Plutonium

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Dieser Artikel behandelt das chemische Element. Zum Heiligtum des Unterweltsgottes Pluton siehe Plutonion.
Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Plutonium, Pu, 94
Serie Actinoide
Gruppe, Periode, Block Ac, 7, f
Aussehen silbriges Metall
CAS-Nummer 7440-07-5
Massenanteil an der Erdhülle 2 · 10−16 ppm[1]
Atomar [2]
Atommasse 244,0642 u
Atomradius (berechnet) 151 () pm
Kovalenter Radius 187 pm
Elektronenkonfiguration [Rn] 5f6 7s2
1. Ionisierungsenergie 584,7 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand fest
Modifikationen 6
Kristallstruktur monoklin
Dichte 19,816 g/cm3
Magnetismus paramagnetisch (\chi_{m} = 6,2 · 10−4)[3]
Schmelzpunkt 912,5 K (639,4 °C)
Siedepunkt 3509 K (3230 °C)
Molares Volumen 12,29 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 325 kJ/mol
Schmelzwärme 11,48[1] kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 2260 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 130 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 6,8 · 105 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit 6,74[1] W/(m · K)
Chemisch [2]
Oxidationszustände +3, +4, +5, +6, (+7)
Normalpotential −2,031 V
(Pu3+ + 3 e → Pu)
Elektronegativität 1,28 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
236Pu

{syn.}

2,86 a α 5,867 232U
237Pu

{syn.}

45,2 d ε 0,220 237Np
α (0,0042 %) 5,748 233U
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 0,579 243Am
244Pu

100 %

8,0 · 107 a α (99,88 %) 4,666 240U
SF (0,12 %)
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [4]
keine Einstufung verfügbar
H- und P-Sätze H: siehe oben
P: siehe oben
Radioaktivität
Radioaktives Element

Radioaktives Element
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 Elementsymbol Pu und der Ordnungszahl 94. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block) und zählt zu den Transuranen. Plutonium ist ein giftiges und radioaktives Schwermetall. Benannt wurde es nach dem Zwergplaneten Pluto. Es ist hinsichtlich der Ordnungszahl das schwerste in der Natur vorkommende Element. Dabei wird es aber nur in kleinsten Spuren in sehr alten Gesteinen gefunden. Größer ist die Menge, die künstlich in Kernkraftwerken erzeugt wird.

Als eines der wenigen spaltbaren Elemente spielt es eine wichtige Rolle für den Bau von Kernwaffen. So war das Spaltmaterial der Atombombe, die am 9. August 1945 auf Nagasaki abgeworfen wurde, Plutonium. Beim Betrieb von Kernreaktoren entsteht aus dem Uran in den Brennelementen Plutonium.

Geschichte[Bearbeiten]

Eine Plutoniumscheibe auf einem Calciumchloridblock.

Plutonium wurde von den US-Amerikanern Glenn T. Seaborg, J. W. Kennedy, E. M. McMillan, Michael Cefola und Arthur Wahl entdeckt. Am 14. Dezember 1940 stellten sie das Isotop 238Pu durch Beschuss von Uran 238U mit Deuterium in einem Zyklotron her. Dazu wurden zunächst Proben des Isotops 238U in Form des Oxids U3O8 in dünner Schicht auf einer Kupferplatte aufgetragen. Bei dieser Reaktion werden zwei Neutronen emittiert; das zwischenzeitlich entstehende Neptunium zerfällt zu 238Pu. Den eindeutigen Nachweis für das Element 94 erbrachte A. C. Wahl am 23./24. Februar 1941.[5][6]

\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{2}_{1}D\ \longrightarrow \ ^{238}_{\ 93}Np\ +\ 2\ ^{1}_{0}n \quad;\quad ^{238}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,117 \ d]{\beta^-} \ ^{238}_{\ 94}Pu}

Das zweite Isotop wurde durch Beschuss mit schnellen Neutronen erzeugt:

\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23,5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}
Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Sie benannten es im März 1942 nach dem damals als äußersten Planeten geltenden Pluto, der wiederum nach dem gleichnamigen Gott der Unterwelt benannt ist: „… benannt nach dem jenseits des Neptuns folgenden Planeten Pluto, angesichts der infernalischen Wirkung der Pu-Bombe erscheint die Ableitung des Namens von Pluto, dem Gott der Unterwelt gerechtfertigter![7] So wurden die drei schwersten damals bekannten Elemente Uran, Neptunium und Plutonium nach den Planeten Uranus, Neptun und Pluto benannt.

Die erste wägbare Menge von etwa 4 µg wurde im August/September 1942 von Burris B. Cunningham, M. Cefola und Louis B. Werner isoliert.[8]

Die Entdeckung wurde während des Zweiten Weltkrieges geheim gehalten. Im Rahmen des US-amerikanischen Manhattan-Projekts wurde Plutonium erstmals in größerem Maßstab hergestellt. Die Atombombe, mit der die japanische Stadt Nagasaki zerstört wurde, enthielt Plutonium 239Pu als Spaltstoff. Joseph Hamilton führte an Versuchspersonen Plutonium-Verteilungsstudien durch, die aufgrund der extremen Giftwirkung des Plutoniums heute umstritten sind.

In Deutschland hatte bereits vor der Entdeckung des Plutonium Carl Friedrich von Weizsäcker darauf hingewiesen, dass in Kernreaktoren ein neues spaltbares Element 239Eka Re (Eka-Rhenium) entstehen müsse.[9] Auch Friedrich Georg Houtermans sagte 1942 die Existenz von Transuranen in einem Geheimbericht theoretisch voraus. Im Rahmen des deutschen Uranprojekts wurden jedoch bis Kriegsende nach heutigem Kenntnisstand keine signifikanten Mengen an Plutonium hergestellt.[10]

Natürliches Vorkommen[Bearbeiten]

Plutonium ist das letzte, allerdings extrem seltene, bisher bekannte natürlich vorkommende Element des Periodensystems. Mit einem Gehalt von 2 · 10−19 %[1][11] ist es eines der seltensten Elemente der Erdkruste. In Uranvorkommen kann es in winzigen Mengen durch Absorption natürlich freigesetzter Neutronen aus Uran entstehen. Auf 140 Milliarden Uranatome soll ein Plutoniumatom kommen. Der US-amerikanische Chemiker D. F. Peppard extrahierte im Jahr 1951 Mikrogrammmengen 239Pu aus einem kongolesischen Pechblendekonzentrat. Für jedes Mikrogramm waren 100 Tonnen Pechblende notwendig.[12]

