Plutonium ist ein radioaktives, silbernes Metall, das zur Erzeugung oder Zerstörung verwendet werden kann. Während es schon bald nach seiner Entstehung zur Zerstörung verwendet wurde, wird das Element heute weltweit hauptsächlich zur Energiegewinnung eingesetzt.
Plutonium wurde erstmals 1940 hergestellt und isoliert und diente zur Herstellung der Atombombe „Fat Man“, die am Ende des Zweiten Weltkriegs auf Nagasaki abgeworfen wurde, nur fünf Jahre nach seiner Herstellung, so Amanda Simson, Assistenzprofessorin für Chemieingenieurwesen an der Universität von New Haven.
Nur die Fakten
Hier sind die Eigenschaften von Plutonium, laut dem Los Alamos National Laboratory:
- Atomzahl: 94
- Atomisches Symbol: Pu
- Atomgewicht: 244
- Schmelzpunkt: 1.184 F (640 C)
- Siedepunkt: 5.842 F (3.228 C)
Entdeckung & Geschichte
Plutonium wurde 1941 von den Wissenschaftlern Joseph W. Kennedy, Glenn T. Seaborg, Edward M. McMillan und Arthur C. Wohl an der University of California in Berkley entdeckt. Die Entdeckung erfolgte, als das Team Uran-238 mit Deuteronen beschoss, die in einer Zyklotronvorrichtung beschleunigt worden waren, wodurch Neptunium-238 und zwei freie Neutronen entstanden. Das Neptunium-238 zerfiel dann durch Betazerfall in Plutonium-238.
Dieses Experiment wurde erst 1946, nach dem Zweiten Weltkrieg, dem Rest der wissenschaftlichen Gemeinschaft mitgeteilt. Seaborg reichte im März 1941 einen Artikel über seine Entdeckung bei der Zeitschrift Physical Review ein, der jedoch entfernt wurde, als entdeckt wurde, dass ein Isotop des Plutoniums, Pu-239, zum Bau einer Atombombe verwendet werden kann.
Nach Angaben des Los Alamos National Laboratory wurde Seaborg bald darauf als Leiter des Plutonium Production Lab, auch bekannt als Met Lab, an die Universität von Chicago entsandt. Der Zweck des Labors war die Herstellung von Plutonium als Teil des Manhattan-Projekts. Das Manhattan-Projekt war ein geheimes Projekt während des Zweiten Weltkriegs, das ausschließlich der Entwicklung einer Atombombe diente.
Am 18. August 1942 hatten sie ihren ersten großen Erfolg. Es gelang ihnen, eine für das Auge sichtbare Spur von Plutonium herzustellen. Sie entsprach nur etwa 1 Mikrogramm. Aus der winzigen Probe bestimmten die Wissenschaftler das Atomgewicht von Plutonium.
Das Manhattan-Projekt produzierte schließlich genug Plutonium für den „Trinity-Test“. Bei diesem Test wurde die erste Atombombe der Welt, auch „The Gadget“ genannt, am 16. Juli 1945 in der Nähe von Socorro, New Mexico, durch den Direktor des Los Alamos Laboratory, Robert Oppenheimer, und Armeegeneral Leslie Groves gezündet.
Über den Test sagte Oppenheimer: „Wir wussten, dass die Welt nicht mehr dieselbe sein würde. Ein paar Leute lachten, ein paar Leute weinten. Die meisten Menschen waren still. Ich erinnerte mich an die Zeile aus der Hindu-Schrift Bhagavad-Gita. Vishnu versucht, den Prinzen davon zu überzeugen, dass er seine Pflicht tun soll, und um ihn zu beeindrucken, nimmt er seine mehrarmige Gestalt an und sagt: „Jetzt bin ich der Tod geworden, der Zerstörer der Welten. Ich nehme an, das haben wir alle gedacht, auf die eine oder andere Weise“, so die Royal Society of Chemistry.
Die Explosion hatte das Energieäquivalent von etwa 20.000 Tonnen TNT. Die erste Atombombe, die im Krieg eingesetzt wurde, fiel am 6. August 1945 auf Hiroshima, Japan. Diese Atombombe, „Little Boy“ genannt, hatte allerdings einen Urankern. Die zweite Bombe, die am 9. August 1945 auf Nagasaki (Japan) abgeworfen wurde, hatte einen Plutoniumkern. Die „Fat Man“, wie sie genannt wurde, beschleunigte das Ende des Zweiten Weltkriegs.
Eigenschaften von Plutonium
Frisch hergestelltes Plutoniummetall hat eine silbrig-helle Farbe, nimmt aber einen stumpfen grauen, gelben oder olivgrünen Schimmer an, wenn es an der Luft oxidiert. In konzentrierten Mineralsäuren löst sich das Metall schnell auf. Ein großes Stück Plutonium fühlt sich aufgrund der beim Alphazerfall freigesetzten Energie warm an; größere Stücke können genug Wärme erzeugen, um Wasser zu kochen. Bei Raumtemperatur ist Plutonium in der Alpha-Form (die häufigste Form) so hart und spröde wie Gusseisen. Es kann mit anderen Metallen legiert werden, um die bei Raumtemperatur stabilisierte Delta-Form zu bilden, die weich und dehnbar ist. Im Gegensatz zu den meisten Metallen ist Plutonium kein guter Wärme- oder Stromleiter. Es hat einen niedrigen Schmelzpunkt und einen ungewöhnlich hohen Siedepunkt.
