Plutonium | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Plutonium-Pellets. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Position im Periodensystem | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Symbol | Könnten | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nachname | Plutonium | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ordnungszahl | 94 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gruppe | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Zeitraum | 7 th Zeitraum | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Block | Block f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elementfamilie | Aktinid | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronische Konfiguration | [ Rn ] 5 f 6 7 s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronen nach Energieniveau | 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomare Eigenschaften des Elements | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atommasse | 244,06 u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomradius (berechnet) | 159 Uhr | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kovalenter Radius | 187 ± 13 Uhr | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidationszustand | 6, 5, 4, 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronegativität ( Pauling ) | 1,28 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxid | Amphoter | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ionisierungsenergien | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 Re : 6,0260 eV | 2 e : 11,2 eV | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Stabilste Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Einfache physikalische Eigenschaften des Körpers | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Normalzustand | solide | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Volumenmasse | 19.816 kg · m -3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kristallsystem | Monoklinik | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Farbe | Silbrig-weißes Anlaufen im Freien | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fusionspunkt |
640 °C 640° ± 2 |
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Siedepunkt | 3228 °C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fusionsenergie | 2,84 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Verdampfungsenergie | 344 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molarvolumen | 12,29 × 10 -6 m 3 · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dampfdruck |
1 Pa (bei 1.483 ° C ) |
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Schallgeschwindigkeit | 2260 m · s -1 bis 20 °C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Massenhitze | 35,5 J · kg -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektrische Leitfähigkeit | 685 x 10 6 S · m -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Wärmeleitfähigkeit | 6,74 W · m -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Verschiedene | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o CAS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o ECHA | 100.028.288 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o EG | 231-117-7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vorsichtsmaßnahmen | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Radioelement mit bemerkenswerter Aktivität |
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Einheiten von SI & STP, sofern nicht anders angegeben. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Das Plutonium ist das chemische Element mit Symbol Pu und der Ordnungszahl 94. Es ist ein Metall radioaktiven transuranic die Familie der Actiniden . Es liegt in Form eines kristallisierten Festkörpers vor, dessen frische Oberflächen silbriggrau sind, aber in Gegenwart von Feuchtigkeit in wenigen Minuten mit einer stumpfen grauen, manchmal zu olivgrünen Schicht aus Oxiden und Hydriden bedeckt sind ; die resultierende Volumenzunahme kann 70 % eines reinen Plutoniumblocks erreichen, und die so gebildete Substanz neigt dazu, sich in ein pyrophores Pulver aufzulösen .
Plutonium wurde erstmals am 14. Dezember 1940 an der University of California in Berkeley durch Beschuss von Uran 238 mit Deuterium hergestellt und isoliert . Kommen nach Uran und Neptunium im Periodensystem , das neue chemische Element wurde in Bezug auf Namen Pluto , die nach den Planeten kommen Uranus und Neptun im Sonnensystem . Es ist ein synthetisches Element , künstlich vom Menschen hergestellt, aber es wird auch über die Beobachtung von Spuren von natürlichem Plutonium in Uranerzen berichtet . Es ist ein radiotoxisches Schwermetall, das sich in den Knochen und in geringerem Maße in der Leber anreichert . Wir beobachten gewöhnlich vier Oxidationsstufen von Plutonium, von +3 bis +6 (der +7-Zustand ist selten) mit unterschiedlichen Färbungen. Die elektronische Struktur des reinen Metalls wird durch das 5f- Band bestimmt , das die größte Zustandsdichte auf dem Fermi-Niveau aufweist ; Das besonders schmale 5f-Band neigt dazu, die Elektronen darin zu lokalisieren, so dass reines Plutonium bei Raumtemperatur den schweren Fermionenmaterialien mit hoher Wärmekapazität und elektrischem Widerstand ähnlich ist .
Wir kennen nicht weniger als sechs Allotrope von Plutonium bei Atmosphärendruck und ein Siebtel über 60 MPa . Sie haben gut definierte und oft ungewöhnliche Eigenschaften für ein Metall. Somit ist α-Plutonium, das bei Raumtemperatur stabil ist, eines der sehr seltenen Metalle, die im monoklinen System kristallisieren ; seine physikalischen und strukturellen Eigenschaften beziehen sich eher auf Mineralien als auf gewöhnliche Metalle, während seine mechanischen Eigenschaften an die von Gusseisen erinnern . Das -Plutonium, das bei höheren Temperaturen oder mit einem niedrigen molaren Anteil an Gallium stabil ist , kristallisiert andererseits in einem kubisch flächenzentrierten Gitter mit einer um fast 20% niedrigeren Dichte als das Plutonium α; es ist metallisch, mit mechanischen Eigenschaften ähnlich wie Aluminium , aber ein negativer Wärmeausdehnungskoeffizient (kontrahiert beim Erhitzen). Plutonium ist auch eines der wenigen chemischen Elemente, dessen Flüssigkeit am Schmelzpunkt dichter als fest ist . Die Existenz mehrerer Allotrope mit benachbarten inneren Energien macht die Formgebung von Plutonium besonders heikel, so dass stattdessen eine Plutonium-Gallium-Legierung verwendet wird , die die δ-Phase bei Raumtemperatur stabilisiert, was die Bearbeitung der Teile in Plutonium erleichtert .
