Plutonium is een radioactief, zilverkleurig metaal dat kan worden gebruikt om te creëren of te vernietigen. Hoewel het al snel na zijn ontstaan voor vernietiging werd gebruikt, wordt het element tegenwoordig vooral gebruikt voor het opwekken van energie over de hele wereld.
Plutonium werd voor het eerst geproduceerd en geïsoleerd in 1940 en werd gebruikt om de “Fat Man” atoombom te maken die aan het einde van de Tweede Wereldoorlog op Nagasaki werd gedropt, slechts vijf jaar nadat het voor het eerst was geproduceerd, zei Amanda Simson, een assistent-professor in chemische technologie aan de Universiteit van New Haven.
Gewoon de feiten
Hier zijn de eigenschappen van plutonium, volgens het Los Alamos National Laboratory:
- Atoomnummer: 94
- Atoomsymbool: Pu
- Atomair gewicht: 244
- Smeltpunt: 1.184 F (640 C)
- Kookpunt: 5.842 F (3.228 C)
Ontdekking & geschiedenis
Plutonium werd in 1941 ontdekt door wetenschappers Joseph W. Kennedy, Glenn T. Seaborg, Edward M. McMillan en Arthur C. Wohl aan de Universiteit van Californië, Berkley. De ontdekking vond plaats toen het team uranium-238 bombardeerde met deuteronen die in een cyclotron waren versneld, waardoor neptunium-238 en twee vrije neutronen ontstonden. Het neptunium-238 vervalt dan in plutonium-238 door bèta-verval.
Dit experiment werd pas in 1946, na de Tweede Wereldoorlog, met de rest van de wetenschappelijke gemeenschap gedeeld. Seaborg diende een artikel over hun ontdekking in bij het tijdschrift Physical Review in maart 1941, maar het artikel werd verwijderd toen werd ontdekt dat een isotoop van plutonium, Pu-239, kan worden gebruikt om een atoombom te maken.
Snel daarna werd Seaborg naar de Universiteit van Chicago gestuurd om het Plutonium Productie Lab te leiden, ook bekend als het Met Lab, volgens het Los Alamos National Laboratory. Het doel van het lab was om plutonium te maken als onderdeel van het Manhattan Project. Het Manhattan Project was een geheime onderneming tijdens de Tweede Wereldoorlog die uitsluitend werkte aan de ontwikkeling van een atoombom.
Op 18 augustus 1942, hadden ze hun eerste grote succes. Ze waren in staat om een met het oog zichtbare hoeveelheid plutonium te maken. Het kwam overeen met slechts ongeveer 1 microgram. Uit het minuscule monster, bepaalden wetenschappers het atoomgewicht van plutonium.
Het Manhattan Project produceerde uiteindelijk genoeg plutonium voor de “Trinity Test.” Tijdens de test werd ’s werelds eerste atoombom, of “The Gadget”, op 16 juli 1945 in de buurt van Socorro, New Mexico, tot ontploffing gebracht door de directeur van het Los Alamos Laboratorium, Robert Oppenheimer, en legergeneraal Leslie Groves.
Oppenheimer zei over de test: “We wisten dat de wereld niet meer hetzelfde zou zijn. Een paar mensen lachten, een paar mensen huilden. De meeste mensen waren stil. Ik herinnerde me de regel uit het Hindoe geschrift, de Bhagavad-Gita. Vishnu probeert de prins ervan te overtuigen dat hij zijn plicht moet doen en om indruk op hem te maken neemt hij zijn veelarmige gedaante aan en zegt: ‘Nu ben ik de Dood geworden, de vernietiger van werelden.’ Ik veronderstel dat we dat allemaal dachten, op een of andere manier,” volgens de Royal Society of Chemistry.
De explosie had het energie-equivalent van ongeveer 20.000 ton TNT. De eerste atoombom voor oorlogsgebruik viel op Hiroshima, Japan, op 6 augustus 1945. Die atoombom, ook wel “Little Boy” genoemd, had echter een uraniumkern. De tweede bom, gedropt op Nagasaki, Japan, op 9 augustus 1945, had een plutonium kern. De “Fat Man,” zoals hij werd genoemd, bespoedigde het einde van de Tweede Wereldoorlog.