Plutonium kann mit den meisten anderen Metallen und mit einer Vielzahl anderer Elemente Legierungen und Zwischenverbindungen bilden. Einige Legierungen haben supraleitende Eigenschaften, andere werden zur Herstellung von Kernbrennstoffpellets verwendet. Seine Verbindungen haben je nach Oxidationsstufe und Komplexität der verschiedenen Liganden unterschiedliche Farben. In wässriger Lösung gibt es fünf ionische Wertigkeitsstufen.
Plutonium ist wie alle anderen Transurane eine radiologische Gefahr und muss mit spezieller Ausrüstung und Vorsichtsmaßnahmen gehandhabt werden. Tierversuche haben ergeben, dass einige Milligramm Plutonium pro Kilogramm Gewebe tödlich sind.
Quellen
Plutonium kommt im Allgemeinen nicht in der Natur vor. Spurenelemente von Plutonium finden sich in natürlich vorkommenden Uranerzen. Hier entsteht es auf ähnliche Weise wie Neptunium: durch Bestrahlung von natürlichem Uran mit Neutronen und anschließendem Betazerfall.
Vor allem aber ist Plutonium ein Nebenprodukt der Kernkraftindustrie. Nach Angaben des Los Alamos National Laboratory werden jedes Jahr etwa 20 Tonnen Plutonium produziert. Abgebrannte Kernbrennstoffe können auch wiederaufbereitet werden, um verwertbares Plutonium von anderen Elementen im Brennstoff zu trennen.
Atmosphärische Waffentests in den 1950er und 1960er Jahren hinterließen nach Angaben der World Nuclear Association tonnenweise Plutonium in der Erdatmosphäre, das auch heute noch vorhanden ist.
Verwendungen
Im Großen und Ganzen wird Plutonium nicht viel verwendet. Tatsächlich werden von den fünf gebräuchlichen Isotopen nur zwei Isotope des Plutoniums, Plutonium-238 und Plutonium-239, überhaupt für irgendetwas verwendet.
Plutonium-238 wird zur Erzeugung von Elektrizität für Raumsonden mit Hilfe von radioisotopischen thermoelektrischen Generatoren verwendet. Diese Generatoren werden eingeschaltet, wenn die Sonden nicht genügend Sonnenenergie erhalten, weil sie sich zu weit von der Sonne entfernt haben. Einige Sonden, die Plutonium-238 verwenden, sind Cassini und Galileo.
Bei ausreichender Konzentration führt Plutonium-239 eine Spaltungskettenreaktion durch. Aus diesem Grund wird es in Kernwaffen und einigen Kernreaktoren verwendet.
Einer der wichtigsten Verwendungszwecke für Plutonium ist die Energiegewinnung. Nach Angaben der World Nuclear Association stammt mehr als ein Drittel der in den meisten Kernkraftwerken erzeugten Energie aus Plutonium. Plutonium ist der Hauptbrennstoff in schnellen Neutronenreaktoren.
Wer hätte das gedacht?
Jahrzehntelang fragten sich Wissenschaftler, warum sich Plutonium nicht wie andere Metalle seiner Gruppe verhält. Plutonium ist zum Beispiel ein schlechter elektrischer Leiter, und es haftet nicht an Magneten. Jetzt haben Forscher herausgefunden, wo sich der „fehlende Magnetismus“ versteckt hat, und es hat mit dem verrückten Verhalten der Elektronen in der äußeren Schale des Elements zu tun. Im Gegensatz zu anderen Metallen, die eine bestimmte Anzahl von Elektronen in ihrer Außenhülle haben, kann Plutonium im Grundzustand vier, fünf oder sechs Elektronen haben.
Diese schwankende Anzahl von Elektronen in der Außenhülle erklärt, warum Plutonium nicht magnetisch ist: Damit ein Atom mit Magneten wechselwirken kann, müssen sich die ungepaarten Elektronen in seiner Außenhülle in einem Magnetfeld aufreihen.
Das stabilste Isotop des Plutoniums, Plutonium-244, kann sehr lange halten. Es hat eine Halbwertszeit von etwa 82 Millionen Jahren und zerfällt durch Alphazerfall in Uran-240, so das Jefferson-Labor.
Plutonium wurde nach dem Planeten Pluto benannt. Das liegt daran, dass es nach Uran, das nach dem Planeten Uranus benannt wurde, und Neptunium, das nach dem Planeten Neptun benannt wurde, benannt wurde.
Plutonium sendet Neutronen, Betateilchen und Gammastrahlen aus.