten Elements ist bei Raumtemperatur für ein Metall sehr hoch, und diese Eigenschaft nimmt mit sinkender Temperatur zu, was für Metalle nicht typisch ist. Diese „Anomalie“ kann bis zu einer Temperatur von 100 K verfolgt werden – unterhalb dieser Marke nimmt der elektrische Widerstand ab. Ab 20 K beginnt der Widerstand jedoch aufgrund der Strahlungsaktivität des Metalls wieder anzusteigen.

Plutonium hat den höchsten elektrischen Widerstand aller bisher untersuchten Aktiniden, nämlich 150 μΩ·cm (bei 22 °C). Dieses Metall hat einen niedrigen Schmelzpunkt (640 °C) und einen ungewöhnlich hohen Siedepunkt (3.227 °C). Näher am Schmelzpunkt hat flüssiges Plutonium im Vergleich zu anderen Metallen eine sehr hohe Viskosität und Oberflächenspannung.

Aufgrund seiner Radioaktivität fühlt sich Plutonium warm an. Ein großes Stück Plutonium wird in einer thermischen Hülle auf eine Temperatur erhitzt, die über dem Siedepunkt von Wasser liegt! Darüber hinaus erfährt Plutonium aufgrund seiner Radioaktivität im Laufe der Zeit Veränderungen in seinem Kristallgitter – es kommt zu einer Art Ausglühen durch Selbstbestrahlung aufgrund von Temperaturerhöhungen über 100 K.

Das Vorhandensein einer großen Anzahl allotroper Modifikationen in Plutonium macht es aufgrund von Phasenübergängen zu einem schwierig zu verarbeitenden und auszurollenden Metall. Wir wissen bereits, dass das vierundneunzigste Element in der Alpha-Form ähnliche Eigenschaften wie Gusseisen hat, jedoch dazu neigt, sich zu verändern und in ein duktiles Material umzuwandeln und in höheren Temperaturbereichen eine formbare β-Form zu bilden. Plutonium in der δ-Form ist normalerweise bei Temperaturen zwischen 310 °C und 452 °C stabil, kann jedoch bei Raumtemperatur existieren, wenn es mit geringen Anteilen an Aluminium, Cer oder Gallium dotiert ist. Wenn Plutonium mit diesen Metallen legiert wird, kann es zum Schweißen verwendet werden. Im Allgemeinen weist die Delta-Form ausgeprägtere Eigenschaften eines Metalls auf – sie kommt Aluminium in Bezug auf Festigkeit und Schmiedbarkeit nahe.

Chemische Eigenschaften

Die chemischen Eigenschaften des vierundneunzigsten Elements ähneln in vielerlei Hinsicht den Eigenschaften seiner Vorgänger im Periodensystem – Uran und Neptunium. Plutonium ist ein ziemlich aktives Metall; es bildet Verbindungen mit Oxidationsstufen von +2 bis +7. In wässrigen Lösungen weist das Element die folgenden Oxidationsstufen auf: Pu (III), als Pu3+ (kommt in sauren wässrigen Lösungen vor, hat eine hellviolette Farbe); Pu (IV), als Pu4+ (Schokoladenton); Pu (V), als PuO2+ (leichte Lösung); Pu (VI), als PuO22+ (hellorange Lösung) und Pu(VII), als PuO53- (grüne Lösung).

Darüber hinaus können diese Ionen (außer PuO53-) gleichzeitig in der Lösung im Gleichgewicht sein, was durch die Anwesenheit von 5f-Elektronen erklärt wird, die sich in der lokalisierten und delokalisierten Zone des Elektronenorbitals befinden. Bei pH 5-8 dominiert Pu(IV), das unter anderen Valenzen (Oxidationsstufen) am stabilsten ist. Plutoniumionen aller Oxidationsstufen neigen zur Hydrolyse und Komplexbildung. Die Fähigkeit, solche Verbindungen zu bilden, nimmt in der Pu5+-Reihe zu