Aus der Entstehungszeit des Sonnensystems wurde im Mineral Bastnäsit, das nach dem Fundort Bastnäs in Schweden benannt wurde, das langlebigste Plutoniumisotop 244Pu gefunden. Mit verfeinerter Spurenanalytik gelang es, geringste Spuren dieses Isotops nachzuweisen. Diese Mengen sind so gering, dass sie erst im Jahr 1971, also nach der künstlichen Erzeugung des Plutoniums in Kernreaktoren, entdeckt wurden.[13][14]

In den Naturreaktoren von Oklo in Gabun sowie von einer benachbarten Uranlagerstätte ist bekannt, dass dort über mehrere Jahrtausende Kernspaltung als Kettenreaktion in natürlichem Umfeld auftrat. Vor etwa 1,5 bis 2 Milliarden Jahren entstanden in Oklo durch die Anlagerung von Spaltungsneutronen an das auch damals häufige 238U etwa 2 bis 4 Tonnen 239Pu. In einigen Teilen der Oklo-Lagerstätte trug die direkte Spaltung von 239Pu nennenswert zur Gesamtkernspaltung bei. Etwa ein Drittel des insgesamt gespaltenen 235U soll aus dem Alphazerfall von 239Pu gestammt haben. Etwaige Reste des erzeugten Plutoniums sind mittlerweile komplett zerfallen.

Freisetzung durch anthropogene Ursachen[Bearbeiten]

Anthropogen wurde Plutonium zwischen 1945 und 1980 durch oberirdische Kernwaffentests in einer Menge von drei bis fünf Tonnen[14] freigesetzt, die in Spuren weltweit nachweisbar sind. Weitere Mengen wurden durch verschiedene unbeabsichtigte Ereignisse und Unfälle freigesetzt.

Gewinnung und Darstellung[Bearbeiten]

Plutonium entsteht unvermeidlich in den mit 238U-reichen Isotopengemischen betriebenen Kernkraftwerken. Dabei wird das eingesetzte 238U durch Einfang eines Neutrons und nachfolgendem Betazerfall zu 239Pu umgewandelt.

\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23,5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}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.

\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{240}_{\ 94}Pu\ +\ \gamma}
\mathrm{^{240}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{241}_{\ 94}Pu\ +\ \gamma}
\mathrm{^{241}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{242}_{\ 94}Pu\ +\ \gamma}
\mathrm{^{242}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{243}_{\ 94}Pu\ +\ \gamma}

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.

Das leichtere Isotop 238Pu wird bei Bedarf gezielt hergestellt. Es 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 hoher 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 Neptunium 237Np. Nach einer gewissen Bestrahlungszeit 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}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{236}_{\ 92}U_m\ \xrightarrow[120 \ ns]{} \ ^{236}_{\ 92}U\ +\ \gamma}
\mathrm{^{236}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{237}_{\ 92}U\ \xrightarrow[6,75 \ d]{\beta^-} \ ^{237}_{\ 93}Np}
\mathrm{^{237}_{\ 93}Np\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{238}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,117 \ d]{\beta^-} \ ^{238}_{\ 94}Pu}
Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.
Beim Abbrand eines schwach angereicherten Brennelementes (links) sinkt der Anteil an 235U, neue Elemente entstehen

Die so behandelten Brennstäbe enthalten 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.

Wird 239Pu durch schnelle, also nicht abgebremste Neutronen gespalten, ist die durchschnittliche Zahl neu freigesetzter Neutronen pro gespaltenem Atomkern besonders hoch. In einem solchen Reaktor kann daher theoretisch mehr 238U in neues 239Pu umgewandelt werden, als gleichzeitig durch Spaltung verbraucht wird. Er wird deshalb als Brutreaktor oder „schneller Brüter“ bezeichnet. In der Praxis wurde aber bisher eine maximale Konversionsrate von 0,7 verwirklicht, das Funktionieren einer Brutreaktoren-Wirtschaft somit bisher nicht im großen demonstriert.

Das Plutonium befindet sich nach der Herstellung zusammen mit den Spaltprodukten und unverbrauchtem Rest-Kernbrennstoff in den abgebrannten Brennelementen. Durch den PUREX-Prozess können in Wiederaufarbeitungsanlagen das entstandene Plutonium und das ebenfalls erwünschte Uran aus ihnen herausgelöst werden. Dazu wird das Material zunächst in Salpetersäure gelöst und das Plutonium und Uran mit Tri-n-butyl-phosphat extrahiert. Die Spaltprodukte und anderen Bestandteile bleiben dabei zurück. Im Jahr werden etwa 20 Tonnen Plutonium, überwiegend in Form des Isotops 239Pu, produziert.[18]

Die Weitergabe von spaltbarem 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.[19] In Deutschland regelt das Atomgesetz den Umgang mit spaltbarem Material. Es bestimmt, wer unter welchen Bedingungen Plutonium in Deutschland befördern und besitzen darf.[20]

Eigenschaften[Bearbeiten]

Physikalische Eigenschaften[Bearbeiten]

Plutonium ist bei Normalbedingungen ein silberglänzendes Schwermetall mit hoher Dichte (19,86 g/cm3[21]). Wie von allen Actinoiden existieren auch von Plutonium ausschließlich radioaktive Isotope. Es ist selbsterwärmend, pro 100 g Plutonium entstehen etwa 0,2 Watt Wärmeleistung (bezogen auf 239Pu).[22] Plutonium ist im Vergleich mit anderen Metallen ein schlechter Leiter für Wärme und elektrischen Strom. Das Metall kristallisiert abhängig von der Temperatur in insgesamt sechs allotropen Modifikationen. Diese unterscheiden sich zum Teil deutlich in ihren Dichten. Die bei Raumtemperatur stabile Modifikation α-Pu 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.[23] Flüssiges Plutonium besitzt die höchste Viskosität aller Elemente im flüssigen Zustand.[24] 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.[23] Für die Messung stört allerdings das ständige Erwärmen durch den Zerfall des Plutoniums 239Pu. Dadurch sind keine Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erreichbar.

