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 hat ein Neutron eingefangen und in Americium-244 umgewandelt; 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.
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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.: Chemie, 1977 S. 90, 306-307.
IN. Beckmann. Plutonium. (Lehrbuch, 2009)
Geschichte
1940 von Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy und Arthur Wahl 1940 in Berkeley (USA) beim Beschuss eines Uranziels mit in einem Zyklotron beschleunigten Deuteronen entdeckt.
Herkunft des Namens
Plutonium wurde nach dem Planeten Pluto benannt, da das zuvor entdeckte chemische Element Neptunium hieß.
Quittung
Plutonium wird in Kernreaktoren hergestellt.
Das Isotop 238 U, das den Großteil des natürlichen Urans ausmacht, ist für die Spaltung wenig geeignet. Bei Kernreaktoren ist Uran leicht angereichert, der Anteil von 235 U im Kernbrennstoff bleibt jedoch gering (ca. 5 %). Der Hauptbestandteil von Brennstäben ist 238 U. Während des Betriebs eines Kernreaktors fängt ein Teil der 238 U-Kerne Neutronen ein und wandelt sich in 239 Pu um, das später isoliert werden kann.
Es ist ziemlich schwierig, Plutonium unter den Produkten von Kernreaktionen zu unterscheiden, da Plutonium (wie Uran, Thorium, Neptunium) zu den Aktiniden mit sehr ähnlichen chemischen Eigenschaften gehört. Die Aufgabe wird dadurch erschwert, dass unter den Zerfallsprodukten Elemente der Seltenen Erden enthalten sind, deren chemische Eigenschaften ebenfalls denen von Plutonium ähneln. Es kommen traditionelle radiochemische Methoden zum Einsatz – Fällung, Extraktion, Ionenaustausch usw. Das Endprodukt dieser mehrstufigen Technologie sind Plutoniumoxide PuO 2 oder Fluoride (PuF 3, PuF 4).
Plutonium wird mit der Metallothermie-Methode (Reduktion aktiver Metalle aus Oxiden und Salzen im Vakuum) gewonnen:
PuF 4 +2 Ba = 2BaF 2 + Pu
Isotope
Von Plutonium sind mehr als ein Dutzend Isotope bekannt, alle sind radioaktiv.
Das wichtigste Isotop 239 Pu, fähig zur Kernspaltung und nuklearen Kettenreaktionen. Es ist das einzige Isotop, das für den Einsatz in Atomwaffen geeignet ist. Es hat bessere Neutronenabsorptions- und -streuungseigenschaften als Uran-235, die Anzahl der Neutronen pro Spaltung (etwa 3 gegenüber 2,3) und dementsprechend eine niedrigere kritische Masse. Seine Halbwertszeit beträgt etwa 24.000 Jahre. Andere Plutoniumisotope werden hauptsächlich unter dem Gesichtspunkt ihrer Schädlichkeit für den primären (Waffen-)Einsatz betrachtet.
Isotop 238 Pu hat eine starke Alpha-Radioaktivität und infolgedessen eine erhebliche Wärmeentwicklung (567 W/kg). Dies ist für den Einsatz in Atomwaffen problematisch, findet aber Anwendung in Atombatterien. Fast alle Raumschiffe, die über die Umlaufbahn des Mars hinausgeflogen sind, verfügen über Radioisotopenreaktoren, die 238 Pu verwenden. Im Reaktorplutonium ist der Anteil dieses Isotops sehr gering.
Isotop 240 Pu ist die Hauptverunreinigung von waffenfähigem Plutonium. Es hat eine hohe spontane Zerfallsrate und erzeugt einen hohen Neutronenhintergrund, der die Detonation von Kernladungen erheblich erschwert. Es wird angenommen, dass sein Anteil an Waffen 7 % nicht überschreiten sollte.
241 Pu hat einen niedrigen Neutronenhintergrund und eine mäßige thermische Emission. Sein Anteil beträgt etwas weniger als 1 % und hat keinen Einfluss auf die Eigenschaften von waffenfähigem Plutonium. Aufgrund seiner Halbwertszeit wandelt sich 1914 jedoch in Americium-241 um, das viel Wärme erzeugt, was zu Problemen mit der Überhitzung der Ladungen führen kann.