Das Plutonium 239 und Plutonium-241 sind spaltbare Isotope mit thermischen Neutronen , das heißt , sie zu einem beitragen kann nukleare Kettenreaktion und kann bei der Gestaltung der verwendet werden Kernwaffen und Kernreaktoren . Das Plutonium-240 hat eine sehr hohe spontane Spaltungsrate, die es erfordert, eine Rate von unter 7% im waffenfähigen Plutonium zu halten. Das Plutonium-238 hat eine Halbwertszeit von 88 Jahren und emittiert α-Teilchen ; Es ist eine Wärmequelle, die häufig von thermoelektrischen Radioisotopengeneratoren verwendet wird , um bestimmte Raumsonden mit Strom zu versorgen . Die Abtrennung von Isotopen aus Plutonium ist schwierig und sie werden meist gezielt in spezialisierten Reaktoren hergestellt. Die Produktion von ausreichend Plutonium war während des Zweiten Weltkriegs eines der Ziele des Manhattan-Projekts , um die ersten Atombomben zu entwickeln. Die erste Atomexplosion, der Trinity- Test , verwendete eine Plutoniumladung, ebenso wie Fat Man , die Atombombe, die auf Nagasaki abgeworfen wurde ; die Little Boy- Bombe, die drei Tage zuvor auf Hiroshima abgeworfen wurde, hatte einen angereicherten Urankern .
Plutonium verdankt seinen Namen dem Planeten Pluto , der nach Uranus und Neptun entdeckt wurde , in Analogie zu den Elementen Uran und Neptunium , die ihm im Periodensystem unmittelbar vorausgehen.
Plutonium ist ein Metall aus der Familie der Aktiniden , das wie die meisten anderen Metalle ein glänzendes silbriges Aussehen wie Nickel hat . Bei Luftkontakt wird es jedoch schnell mit einer matten gräulichen Schicht bedeckt, deren Farben auf Gelb oder Olivgrün zurückgehen können, wobei letzterer Farbton von Plutoniumdioxid PuO 2 stammt..
Wie Neptunium und Uran – und in geringerem Maße auch Protactinium – wird die elektronische Struktur von Plutonium unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen durch 5f- Orbitale bestimmt , die einen wesentlichen Beitrag zu interatomaren Bindungen leisten. Die Atomabstände sind bei diesen Materialien, die deshalb eine besonders hohe Dichte aufweisen , reduziert : der von Plutonium ist mit 19,816 g · cm -3 mehr als doppelt so groß wie der von Einsteinium ( 8,84 g · cm -3 ), das jedoch eine höhere Atomdichte hat Masse . Die interatomaren Abstände in einem Kristall beeinflussen jedoch die Breite der elektronischen Bänder : Je kleiner diese Abstände, desto schmaler die Bänder. Da das 5f-Band mathematisch schmaler ist als das 6d- und 7s-Band, wird es hier ausreichend schmal, um dazu zu neigen, die Elektronen im Kristall zu lokalisieren, dessen metallische Eigenschaften folglich stark verschlechtert werden. Daraus ergibt sich die ganze Komplexität von Plutonium: Angesichts der sehr speziellen Bandstruktur des Materials, bei der die 5f- und 6d-Bänder sehr ähnliche Energieniveaus haben, befinden sich die 5f-Elektronen von Plutonium an der Grenze zwischen lokalisiertem Zustand und Zustand , so dass eine geringfügige Variation der inneren Energie ausreicht, um von einem zum anderen überzugehen, was zu plötzlichen Änderungen der makroskopischen Eigenschaften des Materials führt.
Aufgrund des Einflusses von 5f-Elektronen sind die Kristalle leichter Actiniden weniger symmetrisch als die von gewöhnlichen Metallen, da 5f-Orbitale sehr gerichtet sind und die Geometrie der Kristalle einschränken. Protactinium kristallisiert im quadratischen System , weniger symmetrisch als die von gewöhnlichen Metallen, während Uran und Neptunium im orthorhombischen System kristallisieren , noch weniger symmetrisch, und Plutonium im monoklinen System , dem am wenigsten symmetrischen von allen. Daraus folgt, dass Plutonium im Standardzustand nicht sehr duktil , nicht sehr formbar , nicht sehr plastisch und im Gegenteil ziemlich hart und spröde ist; seine mechanischen Eigenschaften werden oft mit denen von Grauguss verglichen .
Als weitere Folge des Einflusses von 5f-Elektronen hat Plutonium im Standardzustand eine geringe elektrische Leitfähigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit , aber eine hohe Wärmekapazität , die den schweren Fermionenmaterialien ähnelt . Außerdem nimmt seine elektrische Leitfähigkeit beim Abkühlen des Materials tendenziell ab, was im Gegensatz zum üblichen Verhalten von Metallen steht. Der Trend wird bis 100 K beobachtet , dann für frisches Plutonium umgekehrt; jedoch nimmt der spezifische Widerstand mit der Zeit aufgrund der Beschädigung des Kristallgitters aufgrund der Radioaktivität zu.