Modifikationen bei Atmosphärendruck
Phasenbezeichnung stabiler Temperaturbereich Dichte (Temperatur) Kristallsystem Bravais-Gitter Raumgruppe
α-Pu[25] K – 395 K 19,77 g/cm3 (293 K) monoklin primitiv P2_1/m \;
β-Pu[26] 395 K – 479 K 17,7 g/cm3 (395 K) monoklin basiszentriert I112/m \;
γ-Pu[27] 479 K – 592 K 17,14 g/cm3 (479 K) orthorhombisch flächenzentriert Fddd \;
δ-Pu[28] 592 K – 730 K 15,9 g/cm3 (592 K) monoklin basiszentriert Cm \;
δ'-Pu[29] 730 K – 749 K 16,0 g/cm3 (730 K) tetragonal raumzentriert I4/mmm \;
ε-Pu[30] 749 K – 914 K 16,5 g/cm3 (749 K) kubisch raumzentriert Im\bar3m
flüssig[31] 914 K – 3503 K 16,63 g/cm3 (914 K)

Weiterhin ist eine Hochdruckmodifikation bekannt, die aus α-Pu bei einem Druck oberhalb von 40 GPa gewonnen wurde und in der Raumgruppe P63m kristallisiert.[32]

Chemische Eigenschaften[Bearbeiten]

Verschiedene Oxidationsstufen von Plutonium in wässriger Lösung.

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 überzieht sich mit einer dunkel blauschwarzen Oxidhaut, beim längeren Stehen an der Luft bildet sich eine dickere, graugrüne, pulverig abreibende Oxidschicht.[33] 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.[22] 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 entstehende Wärme Bindungen aufgebrochen werden können. Auch die freiwerdende Strahlung kann zum Bruch von Bindungen führen.

Plutonium besitzt eine Reihe von Verbindungen, in denen es in den Oxidationsstufen +3 bis +7 vorliegen kann. Damit bildet Plutonium zusammen mit Neptunium die höchste Oxidationsstufe aller Actinoiden. Die stabilste Stufe ist +4. In wässriger Lösung haben die Plutoniumionen charakteristische Farben, so ist das Pu3+-Ion violett, Pu4+ braun, PuVO2+ purpurfarben, PuVIO22+ orange und PuVIIO23+ grün.[34]

Biologische Aspekte[Bearbeiten]

Eine biologische Funktion des Plutoniums ist nicht bekannt. Weitere Forschungen und Untersuchungen konzentrierten sich auf mikrobielle Wechselwirkungen mit Plutonium, um auf diesem Wege kontaminierte Deponien und Umgebungen zu sanieren.[35] Enterobakterien der Gattung Citrobacter können durch die Phosphataseaktivität in ihrer Zellwand Pu(IV) aus wässriger Lösung ausfällen und als Lanthan-Phosphat-Komplex binden.[36]

Isotope[Bearbeiten]

Liste der Plutoniumisotope

Von Plutonium wurden 20 Isotope und 15 Kernisomere mit Massenzahlen von 228 bis 247 vermessen.[37] Die Halbwertszeiten liegen zwischen 37 · 10−12  s für das Isomer 236m1Pu und 80 Mio. Jahren für 244Pu. Die langlebigsten Isotope mit Halbwertszeiten größer als 11 Tagen haben Massenzahlen zwischen 236 und 244. Das Isotop 243Pu ist mit einer Halbwertszeit von weniger als 5 Stunden[37] eine Ausnahme. Einige der Plutonium-Isotope werden als Ausgangspunkte für radioaktive Zerfallsreihen angesehen.

  • 236Pu zerfällt über die Thorium-Reihe. Es kommt mit einer Halbwertszeit von 2,858 Jahren[37] durch α-Zerfall auf die Zwischenstufe 232U, die mit einer Halbwertszeit von 68,9 Jahren zu 228Th zerfällt, das auf dem Hauptstrang der Reihe liegt. Dieses Isotop wird in Kernreaktoren, die mit Uran betrieben werden, nur in winzigen Mengen erbrütet.
  • 237Pu wandelt sich mit einer Halbwertszeit von 45,2 Tagen[37] zu 99,9958 % durch Elektroneneinfang in das Neptunium-Isotop 237Np um, das der offizielle Startpunkt der Neptunium-Reihe ist. Die restlichen 0,0042 % zerfallen durch α-Zerfall zu Uran 233U, das ebenfalls über die Neptunium-Reihe zerfällt.
  • 238Pu ist ein α-Strahler mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren[37]. Es zerfällt zunächst in 234U und weiter über die Zerfallskette der Uran-Radium-Reihe.
  • 239Pu ist das am häufigsten produzierte Plutoniumisotop. Es hat eine Halbwertszeit von 24.110 Jahren[37] und zerfällt überwiegend unter Abgabe von α-Strahlung in 235U. Der weitere Zerfall folgt der Uran-Actinium-Reihe, für natürliche Radioaktivität, die bei 235U beginnt. Zu einem Anteil von 3 ·10−10 % tritt Spontanspaltung auf.
  • 240Pu zerfällt mit einer Halbwertszeit von 6564 Jahren[37] durch α-Strahlung in 236U. Dieses Uran-Isotop zerfällt mit einer Halbwertszeit von 23,4 Mio. Jahren zum natürlichen 232Th. Der weitere Zerfall folgt der Thorium-Reihe.
  • 241Pu wird oft als Beginn der Neptunium-Reihe bezeichnet, da es (bei Verlängerung der Reihe) vor dem Neptunium steht. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 14,35 Jahren[37] und einer Wahrscheinlichkeit von 99,9975 % mit einem β-Zerfall zu 241Am, sowie mit 0,0025 % Wahrscheinlichkeit unter α-Zerfall zu 237U. 241Am zerfällt unter α-Zerfall und 237U durch β-Zerfall 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 α-Zerfall in 238U, den Beginn der natürlichen Uran-Radium-Reihe. Mit einer Halbwertszeit von 375.000 Jahren[37] ist es nach 244Pu das langlebigste Isotop.
  • 243Pu ist mit einer Halbwertszeit von 4,956 h[37] kurzlebig. Es geht zunächst durch β-Strahlung in Americium 243Am über, das in 239Np übergeht und weiter zu 239Pu zerfällt. Damit steht es in Verlängerung der Uran-Actinium-Reihe.
  • 244Pu ist wegen seiner langen Halbwertszeit von 80 Mio. Jahren[37] das einzige natürlich vorkommende Plutonium-Isotop.[13] Es ist der Ausgangspunkt der Thorium-Reihe, die darum manchmal auch Plutonium-Thorium-Reihe genannt wird. 244Pu zerfällt durch α-Zerfall zu 240U, dieses durch zwei β-Zerfälle über 240Np zu 240Pu, dieses dann wieder durch zwei weitere α-Zerfälle über 236U zum 232Th. Danach folgt der Zerfall der Thorium-Reihe.