242 Pu hat einen sehr kleinen Wirkungsquerschnitt für die Neutroneneinfangreaktion und reichert sich in Kernreaktoren an, allerdings in sehr geringen Mengen (weniger als 0,1 %). Die Eigenschaften von waffenfähigem Plutonium werden dadurch nicht beeinträchtigt. Es wird hauptsächlich für weitere Kernreaktionen bei der Synthese von Transplutoniumelementen verwendet: Thermische Neutronen verursachen keine Kernspaltung, sodass beliebige Mengen dieses Isotops mit starken Neutronenflüssen bestrahlt werden können.
Andere Plutoniumisotope sind äußerst selten und haben keinen Einfluss auf die Herstellung von Atomwaffen. Schwere Isotope werden in sehr geringen Mengen gebildet, haben eine kurze Lebensdauer (weniger als ein paar Tage oder Stunden) und werden durch Beta-Zerfall in die entsprechenden Isotope von Americium umgewandelt. Unter ihnen sticht heraus 244 Pu– seine Halbwertszeit beträgt etwa 82 Millionen Jahre. Es ist das isotopenreichste aller Transurane.
Anwendung
Ende 1995 wurden weltweit etwa 1.270 Tonnen Plutonium produziert, davon 257 Tonnen für militärische Zwecke, für die nur das Isotop 239 Pu geeignet ist. Die Verwendung von 239 Pu als Brennstoff in Kernreaktoren ist möglich, wirtschaftlich gesehen ist es dem Uran jedoch unterlegen. Die Kosten für die Wiederaufbereitung von Kernbrennstoff zur Gewinnung von Plutonium sind viel höher als die Kosten für niedrig angereichertes (~5 % 235 U) Uran. Nur Japan verfügt über ein Programm zur energetischen Nutzung von Plutonium.
Allotrope Modifikationen
In fester Form hat Plutonium sieben allotrope Modifikationen (allerdings werden die Phasen ? und ? 1 manchmal kombiniert und als eine Phase betrachtet). Bei Raumtemperatur liegt Plutonium als kristalline Struktur vor ?-Phase. Die Atome sind durch eine kovalente Bindung (anstelle einer Metallbindung) verbunden, sodass die physikalischen Eigenschaften eher denen von Mineralien als denen von Metallen ähneln. Es handelt sich um ein hartes, sprödes Material, das in bestimmte Richtungen bricht. Es hat unter allen Metallen eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe elektrische Leitfähigkeit, mit Ausnahme von Mangan. Die ?-Phase kann mit herkömmlichen Metalltechnologien nicht verarbeitet werden.
Bei Temperaturänderungen erfährt Plutonium eine Umstrukturierung und erfährt extrem starke Veränderungen. Manche Übergänge zwischen den Phasen gehen mit einfach markanten Lautstärkeänderungen einher. In zwei dieser Phasen (? und?1) hat Plutonium eine einzigartige Eigenschaft – einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten, d.h. es zieht sich mit steigender Temperatur zusammen.
Plutonium weist in der Gamma- und Delta-Phase die üblichen Eigenschaften von Metallen auf, insbesondere seine Formbarkeit. In der Delta-Phase weist Plutonium jedoch Instabilität auf. Unter leichtem Druck versucht es, sich in einer dichten (25 %) Alpha-Phase niederzulassen. Diese Eigenschaft wird in Implosionsvorrichtungen von Atomwaffen genutzt.
In reinem Plutonium bei Drücken über 1 Kilobar existiert die Delta-Phase überhaupt nicht. Bei Drücken über 30 Kilobar existieren nur Alpha- und Betaphasen.
Plutoniummetallurgie
Plutonium kann in der Delta-Phase bei Normaldruck und Raumtemperatur stabilisiert werden, indem eine Legierung mit dreiwertigen Metallen wie Gallium, Aluminium, Cer, Indium in einer Konzentration von mehreren Molprozent gebildet wird. In dieser Form wird Plutonium in Atomwaffen eingesetzt.
Bewaffnetes Plutonium
Zur Herstellung von Atomwaffen ist es notwendig, eine Reinheit des gewünschten Isotops (235 U oder 239 Pu) von mehr als 90 % zu erreichen. Die Herstellung von Ladungen aus Uran erfordert viele Anreicherungsschritte (da der Anteil von 235 U im natürlichen Uran weniger als 1 % beträgt), während der Anteil von 239 Pu im Reaktorplutonium normalerweise zwischen 50 und 80 % (also fast 100-mal mehr) liegt. Und in einigen Reaktorbetriebsarten ist es möglich, Plutonium mit mehr als 90 % 239 Pu zu gewinnen – dieses Plutonium erfordert keine Anreicherung und kann direkt für die Herstellung von Atomwaffen verwendet werden.