Kompaktes Plutonium oxidiert langsam an der Luft und wird mit einem schillernden, öligen Oxidfilm bedeckt. Folgende Plutoniumoxide sind bekannt: PuO, Pu2O3, PuO2 und eine Phase variabler Zusammensetzung Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). In Gegenwart geringer Feuchtigkeitsmengen nimmt die Oxidations- und Korrosionsrate deutlich zu. Wenn ein Metall über längere Zeit geringen Mengen feuchter Luft ausgesetzt ist, bildet sich auf seiner Oberfläche Plutoniumdioxid (PuO2). Bei Sauerstoffmangel kann sich auch dessen Dihydrid (PuH2) bilden. Überraschenderweise rostet Plutonium in einer Atmosphäre aus einem Inertgas (z. B. Argon) mit Wasserdampf viel schneller als in trockener Luft oder reinem Sauerstoff. Tatsächlich ist diese Tatsache leicht zu erklären: Durch die direkte Einwirkung von Sauerstoff bildet sich eine Oxidschicht auf der Oberfläche von Plutonium, die eine weitere Oxidation verhindert. Durch die Anwesenheit von Feuchtigkeit entsteht eine lockere Mischung aus Oxid und Hydrid. Dank dieser Beschichtung wird das Metall übrigens pyrophor, also zur Selbstentzündung fähig; aus diesem Grund wird metallisches Plutonium üblicherweise in einer inerten Atmosphäre aus Argon oder Stickstoff verarbeitet. Gleichzeitig ist Sauerstoff ein Schutzstoff und verhindert, dass Feuchtigkeit auf das Metall einwirkt.

Das vierundneunzigste Element reagiert mit Säuren, Sauerstoff und deren Dämpfen, jedoch nicht mit Laugen. Plutonium ist nur in sehr sauren Medien (z. B. Salzsäure HCl) gut löslich und ist auch in Chlorwasserstoff, Jodwasserstoff, Bromwasserstoff, 72 %iger Perchlorsäure, 85 %iger Orthophosphorsäure H3PO4, konzentriertem CCl3COOH, Sulfaminsäure und kochendem Wasser löslich konzentrierte Salpetersäure. Plutonium löst sich in alkalischen Lösungen kaum.

Wenn Lösungen, die vierwertiges Plutonium enthalten, Alkalien ausgesetzt werden, fällt ein Niederschlag aus Plutoniumhydroxid Pu(OH)4 xH2O mit basischen Eigenschaften aus. Wenn PuO2+-haltige Salzlösungen Alkalien ausgesetzt werden, fällt das amphotere Hydroxid PuO2OH aus. Die Antwort darauf sind Salze – Plutonite, zum Beispiel Na2Pu2O6.

Plutoniumsalze hydrolysieren bei Kontakt mit neutralen oder alkalischen Lösungen leicht und bilden unlösliches Plutoniumhydroxid. Konzentrierte Plutoniumlösungen sind aufgrund der radiolytischen Zersetzung, die zu Ausfällungen führt, instabil.

Dieses Metall wird als kostbar bezeichnet, aber nicht wegen seiner Schönheit, sondern wegen seiner Unersetzlichkeit. Im Periodensystem von Mendelejew steht dieses Element auf Platz 94. Darauf setzen Wissenschaftler ihre größten Hoffnungen, und Plutonium bezeichnen sie als das gefährlichste Metall für die Menschheit.

Plutonium: Beschreibung

Vom Aussehen her handelt es sich um ein silberweißes Metall. Es ist radioaktiv und kann in Form von 15 Isotopen mit unterschiedlichen Halbwertszeiten dargestellt werden, zum Beispiel:

• Pu-238 – etwa 90 Jahre
• Pu-239 – etwa 24.000 Jahre
• Pu-240 – 6580 Jahre
• Pu-241 – 14 Jahre
• Pu-242 – 370.000 Jahre
• Pu-244 – etwa 80 Millionen Jahre

Dieses Metall kann nicht aus Erzen gewonnen werden, da es ein Produkt der radioaktiven Umwandlung von Uran ist.

Wie wird Plutonium gewonnen?