Spaltbarkeit[Bearbeiten]

Alle Plutoniumisotope mit ungerader Neutronenzahl zählen zu den wenigen Nukliden, die leicht, d.h. schon durch thermische Neutronen gut spaltbar sind. Der entsprechende Wirkungsquerschnitt beträgt beim 239Pu 752 Barn (b) und beim 241Pu 1010 b, bei den geradzahligen 238Pu, 240Pu und 242Pu dagegen nur 17 b, 0,4 b bzw. < 0,2 b.[38] Das recht kurzlebige geradzahlige 236Pu (Halbwertszeit 2,9 Jahre) hat mit 169 b einen mittelgroßen Spaltquerschnitt.[39].

Alle langlebigen Plutoniumisotope spalten sich auch spontan. Die Spontanspaltungsrate ist bei 239Pu am geringsten und nimmt sowohl zu den leichteren als auch den schwereren Isotopen hin stark zu. Von Spontanspaltung betroffen sind sowohl die Isotope mit ungerader als auch gerader Neutronenzahl. Insbesondere weist 240Pu eine ca. 70.000 fach höhere Spontanspaltungsrate als 239Pu auf. Da die bei der Spontanspaltung freigesetzten Neutronen bei einer Atombombe zu einer Frühzündung und stark reduzierten Explosionswirkung führen können, ist 240Pu für Kernwaffen unerwünscht. Waffenplutonium enthält möglichst wenig 240Pu, ist aber nie ganz frei davon.

Alle Plutoniumisotope, auch solche mit gerader Neutronenzahl, lassen sich durch schnelle Neutronen spalten, und sind daher prinzipiell für den Bau von Kernwaffen geeignet. Die Spaltbarkeit von Plutonium durch schnelle Neutronen nimmt mit zunehmender Neutronenzahl ab.[40].

Die für den Atombombenbau relevante kritische Masse wird sowohl von der Spaltbarkeit mit langsamen als auch mit schnellen Neutronen bestimmt, da aufgrund der vergleichsweise geringen Spaltquerschnitte mit schnellen Neutronen (1 bis 3 Barn) in einer Atombombe ein Teil der Neutronen nach zahlreichen Stößen mit Plutonium-Kernen doch auf thermische Energien abgebremst wird, bevor er eine erneute Kernspaltung auslösen kann. Bei 236Pu beträgt die kritische Masse 8,04–8,42 kg,[41] bei 237Pu, welches sich sowohl durch schnelle wie langsame Neutronen sehr gut spalten lässt, nur 3,1 kg. Beide vorgenannten Isotope werden jedoch wegen ihrer hohen Spontanspaltungsrate, kurzen Halbwertszeit, hohen Wärmeproduktion und komplizierten Gewinnung nicht für Kernwaffen verwendet. Das für Nuklearbatterien verwendete 238Pu hat nach Berechnungen eine kritische Masse von ca. 9,04–10,31 kg[42]. Beim wichtigsten Isotop für Kernwaffen, 239Pu, beträgt die kritische Masse (wie auch bei allen anderen Angaben ohne Moderator und/oder Reflektor) 10 kg.[43] Bei 241Pu sind es schon 12,27–13,04 kg[41].

Im deutschen Atomgesetz werden fälschlicherweise nur die Plutonium-Isotope 239Pu und 241Pu den Kernbrennstoffen zugeordnet.[44]

Zwei der vielen Möglichkeiten für die neutroneninduzierte Kernspaltung von 239Pu:

\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow\ ^{144}_{\ 56}Ba\ +\ ^{94}_{38}Sr\ +\ 2\ ^{1}_{0}n}
\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow\ ^{130}_{\ 51}Sb\ +\ ^{107}_{\ 43}Tc\ +\ 3\ ^{1}_{0}n}

Verwendung[Bearbeiten]

Nur 238Pu und 239Pu werden in größeren Mengen verwendet. 238Pu ist, wenn es aus Neptunium erbrütet wird, mit anderen Plutoniumisotopen verunreinigt.[45] Nur 238Pu, das über den Umweg von Curium 242Cm erbrütet wird, ist frei von 236Pu.

239Pu ist immer mit 240Pu und noch geringeren Mengen von 241Pu und 242Pu verunreinigt.[46]

Verwendung in Kernkraftwerken[Bearbeiten]

Beim Betrieb von Kernreaktoren entsteht aus dem Uran in den Brennelementen Plutonium. 239Pu wird zusammen mit angereichertem Uran zu MOX-Brennelementen verarbeitet. Die MOX-Brennelemente werden in Leichtwasserreaktoren und mit etwa zehnfach höherer Anreicherung der spaltbaren Isotope in schnellen Brütern verwendet.[47] Einige Länder trennen dieses in sogenannten Wiederaufarbeitungsanlagen ab. Das Abbrennen von MOX-Brennelementen in Kernkraftwerken impliziert bestimmte Risiken.

Militärische Verwendung[Bearbeiten]

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 praktisch 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 waffenfähigem 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 Plutonium 240Pu das Implosionsdesign verwenden.

Bei waffenfähigem Plutonium liegt der Anteil des erzeugten 240Pu bei unter 7 %, im Vergleich zum erwünschten Isotop 239Pu. Bei Reaktoren, die zur Stromproduktion betrieben werden, wird der Kernbrennstoff deutlich länger im Reaktor belassen. Der Anteil von 240Pu liegt je nach Reaktortyp zwischen 17 und 30 %.[48]

Ein PuO2-Pellet (238Pu) glüht durch den eigenen radioaktiven Zerfall

Radionuklidbatterien[Bearbeiten]

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 im Vergleich zu fünf anderen potenziell geeigneten Nukliden auskommt.[49] Es wird deshalb in oxidierter Form als chemisch träges Plutoniumdioxid zur Erzeugung elektrischer Energie in Radionuklidbatterien verwendet. Radionuklidbatterien 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 Radionuklidbatterien mit Plutonium 238Pu auch in erdumkreisenden Satelliten verwendet.[50]

1964 verglühte der Satellit Transit 5BN-3 mit einer Radionuklidbatterie an Bord bei einem Fehlstart etwa 50 Kilometer über dem Pazifik. Der Satellit enthielt knapp ein Kilogramm Plutonium, welches sich anschließend messbar auf der gesamten Nordhalbkugel verteilte.[51]

1996 stürzte die russische Sonde Mars 96, an der Deutschland beteiligt war, mit 270 Gramm Plutonium an Bord ab – in den Pazifik oder auf das südamerikanische Festland.[52]

236Pu-freies 238Pu wurde in den 1970er-Jahren in Herzschrittmachern verwendet,[53][54] und wurde über den Umweg der wenig ergiebigen und deshalb teuren Erbrütung von Curium 242Cm produziert. Dieses entsteht durch einen Neutroneneinfang von Americium 241Am, das wiederum aus 241Pu gewonnen wird.[55]

\mathrm{^{241}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow[14,35 \ a]{\beta^-} \ ^{241}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{242}_{\ 95}Am\ \xrightarrow[16,02 \ h]{\beta^-} \ ^{242}_{\ 96}Cm\ \left( \xrightarrow[162,8 \ d]{\alpha} \ ^{238}_{\ 94}Pu \right)}
Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Neutronenquelle[Bearbeiten]

Ferner wird 238Pu zusammen mit Beryllium als Neutronenquelle verwendet, wobei ein α-Teilchen aus dem Zerfall des Plutoniums den Berylliumkern trifft und unter Aussendung eines Neutrons in diesen eingebaut wird.