Biologische Rolle
Plutonium ist einer der giftigsten bekannten Stoffe. Die Toxizität von Plutonium ist nicht so sehr auf seine chemischen Eigenschaften zurückzuführen (obwohl Plutonium vielleicht genauso giftig ist wie jedes Schwermetall), sondern vielmehr auf seine Alpha-Radioaktivität. Alpha-Partikel werden selbst von dünnen Material- oder Stoffschichten zurückgehalten. Nehmen wir an, ein paar Millimeter Haut absorbieren ihren Fluss vollständig und schützen so die inneren Organe. Aber Alpha-Partikel schädigen das Gewebe, mit dem sie in Kontakt kommen, äußerst. Daher stellt Plutonium eine ernsthafte Gefahr dar, wenn es in den Körper gelangt. Es wird im Magen-Darm-Trakt sehr schlecht resorbiert, auch wenn es dort in löslicher Form ankommt. Doch die Einnahme eines halben Gramms Plutonium kann aufgrund einer akuten Bestrahlung des Verdauungstraktes innerhalb von Wochen zum Tod führen.
Das Einatmen eines Zehntelgramms Plutoniumstaub führt innerhalb von zehn Tagen zum Tod durch Lungenödem. Das Einatmen einer Dosis von 20 mg führt innerhalb eines Monats zum Tod durch Fibrose. Kleinere Dosen verursachen eine krebserzeugende Wirkung. Die Einnahme von 1 µg Plutonium erhöht die Wahrscheinlichkeit, an Lungenkrebs zu erkranken, um 1 %. Daher sind 100 Mikrogramm Plutonium im Körper nahezu eine Garantie für die Entstehung von Krebs (innerhalb von zehn Jahren, obwohl Gewebeschäden früher auftreten können).
In biologischen Systemen liegt Plutonium normalerweise in der Oxidationsstufe +4 vor und weist Ähnlichkeiten mit Eisen auf. Sobald es im Blut ist, wird es sich höchstwahrscheinlich in eisenhaltigen Geweben konzentrieren: Knochenmark, Leber, Milz. Wenn sich auch nur 1-2 Mikrogramm Plutonium im Knochenmark festsetzen, wird die Immunität deutlich beeinträchtigt. Der Zeitraum der Entfernung von Plutonium aus Knochengewebe beträgt 80-100 Jahre, d.h. er wird praktisch sein ganzes Leben lang dort bleiben.
Die Internationale Strahlenschutzkommission hat die maximale jährliche Plutoniumaufnahme auf 280 Nanogramm festgelegt.
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 Wärmeleitfähigkeit 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:
- Bestrahlung von Uran
- 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 insbesondere an der Entstehung von waffenfähigem Plutonium-239 beteiligt; es ist ein Zwischenprodukt des Zerfalls. 1 Million US-Dollar ist der Preis für 1 kg Plutonium-238.
Es wurde 1940-41 von den amerikanischen Wissenschaftlern G. Seaborg, E. McMillan, J. Kennedy und A. Wahl entdeckt, die das Isotop 238 Pu durch Bestrahlung von Uran mit schweren Wasserstoffkernen – Deuteronen – erhielten. Benannt nach dem Planeten Pluto, wie die Vorgänger von Plutonium im Periodensystem – Uran und Neptunium, deren Namen ebenfalls von den Planeten Uranus und Neptun stammen. Plutoniumisotope sind mit Massenzahlen von 232 bis 246 bekannt. Spuren der Isotope 247 Pu und 255 Pu wurden im Staub gefunden, der nach Explosionen thermonuklearer Bomben gesammelt wurde. Das langlebigste Isotop von Plutonium ist α-radioaktives 244 Pu (Halbwertszeit T ½ etwa 7,5 · 10 7 Jahre). Die T ½ -Werte aller Plutonium-Isotope sind viel kleiner als das Alter der Erde, und daher ist das gesamte primäre Plutonium (das während seiner Entstehung auf unserem Planeten existierte) vollständig zerfallen. Beim β-Zerfall von 239 Np, der wiederum bei der Kernreaktion von Uran mit Neutronen (z. B. Neutronen aus kosmischer Strahlung) auftritt, entstehen jedoch ständig geringe Mengen an 239 Pu. Daher werden Spuren von Plutonium in Uranerzen gefunden.