Eigenschappen van plutonium
Vers bereid plutoniummetaal heeft een zilverachtige heldere kleur, maar krijgt een doffe grijze, gele, of olijfgroene aanslag wanneer het in de lucht wordt geoxideerd. Het metaal lost snel op in geconcentreerde minerale zuren. Een groot stuk plutonium voelt warm aan door de energie die vrijkomt bij het alfaverval; grotere stukken kunnen genoeg hitte produceren om water te laten koken. Bij kamertemperatuur is alfavormig plutonium (de meest voorkomende vorm) zo hard en bros als gietijzer. Het kan met andere metalen worden gelegeerd om de bij kamertemperatuur gestabiliseerde deltavorm te vormen, die zacht en buigzaam is. In tegenstelling tot de meeste metalen is plutonium geen goede geleider van warmte of elektriciteit. Het heeft een laag smeltpunt en een ongewoon hoog kookpunt.
Plutonium kan legeringen en tussenverbindingen vormen met de meeste andere metalen, en verbindingen met een verscheidenheid van andere elementen. Sommige legeringen hebben supergeleidende eigenschappen en andere worden gebruikt om splijtstofkorrels te maken. De verbindingen zijn er in verschillende kleuren, afhankelijk van de oxidatietoestand en de complexiteit van de liganden. In waterige oplossing zijn er vijf valantie-ionische toestanden.
Plutonium is, samen met alle andere transuranium elementen, een radiologisch gevaar en moet worden gehanteerd met gespecialiseerde apparatuur en voorzorgsmaatregelen. Uit dierstudies is gebleken dat enkele milligrammen plutonium per kilogram weefsel al dodelijk zijn.
Bronnen
Plutonium komt in het algemeen niet in de natuur voor. Sporenelementen van plutonium worden gevonden in natuurlijk voorkomende uraniumertsen. Hier wordt het op een soortgelijke manier gevormd als neptunium: door bestraling van natuurlijk uranium met neutronen gevolgd door bètaverval.
Plutonium is echter vooral een bijproduct van de kernenergie-industrie. Elk jaar wordt ongeveer 20 ton plutonium geproduceerd, volgens het Los Alamos National Laboratory. Gebruikte kernbrandstof kan ook worden opgewerkt om bruikbaar plutonium te scheiden van andere elementen in de brandstof.
Atmosferische wapentests in de jaren 1950 en 1960 lieten tonnen plutonium achter in de atmosfeer van de aarde die er vandaag de dag nog steeds is, volgens de World Nuclear Association.
Toepassingen
Voor het grootste deel wordt plutonium niet voor veel gebruikt. In feite worden van de vijf gemeenschappelijke isotopen slechts twee van plutonium, plutonium-238 en plutonium-239, überhaupt ergens voor gebruikt.
Plutonium-238 wordt gebruikt om elektriciteit te maken voor ruimtesondes met behulp van radio-isotoop thermo-elektrische generatoren. Deze generatoren worden ingeschakeld wanneer de sondes niet genoeg zonne-energie kunnen krijgen omdat zij te ver van de zon zijn afgedwaald. Enkele sondes die plutonium-238 gebruiken zijn Cassini en Galileo.
Bij voldoende concentratie ondergaat plutonium-239 een kettingreactie van kernsplijting. Daarom wordt het gebruikt in kernwapens en sommige kernreactoren.
Een van de grootste toepassingen van plutonium is energie. Volgens de World Nuclear Association is meer dan een derde van de energie die in de meeste kerncentrales wordt geproduceerd, afkomstig van plutonium. Plutonium is de belangrijkste brandstof in snelle neutronenreactoren.
Wie had dat kunnen weten?
Al tientallen jaren vroegen wetenschappers zich af waarom plutonium zich niet gedroeg als andere metalen in zijn groep. Zo is plutonium een slechte geleider van elektriciteit en plakt het niet aan magneten. Nu hebben onderzoekers ontdekt waar het “ontbrekende magnetisme” zich heeft verstopt en dat heeft te maken met het vreemde gedrag van de elektronen in de buitenste schil van het element. In tegenstelling tot andere metalen, die een vast aantal elektronen in hun buitenste schil hebben, kan plutonium in een grondtoestand daar vier, vijf of zes elektronen hebben.
Dit fluctuerende aantal buitenste-schil-elektronen verklaart waarom plutonium niet magnetisch is: wil een atoom met magneten kunnen interageren, dan moeten de ongepaarde elektronen in zijn buitenste schil op één lijn staan in een magnetisch veld.
Plutonium’s meest stabiele isotoop, plutonium-244, kan een lange tijd meegaan. Het heeft een halfwaardetijd van ongeveer 82 miljoen jaar en vervalt in uranium-240 door alfaverval, volgens het Jefferson Lab.
Plutonium is vernoemd naar de planeet Pluto. Dat komt omdat het na uranium kwam, dat naar de planeet Uranus werd genoemd, en neptunium, dat naar de planeet Neptunus werd genoemd.
Plutonium zendt neutronen, betadeeltjes en gammastralen uit.