Toxizität[Bearbeiten]

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. Die für einen Menschen tödliche Dosis liegt wahrscheinlich im zweistelligen Milligrammbereich, für Hunde beträgt die LD50-Dosis 0,32 mg/kg Körpergewicht.[23] Die chemische Giftigkeit von Plutonium wird jedoch von vielen anderen Stoffen übertroffen.

Viel gefährlicher als die chemische Wirkung ist 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.[56] Die von Plutonium 239Pu ausgesendete α-Strahlung wird außerhalb des Körpers bereits 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. In diesen Fällen kann die mit dem umgebenden Material stark wechselwirkende α-Strahlung unmittelbar die Zellkerne lebender Zellen treffen.

Nach Untersuchungen von Arnulf Seidel vom Institut für Strahlenbiologie des Kernforschungszentrum Karlsruhe führen kleine Dosen 239Pu im Langzeitversuch erst nach frühestens zehn Jahren bei Hunden zu Knochenkrebs, wobei es eine fünfmal größere Gefährlichkeit als Radium zeigt. Der Grund dafür kann eine ungleichmäßige Verteilung des Plutoniums im Skelett sein, die zu punktuell stark bestrahlten Stellen führt.[57]

Das wie auch 240Pu in Kernreaktoren immer miterbrütete 241Pu zerfällt mit etwa 14 Jahren Halbwertszeit in Americium 241Am, das große Mengen relativ weicher Gammastrahlung abgibt. In gelagertem Plutonium erreicht die Konzentration von 241Am nach etwa 70 Jahren ihren Höchststand. Weil die Plutoniumisotope selbst kaum Gammastrahlung abgeben, nimmt diese Strahlung (und damit die Dicke der benötigten Abschirmung) wegen des gebildeten Americiums zunächst deutlich zu, um dann nach etwa 70 Jahren Lagerung wieder abzunehmen. Wegen der längeren Halbwertzeit von 241Am (432 Jahre) erfolgt diese Abnahme deutlich langsamer als der Anstieg.[58]

Sicherheitshinweise[Bearbeiten]

Einstufungen nach der Gefahrstoffverordnung liegen nicht vor, obwohl die chemische Giftigkeit bekannt ist. Beim Umgang mit Plutonium ist vor allem wegen seiner starken Radioaktivität äußerste Vorsicht geboten. Da die α-Strahlung 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.[22] Feinverteiltes Plutonium ist pyrophor.

Weiterhin muss unbedingt verhindert werden, dass eine kritische Masse entsteht, die zur nuklearen Kettenreaktion und damit zu unkontrollierter Energie- und Strahlungsfreisetzung führt. Die Unterkritikalität kann entweder durch ausreichend 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 weitere 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[Bearbeiten]

20 Mikrogramm reines Plutoniumhydroxid (Pu(OH)3) im Kapillarrohr, September 1942

→ Kategorie Plutoniumverbindung

Oxide[Bearbeiten]

Die stabilste und wichtigste Sauerstoffverbindung ist Plutoniumdioxid (PuO2). Diese Verbindung ist ein Feststoff mit hoher Schmelztemperatur. Es ist gegenüber Wasser stabil und nicht in diesem löslich. Plutonium wird daher in Radionuklidbatterien und Kernkraftwerken in Form dieses Oxids verwendet. Neben Plutoniumdioxid sind auch Plutonium(III)-oxid Pu2O3 und Plutonium(II)-oxid PuO bekannt.[59]

Halogenide[Bearbeiten]

Mit den Halogenen Fluor, Chlor, Brom und Iod bildet Plutonium zahlreiche Verbindungen. Von allen Halogenen ist eine entsprechende Plutoniumverbindung in der Oxidationsstufe +3 bekannt. Daneben existieren noch Plutonium(IV)-fluorid, Plutonium(IV)-chlorid und Plutonium(VI)-fluorid.[60]

Oxidationszahl F Cl Br I
+6 Plutonium(VI)-fluorid
PuF6
rotbraun
+4 Plutonium(IV)-fluorid
PuF4
rotbraun
Plutonium(IV)-chlorid
PuCl4
 
+3 Plutonium(III)-fluorid
PuF3
violett
Plutonium(III)-chlorid
PuCl3
grün
Plutonium(III)-bromid
PuBr3
grün
Plutonium(III)-iodid
PuI3
grün

Boride[Bearbeiten]

Es gibt vier bekannte Plutoniumboride. Sie werden genutzt, um die Radioaktivität von Plutonium zu vermindern.

Metallorganische Verbindungen[Bearbeiten]

Analog zu Uranocen, einer Organometallverbindung in der Uran von zwei Cyclooctatetraen-Liganden komplexiert ist, wurden die entsprechenden Komplexe von Thorium, Protactinium, Neptunium, Americium und auch des Plutoniums, (η8-C8H8)2Pu, dargestellt.[61]

Analytik[Bearbeiten]

Für Plutonium gibt es aufgrund seiner Seltenheit keine klassischen, nasschemischen Nachweismethoden. Deshalb werden nur instrumentelle Verfahren eingesetzt.