Plutonium ist ein glänzend weißes Metall, das bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 640 °C (t pl) in sechs allotropen Modifikationen vorliegt. Allotrope Umwandlungen von Plutonium gehen mit abrupten Dichteänderungen einher. Ein einzigartiges Merkmal von metallischem Plutonium ist, dass es sich beim Erhitzen von 310 auf 480 °C nicht wie andere Metalle ausdehnt, sondern sich zusammenzieht. Die Konfiguration der drei äußeren Elektronenschalen des Pu-Atoms ist 5s 2 5p 6 5d 10 5f 6 6s 2 6p 2 7s 2. Die chemischen Eigenschaften von Plutonium ähneln in vielerlei Hinsicht den Eigenschaften seiner Vorgänger im Periodensystem – Uran und Neptunium. Plutonium bildet Verbindungen mit Oxidationsstufen von +2 bis +7. Bekannt sind die Oxide PuO, Pu 2 O 3, PuO 2 und die Phase variabler Zusammensetzung Pu 2 O 3 - Pu 4 O 7. In Verbindungen mit Halogenen weist Plutonium meist die Oxidationsstufe +3 auf, es sind aber auch die Halogenide PuF 4, PuF 6 und PuCl 4 bekannt. In Lösungen liegt Plutonium in den Formen Pu 3+, Pu 4+, PuO 2 (Plutonylion), PuO 2+ (Plutonylion) und PuO s 3- vor, entsprechend Oxidationsstufen von +3 bis +7. Diese Ionen (außer PuO 3-5) können gleichzeitig in der Lösung im Gleichgewicht sein. Plutoniumionen aller Oxidationsstufen neigen zur Hydrolyse und Komplexbildung.
Von allen Isotopen von Plutonium ist das α-radioaktive 239 Pu das wichtigste (T ½ = 2,4 · 10 4 Jahre). 239 Pu-Kerne sind zu einer Kettenspaltungsreaktion unter dem Einfluss von Neutronen fähig, daher kann 239 Pu als Atomenergiequelle verwendet werden (die bei der Spaltung von 1 g 239 Pu freigesetzte Energie entspricht der bei der Verbrennung freigesetzten Wärme von 4000 kg Kohle). In der UdSSR begannen 1943-44 die ersten Experimente zur Herstellung von 239 Pu unter der Leitung der Akademiker I.V. Kurchatov und V.G. Zum ersten Mal in der UdSSR wurde 1945 Plutonium aus neutronenbestrahltem Uran isoliert. In kürzester Zeit wurden umfangreiche Untersuchungen der Eigenschaften von Plutonium durchgeführt, und 1949 nahm die erste Anlage zur radiochemischen Trennung von Plutonium in der UdSSR ihren Betrieb auf.
Die industrielle Produktion von 239 Pu basiert auf der Wechselwirkung von 238 U-Kernen mit Neutronen in Kernreaktoren. Die anschließende Trennung von Pu von U, Np und hochradioaktiven Spaltprodukten erfolgt durch radiochemische Methoden (Mitfällung, Extraktion, Ionenaustausch und andere). Plutoniummetall wird üblicherweise durch Reduktion von PuF 3 , PuF 4 oder PuCO 2 mit Barium-, Calcium- oder Lithiumdampf gewonnen. Als spaltbares Material wird 238 Pu in Kernreaktoren sowie in Atom- und thermonuklearen Bomben eingesetzt. Das Isotop 238 Pu wird zur Herstellung von Atombatterien verwendet, deren Lebensdauer 5 Jahre oder mehr erreicht. Solche Batterien können beispielsweise in Stromgeneratoren eingesetzt werden, die das Herz stimulieren.
Plutonium im Körper. Plutonium wird von Meeresorganismen konzentriert: Sein Akkumulationskoeffizient (d. h. das Verhältnis der Konzentrationen im Körper und in der äußeren Umgebung) beträgt für Algen 1000-9000, für Plankton (gemischt) etwa 2300, für Weichtiere bis zu 380. für Seesterne - etwa 1000, 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 Plutonium hauptsächlich im Skelett und in der Leber zurückgehalten, von wo aus es fast nicht ausgeschieden wird (insbesondere aus den Knochen). Das giftigste 239 Pu verursacht hämatopoetische Störungen, Osteosarkome und Lungenkrebs. Seit den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts nimmt der Anteil von Plutonium an der radioaktiven Kontamination der Biosphäre zu (so wird die Bestrahlung mariner Wirbelloser durch Plutonium größer als durch 90 Sr und 137 Cs).