Die Herstellung von Plutonium erfordert die Spaltung von Uran, was nur in Kernreaktoren möglich ist. Wenn wir über das Vorhandensein des Elements Pu in der Erdkruste sprechen, dann kommt auf 4 Millionen Tonnen Uranerz nur 1 Gramm reines Plutonium. Und dieses Gramm entsteht durch den natürlichen Einfang von Neutronen durch Urankerne. Um diesen Kernbrennstoff (normalerweise das Isotop 239-Pu) in einer Menge von mehreren Kilogramm zu erhalten, ist es daher notwendig, einen komplexen technologischen Prozess in einem Kernreaktor durchzuführen.

Eigenschaften von Plutonium

Das radioaktive Metall Plutonium hat folgende physikalische Eigenschaften:

• Dichte 19,8 g/cm3
• Schmelzpunkt – 641°C
• Siedepunkt – 3232°C
• Wärmeleitfähigkeit (bei 300 K) – 6,74 W/(m·K)

Plutonium ist radioaktiv und fühlt sich deshalb warm an. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Metall durch die niedrigste thermische und elektrische Leitfähigkeit aus. Flüssiges Plutonium ist das viskoseste aller existierenden Metalle.

Die geringste Temperaturänderung von Plutonium führt zu einer sofortigen Änderung der Dichte der Substanz. Im Allgemeinen ändert sich die Masse von Plutonium ständig, da sich die Kerne dieses Metalls in einem Zustand ständiger Spaltung in kleinere Kerne und Neutronen befinden. Als kritische Masse von Plutonium bezeichnet man die Mindestmasse eines spaltbaren Stoffes, bei der eine Spaltung (eine nukleare Kettenreaktion) noch möglich ist. Beispielsweise beträgt die kritische Masse von waffenfähigem Plutonium 11 kg (zum Vergleich: Die kritische Masse von hochangereichertem Uran beträgt 52 kg).

Uran und Plutonium sind die wichtigsten Kernbrennstoffe. Um Plutonium in großen Mengen zu gewinnen, werden zwei Technologien eingesetzt:

• Uranbestrahlung
• Bestrahlung von Transuranelementen, die aus abgebrannten Brennelementen gewonnen werden

Bei beiden Methoden erfolgt die Trennung von Plutonium und Uran durch eine chemische Reaktion.

Um reines Plutonium-238 zu erhalten, wird die Neutronenbestrahlung von Neptunium-237 verwendet. Dasselbe Isotop ist an der Entstehung des waffenfähigen Plutonium-239 beteiligt, insbesondere handelt es sich dabei um ein Zerfallszwischenprodukt. 1 Million US-Dollar ist der Preis für 1 kg Plutonium-238.

Das Plutoniumisotop 238 Pu wurde erstmals am 23. Februar 1941 von einer Gruppe amerikanischer Wissenschaftler unter der Leitung von G. Seaborg künstlich durch Bestrahlung von Urankernen mit Deuteronen gewonnen. Erst dann wurde Plutonium in der Natur entdeckt: 239 Pu kommt normalerweise in vernachlässigbaren Mengen in Uranerzen als Produkt der radioaktiven Umwandlung von Uran vor. Plutonium ist das erste künstliche Element, das in wägbaren Mengen gewonnen wurde (1942) und das erste, dessen Produktion im industriellen Maßstab begann.
Der Name des Elements führt das astronomische Thema fort: Es ist nach Pluto benannt, dem zweiten Planeten nach Uranus.

In der Natur sein und empfangen:

In Uranerzen entsteht durch den Einfang von Neutronen (z. B. Neutronen aus kosmischer Strahlung) durch Urankerne das Produkt Neptunium (239 Np). B- dessen Zerfall natürliches Plutonium-239 ist. Allerdings entsteht Plutonium in solch mikroskopischen Mengen (0,4–15 Teile Pu pro 10 12 Teile U), dass eine Gewinnung aus Uranerzen nicht in Frage kommt.
Plutonium wird in Kernreaktoren hergestellt. In starken Neutronenströmen läuft die gleiche Reaktion ab wie in Uranerzen, aber die Geschwindigkeit der Bildung und Anreicherung von Plutonium im Reaktor ist viel höher – eine Milliarde Mal. Für die Reaktion der Umwandlung von Ballasturan-238 in Plutonium-239 in Energiequalität werden optimale (innerhalb akzeptabler) Bedingungen geschaffen.
Auch in einem Kernreaktor reichert sich Plutonium-244 an. Isotop des Elements Nr. 95 - Americium, 243 Am, nachdem es ein Neutron eingefangen hatte, verwandelte es sich in Americium-244; Americium-244 wandelte sich in Curium um, aber in einem von zehntausend Fällen kam es zu einem Übergang in Plutonium-244. Aus einer Mischung von Americium und Curium wurde ein nur wenige Millionstel Gramm schweres Plutonium-244-Präparat isoliert. Aber sie reichten aus, um die Halbwertszeit dieses interessanten Isotops zu bestimmen – 75 Millionen Jahre. Später wurde es verfeinert und es stellte sich heraus, dass es 82,8 Millionen Jahre alt war. Im Jahr 1971 wurden Spuren dieses Isotops im Seltenerdmineral Bastnäsit gefunden. 244 Pu ist das langlebigste aller Isotope der Transurane.

Physikalische Eigenschaften:

Silberweißes Metall, hat 6 allotrope Modifikationen. Schmelzpunkt 637°C, Siedepunkt - 3235°C. Dichte: 19,82 g/cm3.

Chemische Eigenschaften:

Plutonium ist in der Lage, mit Sauerstoff zu Oxid(IV) zu reagieren, das wie alle ersten sieben Aktiniden einen schwach basischen Charakter hat.
Pu + O 2 = PuO 2
Reagiert mit verdünnter Schwefel-, Salz- und Perchlorsäure.
Pu + 2HCl(p) = PuCl 2 + H 2 ; Pu + 2H 2 SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
Reagiert nicht mit Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure. Die Wertigkeit von Plutonium variiert zwischen drei und sieben. Chemisch gesehen ist vierwertiges Plutonium die stabilste (und daher am häufigsten vorkommende und am besten untersuchte) Verbindung. Die Trennung von Aktiniden mit ähnlichen chemischen Eigenschaften – Uran, Neptunium und Plutonium – kann auf den unterschiedlichen Eigenschaften ihrer vier- und sechswertigen Verbindungen basieren.

Die wichtigsten Verbindungen:

Plutonium(IV)-oxid, PuO 2 , hat einen schwach basischen Charakter.
...
...

Anwendung:

Plutonium wurde in großem Umfang bei der Herstellung von Atomwaffen verwendet (sogenanntes „waffenfähiges Plutonium“). Die erste Nuklearbombe auf Plutoniumbasis wurde am 16. Juli 1945 auf dem Testgelände in Alamogordo gezündet (Testcodename Trinity).
Es wird (experimentell) als Kernbrennstoff für Kernreaktoren für zivile und Forschungszwecke verwendet.
Plutonium-242 ist als „Rohstoff“ für die relativ schnelle Anreicherung höherer Transurane in Kernreaktoren wichtig. Wenn Plutonium-239 in einem herkömmlichen Reaktor bestrahlt wird, dauert es etwa 20 Jahre, bis sich aus Gramm Plutonium Mikrogrammmengen von beispielsweise California-251 bilden. Plutonium-242 ist durch thermische Neutronen nicht spaltbar und kann selbst in großen Mengen in intensiven Neutronenflüssen bestrahlt werden. Daher werden in Reaktoren alle Elemente von Kalifornien bis Einsteinium aus diesem Isotop „hergestellt“ und in Gewichtsmengen angereichert.

Kovalenko O.A.
HF Staatliche Universität Tjumen

Quellen:
„Schädliche Chemikalien: Radioaktive Stoffe“ Verzeichnis L. 1990 S. 197
Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. „Ein kurzes chemisches Nachschlagewerk“ L.: Chemistry, 1977 S. 90, 306-307.
IN. Beckmann. Plutonium. (Lehrbuch, 2009)