Instrumentelle quantitative Analytik von Plutonium[Bearbeiten]

α-Spektrometrie[Bearbeiten]

Plutonium wird häufig über die α-Strahlung der Isotope 239(40)Pu und 238Pu nachgewiesen. Eine direkte Analyse ist oft nicht möglich, sodass vorangehende Separationstechniken durchgeführt werden müssen. Häufig kommt dabei die Ionenaustauschchromatographie zum Einsatz. Mit Hilfe der α-Spektrometrie konnte 239(40)Pu in maritimen Sedimenten mit einer Nachweisgrenze von 1 mBq/g bestimmt werden.[62]

Elementmassenspektrometrie (MS)[Bearbeiten]

Für die Plutoniumbestimmung kommen in der Massenspektrometrie die ICP-Ionisierung (ICP, induktiv-gekoppeltes Plasma, Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) und die AMS (Beschleuniger-Massenspektrometrie) zum Einsatz. Im Vergleich zur ICP-MS ist die AMS sensitiver aber apparativ aufwändig und kostenintensiv, da ein Teilchenbeschleuniger zur Ionisierung verwendet werden muss. Mit der AMS konnte am VERA-System in Wien eine Nachweisgrenze von etwa 106 Atomen des Isotops 239Pu erreicht werden. Mit Hilfe der ICP-Technik konnte eine Nachweisgrenze von 108 Atomen 239Pu erzielt werden, was einer Aktivität von 0,1 mBq entspricht.[63][64]

Optische Emissionsspektrometrie (OES)[Bearbeiten]

Plutonium kann auch mit einer laserbasierten Variante der optischen Emissionsspektrometrie (OES) nachgewiesen werden. Bei der Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) nutzt man kurze Laserimpulse zur Verdampfung und Emissionsstimulation der Probe. Zur Emissionsmessung steht ein breites Spektrum an Linien zur Verfügung, wobei aufgrund der besten Intensitätswerte meist auf die Linien bei 295,16 nm, 300,06 nm und 363,22 nm zurückgegriffen wird. Mit dieser Technik konnte eine Nachweisgrenze von 10−8 g/mL erzielt werden.[65][66] Die gleiche Nachweisgrenze konnte mit der optischen Emissionsspektrometrie mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) erzielt werden.[65]

Laserinduzierte photoakustische Spektrometrie (LIPAS)[Bearbeiten]

Bei der LIPAS-Technik wird ein hochenergetischer Laserimpuls in die Probelösung geschickt, welcher eine photoakustische Welle induziert. Mit Hilfe eines piezoelektrischen Detektors wird die Amplitude dieser Welle bestimmt. Mit dieser Technik konnte sechswertiges Plutonium mit einer Nachweisgrenze von 0,5 µg/mL nachgewiesen werden.[67][68]

Produktionsnachweis außerhalb des Reaktors[Bearbeiten]

Forscher des Sandia National Laboratories wollen die beim Betazerfall von Spaltprodukten emittierten Antineutrinos dazu verwenden, die Produktion von Plutonium in Kernreaktoren zu messen, damit die IAEO nicht mehr auf Schätzungen angewiesen ist und kein Plutonium unbemerkt für den Bau von Atomwaffen abgezweigt werden kann. Wegen der extrem hohen Produktionsrate von Antineutrinos in Kernreaktoren würde schon ein Detektor mit 1 m3 Detektorflüssigkeit vor dem Kernkraftwerk reichen.[69]

Waffenplutonium, Reaktorplutonium[Bearbeiten]

Waffenplutonium (englisch weapons grade Plutonium) enthält möglichst viel 239Pu und möglichst wenig 240Pu. Ab einem Gehalt von etwa 92 % 239Pu gilt Plutonium als waffenfähig. Nach Ansicht der IAEO gilt Plutonium jedoch grundsätzlich als geeignet für militärische Zwecke. Als Reaktorplutonium wird Plutonium bezeichnet, das im Normalbetrieb von Kernkraftwerken entsteht; es kann bis zu 31 % 240Pu enthalten.[48]

240Pu ist nicht durch thermische Neutronen spaltbar, es zerfällt aber durch Spontanspaltung. Dabei werden verstärkt Neutronen frei, die eine unerwünschte Frühzündung der Plutoniumbombe bewirken können und die Berechnung ihrer Sprengkraft ungenauer macht. Militärs bevorzugen eine exakte Zündung und eine präzise Voraussage der Sprengkraft.

Haupthindernisse bei der militärischen Nutzung von Plutonium sind

  • Wärme aus 238Pu (Alphastrahler bei kurzer Halbwertszeit) und
  • die Spontanspaltneutronen aus den geradzahligen Isotopen 238Pu, 240Pu und 242Pu

Für die Produktion von Waffenplutonium in Kernreaktoren ist eine möglichst kurze Bestrahlungszeit erforderlich: je länger diese ist, desto mehr 240Pu entsteht aus 239Pu (siehe auch Kernreaktor#Brutreaktionen).

Aus einem Kernreaktor mit laufender Stromerzeugung lässt sich Waffenplutonium sinnvoll nur gewinnen, wenn es sich um einen Druckröhrenreaktor handelt, denn nur bei ihm können einzelne Brennelemente bei laufendem Betrieb ausgetauscht werden (Reaktortypen CANDU, RBMK).

Bei den deutschen Kernkraftwerken befinden sich alle Brennelemente zusammen im Reaktordruckbehälter. Eine Brennelemententnahme erfordert deshalb ein aufwändiges Herunterfahren („Abfahren“) der Anlage, was nicht geheim zu halten wäre (keine Wasserdampfwolken über den Kühltürmen mehr).[70]

Russland erzeugte sein Waffenplutonium in Reaktoren des Typs ADE-Reaktor; der letzte von ihnen wurde 2010 – nach 46 Jahren Betrieb – stillgelegt. Die USA und Russland haben sich darauf geeinigt, ihre Bestände an Waffen-Plutonium um je 34 Tonnen zu verringern. Ein entsprechendes Protokoll unterzeichneten die Außenminister Hillary Clinton und Sergei Lawrow in Washington. Russland kostet dies 2,5 Mrd. Dollar; davon übernehmen die USA 400 Mio. Dollar. Beseitigt werden kann das Plutonium nur in Form einer Endlagerung nach einer Vermischung mit anderen atomaren Abfällen oder durch eine Umarbeitung in MOX-Elemente.[71]

Plutoniuminventar[Bearbeiten]

Deutschland meldete zum Ende des Jahres 2009 einen Plutoniumbestand von 5,4 t separiertem unbestrahltem Plutonium in frischen MOX Brennelementen oder anderen gefertigten Produkten an die IAEA. Hinzu kamen 86,9 t Plutonium in bestrahlten Brennelementen, welche an den deutschen Reaktoren gelagert wurden sowie weitere 5,9 t in bestrahltem Brennstoff, der an anderen Standorten gelagert wurde.[72]

Die Schweiz berichtete an die IAEA zum Ende des Jahres 2010 einen Plutoniumbestand von weniger als 50 kg separiertem Plutonium. Hinzu kamen 13 t Plutonium in bestrahlten Brennelementen, welche an den Reaktorstandorten gelagert wurden sowie weitere 4 t in bestrahltem Brennstoff, der an anderen Standorten gelagert wurde.[73]

Das weltweite Inventar an Plutonium ist zum Stand des Jahres 1999 gegeben.[74] Die Angaben beruhen auf Schätzungen des Department of Energy. Die Zahlen in Klammern geben den aus dem abgebrannten Brennstoff extrahierten Plutoniumanteil an. Für Kasachstan wurde laut [74] die Plutoniumqualität durch das Department of Energy falsch klassifiziert und sollte kommerziell sein. Waffenfähiges Plutonium (weapons grade) enthält weniger als 7 % des Isotops 240Pu. Plutonium kommerzieller Qualität (commercial grade) setzt sich aus Brennstoffplutonium (fuel grade) mit 7 bis 18 % 240Pu und Reaktorplutonium (reactor grade) mit mehr als 19 % 240Pu zusammen.