Plutonium, Element Nummer 94, wurde 1940 von Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy und Arthur Wahl in Berkeley entdeckt, indem sie ein Uranziel mit Deuteronen aus einem 60-Zoll-Zyklotron bombardierten. Im Mai 1940 wurden die Eigenschaften von Plutonium von Louis 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.
Pu-239 ist im natürlichen Uran in Spuren vorhanden (die Menge beträgt ein Teil pro 1015); es entsteht dort durch den Einfang eines Neutrons durch den U-238-Kern. Extrem geringe Mengen Pu-244 (das langlebigste Plutonium-Isotop mit einer Halbwertszeit von 80 Millionen Jahren) wurden in Cererz gefunden, das offenbar bei der Entstehung der Erde übrig geblieben ist.
Es sind insgesamt 15 Plutoniumisotope bekannt, die alle radioaktiv sind. Die wichtigsten für die Entwicklung von Atomwaffen:
Pu238 -> (86 Jahre alt, Alphazerfall) -> U234
Pu239 -> (24.360 Jahre, Alphazerfall) -> U235
Pu240 -> (6580 Jahre, Alphazerfall) -> U236
Pu241 -> (14,0 Jahre, Betazerfall) -> Am241
Pu242 -> (370.000 Jahre, Alphazerfall) -> U238 Physikalische Eigenschaften von Plutonium
Plutonium ist ein sehr schweres silbriges Metall, das frisch raffiniert wie Nickel glänzt. Es ist ein extrem elektronegatives, chemisch reaktives Element, viel stärker als Uran. Es verblasst schnell und bildet einen schillernden Film (wie ein schillernder Ölfilm), der zunächst hellgelb ist und schließlich dunkelviolett wird. Bei sehr starker Oxidation bildet sich auf seiner Oberfläche ein olivgrünes Oxidpulver (PuO2).
Plutonium oxidiert leicht und korrodiert selbst bei geringer Feuchtigkeit schnell. Merkwürdigerweise rostet es in einer Inertgasatmosphäre mit Wasserdampf viel schneller als in trockener Luft oder reinem Sauerstoff. Der Grund dafür ist, dass sich durch die direkte Einwirkung von Sauerstoff eine Oxidschicht auf der Oberfläche von Plutonium bildet, die eine weitere Oxidation verhindert. Bei Einwirkung von Feuchtigkeit entsteht eine lockere Mischung aus Oxid und Hydrid. Um Oxidation und Korrosion zu verhindern, ist ein Trockenofen erforderlich.
Plutonium hat vier Wertigkeiten, III-VI. Es löst sich nur in sehr sauren Medien wie Salpeter- oder Salzsäure gut; es löst sich auch gut in Jodwasserstoff- und Perchlorsäure. 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.
Aufgrund seiner Radioaktivität fühlt sich Plutonium warm an. Ein großes Stück Plutonium in einer wärmeisolierten Hülle wird auf eine Temperatur erhitzt, die über dem Siedepunkt von Wasser liegt.
Grundlegende physikalische Eigenschaften von Plutonium:
Schmelzpunkt: 641 °C;
Siedepunkt: 3232 °C;
Dichte: 19,84 (in der Alpha-Phase).
Plutonium hat viele spezifische Eigenschaften. Es hat die niedrigste Wärmeleitfähigkeit aller Metalle und die niedrigste elektrische Leitfähigkeit, mit Ausnahme von Mangan (anderen Quellen zufolge ist es immer noch das niedrigste aller Metalle). In seiner flüssigen Phase ist es das viskoseste Metall.
Bei Temperaturänderungen unterliegt Plutonium den stärksten und unnatürlichsten Dichteänderungen. Plutonium hat in fester Form sechs verschiedene Phasen (Kristallstrukturen), mehr als jedes andere Element (genauer gesagt sind es sieben). Einige Übergänge zwischen den Phasen gehen mit dramatischen Lautstärkeänderungen einher. In zwei dieser Phasen – Delta und Delta Prime – hat Plutonium die einzigartige Eigenschaft, sich bei steigender Temperatur zusammenzuziehen, in den anderen weist es einen extrem hohen Teauf. Beim Schmelzen zieht sich das Plutonium zusammen, wodurch das ungeschmolzene Plutonium schwimmen kann. In seiner dichtesten Form, der Alpha-Phase, ist Plutonium das sechstdichteste Element (nur Osmium, Iridium, Platin, Rhenium und Neptunium sind schwerer). In der Alpha-Phase ist reines Plutonium spröde, es existieren jedoch flexible Legierungen.