Staat waffenfähig (in t) kommerzielle Qualität (in t)
Argentinien 0 6
Belgien 0 23–31
Brasilien 0 0,6
Großbritannien 7,6 98,4 (51)
Volksrepublik China 1,7–2,8 1,2
Frankreich 6–7 151–205 (70)
Deutschland 0 75–105 (17)
Indien 0,15–0,25 6
Israel 0,3–0,5 0
Japan 0 119–262 (21)
Kasachstan 2–3* 0
Nordkorea 0,025–0,035 0
Russland 140–162 65 (30)
USA 85 257,2 (14,5)
Gesamt 242,3–267,4 802,4–1037,4 (~203,5)

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c d Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3, S. 469–476.
  2. Die Werte der atomaren und physikalischen Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Plutonium) entnommen.
  3. David R. Lide (Ed.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90th Edition (Internet Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Magnetic Susceptibility of the Elements and Inorganic Compounds, S. 4-145. Die Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  4. In Bezug auf ihre Gefährlichkeit wurde die Substanz von der EU noch nicht eingestuft, eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden. Die Radioaktivität gehört nicht zu den einzustufenden Eigenschaften. Genaueres über Gefährlichkeit und Sicherheit von Plutonium findet man in den Abschnitten Toxizität und Sicherheitshinweise.
  5. G. T. Seaborg, E. McMillan, J. W. Kennedy, A. C. Wahl: „Radioactive Element 94 from Deuterons on Uranium“, in: Physical Review, 1946, 69 (7–8), S. 366–367; doi:10.1103/PhysRev.69.367.
  6. J. W. Kennedy, G. T. Seaborg, E. Segrè, A. C. Wahl: „Properties of Element 94“, in: Physical Review, 1946, 70 (7–8), S. 555–556; doi:10.1103/PhysRev.70.555.
  7. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1948.
  8. B. B. Cunningham, L. B. Werner: „The First Isolation Of Plutonium“, in: Journal of the American Chemical Society, 1949, 71 (5), S. 1521–1528; doi:10.1021/ja01173a001.
  9. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatCarl Friedrich von Weizsäcker: Eine Möglichkeit der Energiegewinnung aus Uran 238, 17. Juli 1940. In: Geheimdokumente zum deutschen Atomprogramm 1938–1945. Deutsches Museum, abgerufen am 8. März 2010.
  10. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatVorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatMarkus Becker: „Heisenberg-Würfel“ verrät Details über Hitlers Atomprogramm. In: Spiegel Online. 19. März 2009, abgerufen am 7. Mai 2009.
  11. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1949.
  12. D. F. Peppard, M. H. Studier, M. V. Gergel, G. W. Mason, J. C. Sullivan, J. F. Mech: „Isolation of Microgram Quantities of Naturally-occurring Plutonium and Examination of its Isotopic Composition“, in: J. Am. Chem. Soc., 1951, 73 (6), S. 2529–2531; doi:10.1021/ja01150a034.
  13. a b D. C. Hoffman, F. O. Lawrence, J. L. Mewherter, F. M. Rourke: „Detection of Plutonium-244 in Nature“, in: Nature, 1971, 234, S. 132–134; doi:10.1038/234132a0.
  14. a b Kernenergie-Wissen.de (Plutonium).
  15. Plutonium in den Tiefen der Weltmeere; Plutonium in the environment en.wo, abgerufen am 2. Mai 2012.
  16. Ringius Lasse: Radioactive waste disposal at sea - public ideas, transnational policy entrepreneurs, and environmental regimes. MIT Press, Cambridge 2001, ISBN 0-262-18202-5, S. 23 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche), abgerufen am 2. Mai 2012.
  17. Presseerklärung der IAEO zu Tschernobyl (1995) S. 9 (PDF; 180 kB).
  18. dtv-Atlas zur Chemie, Band 1, dtv, 2000.
  19. Deutsche Übersetzung des Atomwaffensperrvertrags des deutschen Bundesaußenministeriums.
  20. Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren (Atomgesetz).
  21. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 2149.
  22. a b c Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente, VCH Verlagsgesellschaft, 1. Auflage 1988, ISBN 3-527-26169-9.
  23. a b c Plutonium: An Element at odds with itself, Los Alamos Science, 2000 (PDF; 881 kB).
  24. www.kernchemie.de (Plutonium – Element mit vielen Facetten).
  25. W. H. Zachariasen, F. H. Ellinger: „The Crystal Structure of alpha Plutonium Metal“, in: Acta Cryst., 1963, 16, S. 777–783; doi:10.1107/S0365110X63002012.
  26. W. H. Zachariasen, F. H. Ellinger: „The Crystal Structure of beta Plutonium Metal“, in: Acta Cryst., 1963, 16, S. 369–375; doi:10.1107/S0365110X63000992.
  27. W. H. Zachariasen: „Crystal Chemical Studies of the 5f-Series of Elements. XXIV. The Crystal Structure and Thermal Expansion of γ-Plutonium“, in: Acta Cryst., 1955, 8, S. 431–433.
  28. K. T. Moore, P. Söderlind, A. J. Schwartz, D. E. Laughlin: „Symmetry and Stability of δ Plutonium: The Influence of Electronic Structure“, in: Physical Review Letters, 2006, 96 (20), S. 206402/1–206402/4.
  29. F. H. Ellinger: „Crystal structure of delta' plutonium and the thermal expansion characteristics of delta, delta' and epsilon plutonium“, in: Journal of Metals, 1956, 8, S. 1256–1259.
  30. J. B. Ball, J. A. Lee, P. G. Mardon, J. A. L. Robertson: „Determination de quelques proprietes physiques du plutonium metal“, in: Memoires Scientifiques de la Revue de Metallurgie, 1960, 57, S. 49–56.
  31. David R. Lide (Ed.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90th Edition (Internet Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Density of Molten Elements and Representative Salts, S. 4-141.
  32. S. Dabos-Seignon, J. P. Dancausse, R. Gering, S. Heathman, U. Benedict: „Pressure induced phase transition in alpha-Pu“, in: Journal of Alloys and Compounds, 1993, 190, S. 237–242.
  33.  Georg Brauer (Hrsg.): Handbuch der Präparativen Anorganischen Chemie. 3., umgearb. Auflage. Band II, Enke, Stuttgart 1978, ISBN 3-432-87813-3, S. 1293.
  34. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1956.
  35. The Biochemical Periodic Tables – Plutonium.
  36. P. Yong, L. E. Macaskie: „Bioaccumulation of Lanthanum, Uranium and Thorium, and Use of a Model System to develop a Method for the Biologically-mediated Removal of Plutonium from Solution“, in: J. Chem. Technol. Biotechnol., 1998, 71, S. 15–26; doi:10.1002/(SICI)1097-4660(199801)71:1<15::AID-JCTB773>3.0.CO;2-8.
  37. a b c d e f g h i j k G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: „The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties“ (PDF; 1,0 MB), in: Nuclear Physics A, 729, 2003, S. 3–128.
  38. G. Pfennig, H. Klewe-Nebenius, W. Seelmann-Eggebert (Hrsg.): Karlsruher Nuklidkarte, 6. Aufl., korrig. Nachdr. 1998.
  39. Isotopendaten zu Plutonium-236 auf atom.kaeri.re.kr, abgerufen am 12. August 2012
  40. Isotopendaten zu Plutonium auf atom.kaeri.re.kr, abgerufen am 12. August 2012; für Details zunächst das Isotop wählen, dann auf „n-XS Summary“ klicken.
  41. a b Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: „Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport“, S. 15–16; PDF.
  42. Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238
  43. Informationskreis Kernenergie (Hrsg.): Basiswissen Kernenergie (PDF; 8,9 MB).
  44. § 2, Art. 1, AtG
  45. Cassini-Huygens: Spacecraft (siehe Table 2-3) (PDF; 625 kB).
  46. Institute for Energy and Environmental Research.
  47. Dr. Erich Übelacker: WAS IST WAS, Band 3, Atom Energie, Tessloff Verlag, Nürnberg 1995, ISBN 3-7886-0243-0, S. 29.
  48. a b World Nuclear Association: Plutonium (englisch)
  49. Nuklide für RTGs (PDF; 297 kB) letzte Seite.
  50. Cassini-Huygens: Spacecraft (siehe Table 2-2) (PDF; 625 kB).
  51. zeit.de Nr. 39/1997: Zitat: »Seine Radioaktivität sei "auf allen Kontinenten und in jeder Höhe" meßbar, stellte ein Report der OECD 1989 fest.«
  52. zeit.de Nr. 39/1997: Streit um den Plutoniumantrieb der Saturnsonde Cassini
  53. Herzschrittmacher mit Plutonium (engl.)
  54. Spiegel Online: Plutonium-Herzschrittmacher, Atombatterie in der Brust
  55. Basiswissen-Kernenergie.
  56. Uni Oldenburg: Gefährlichkeit von Uran-238 und Plutonium-239 im Vergleich.
  57. Franz Frisch: Klipp und klar, 100 × Energie, Bibliographisches Institut AG, Mannheim 1977, ISBN 3-411-01704-X, S. 184.
  58. BREDL Southern Anti-Plutonium Campaign.
  59. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1972.
  60. Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1968–1971.
  61. Christoph Elschenbroich: Organometallchemie, 6. Auflage, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0167-8, S. 589.
  62. T. Miura, S. Oikawa, T. Kishimoto, S. Banba, T. Morimoto: „Rapid separation of plutonium in environmental samples using an anion exchange resin disk“, in: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2001, 250, S. 449–452; doi:10.1023/A:1017936703216.
  63. E. Hrnecek, P. Steier, A. Wallner: „Determination of plutonium in environmental samples by AMS and alpha-spectrometry“, in: Applied Radiation and Isotopes, 2005, 63 (5–6), S. 633–638; doi:10.1016/j.apradiso.2005.05.012; PMID 15982894.
  64. L. Fifield, R. Cresswell, M. di Tada, T. Ophel, J. Day, A. Clacher, S. King, N. Priest: „Accelerator mass spectrometry of plutonium isotopes“, in: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 1996, 117 (3), S. 295–303; doi:10.1016/0168-583X(96)00287-X.
  65. a b X. Claudon, J. Birolleau, M. Lavergne, B. Miche, C. Bergey: „Simultaneous determination of americium and plutonium by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry“, in: Spectrochimica Acta, 1987, 42B (1–2), S. 407–411; doi:10.1016/0584-8547(87)80080-0.
  66. C. Pasquini, J. Cortez, L. Silva, F. Gonzaga: „Laser Induced Breakdown Spectrocopy“, in: Journal of the Brazilian Chemical Society, 2007, 18 (3); doi:10.1590/S0103-50532007000300002.
  67. N. Surugaya, S.Sato, S. Jitsukata, M. Watahiki: „Application of Laser-induced Photoacoustic Spectroscopy for Determination of Plutonium Concentration in Nuclear Waste Solutions“, in: Analytical Sciences, 2008, 24, S. 527–530; PMID 18403847.
  68. K. Adelhelm, W. Faubel, H. Ache: „Laser induced photoacoustic spectroscopy in liquid samples: temperature and solvent effects“, in: Fresenius Journal of Analytical Chemistry, 1990, 338, S. 259–264; doi:10.1007/BF00323020.
  69. Antineutrinos überwachen Plutoniumproduktion.
  70. Reaktor-Plutonium und Waffen-Plutonium (Stand 2005).
  71. Waffenplutonium-Reaktor nach 46 Jahren stillgelegt; Meldung vom 15. April 2010.
  72. Germany declared its 2009 plutonium and HEU holdings - International Panel on Fissile Materials Blog.
  73. Switzerland's civilian plutonium in 2010 - International Panel on Fissile Materials Blog.
  74. a b „World Plutonium Inventories“ The Bulletin of the Atomic Scientist, September/October 1999.

Literatur[Bearbeiten]

  • David L. Clark, Siegfried S. Hecker, Gordon D. Jarvinen, Mary P. Neu: Plutonium, in: Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, Springer, Dordrecht 2006; ISBN 1-4020-3555-1, S. 813–1264; doi:10.1007/1-4020-3598-5_7.

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Plutonium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Plutonium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
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