Metall |
thermische Leitfähigkeit |
Elektrischer Widerstand |
Komprimierbarkeit |
Young- Modul |
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Plutonium α | 4,2 W · m -1 · K -1 | 1,45 μΩ · m | 0,020 GPa -1 | 100 GPa |
Plutonium δ ( Pu-Ga ) | 9,2 W · m -1 · K -1 | 1,00 μΩ · m | 0,033 GPa -1 | 42 GPa |
Rostfreier Stahl | 15 W · m -1 · K -1 | 0,7 μΩ · m | 0,0007 GPa -1 | 180 GPa |
Aluminium | 222 W · m -1 · K -1 | 0,029 μΩ · m | 0,015 GPa -1 | 70 GPa |
Im Allgemeinen stört Radioaktivität die Kristallstruktur von Plutonium durch Anhäufung von Kristalldefekten . Die Eigenstrahlung kann das Material aber auch so stark erhitzen, dass es zum Glühen kommt , wodurch der vorherige Effekt bei Temperaturen über 1000 K ausgeglichen wird .
Etwa zwanzig Isotope von Plutonium sind bekannt . Die Plutonium-244 hat eine Halbwertszeit länger, mit 80.800.000 Jahren vor, gefolgt von Plutonium 242 , mit 373 300 Jahren und Plutonium-239 , mit 24 110 Jahren. Alle anderen Isotope von Plutonium haben eine Halbwertszeit von weniger als 7.000 Jahren. Plutonium hat auch acht Kernisomere , deren Halbwertszeit immer weniger als eine Sekunde beträgt.
Die bekannten Isotope von Plutonium haben eine Atommasse im Bereich von 228 bis 247. Die bevorzugte Zerfallsart von Isotopen, die leichter als Plutonium 244 sind, ist die spontane Spaltung und der α-Zerfall , der hauptsächlich Neptunium und Uran sowie "eine Vielzahl von Spaltprodukten" erzeugt . Die bevorzugte Zerfallsart von Isotopen, die schwerer als Plutonium 244 sind, ist der β-Zerfall , der im Wesentlichen Americium erzeugt . Das Plutonium-241 ist das Mutterisotop der Neptunium-Zerfallsreihe, das durch β-Zerfall das Americium-241 ergibt .
Die Plutonium-239 ist, mit der Uran-233 und Uran-235 , einer der drei großen spaltbaren Isotope durch die verwendete Atomindustrie oder militärische Zwecke. Das Plutonium-241 ist auch hochspaltbar, das heißt, es kann sich unter dem Aufprall eines thermischen Neutrons spalten, wobei mehr Neutronen freigesetzt werden, um andere Atome spalten zu können und so eine Reaktionskette aufrechtzuerhalten ; es ist jedoch viel radioaktiver als Plutonium 239 und erzeugt durch β-Zerfall von Americium 241 einen starken Emitter unerwünschter α-Teilchen bei den üblichen Anwendungen von Plutonium. Bei thermischen Neutronen ausgesetzt, Isotope für die 239 Pu und 241 Pu eine Wahrscheinlichkeit haben etwa 3 / 4 des Crackens und etwa 1 / 4 des Gebens 240 Pu und 242 Pu sind, so dass die Rate des 240 Pu in dem Rest Plutonium nach einem Kernreaktion ist größer als die des anfänglichen Plutoniums.
Deutlich weniger radioaktiv als die meisten anderen Isotope, hat reines Plutonium 239 jedoch einen Multiplikationsfaktor k eff größer als 1, was bedeutet, dass dieses Material eine kritische Masse erreichen kann, solange eine ausreichende Menge an Material im entsprechenden Volumen gesammelt wird. Bei der Spaltung eines Atoms wird ein Bruchteil der Kernbindungsenergie , die den Atomkern zusammenhält , als elektromagnetische Energie und kinetische Energie freigesetzt , wobei letztere schnell in thermische Energie umgewandelt wird . Die Spaltung von einem Kilogramm Plutonium-239 kann äquivalent eine Explosion erzeugen zu 21 kt von TNT ( 88,000 GJ ). Es ist diese Energie, die von Kernreaktoren und Atomwaffen genutzt wird .
Das Vorhandensein von Plutonium 240 in einer Masse von Plutonium-239 schränkt seine militärische Bedeutung ein, da dieses Isotop eine um mehr als vier Größenordnungen höhere spontane Spaltungsrate als Plutonium 239 aufweist - etwa 440 Spaltung · s -1 · G -1 , oder mehr als 1000 Neutronen · s -1 · g -1 - was die Explosivität des Materials verschlechtert und das Risiko einer unkontrollierten Explosion erhöht. Plutonium wird als Militärqualität ( Waffenqualität ) bezeichnet, wenn es weniger als 7% Plutonium 240 enthält , und als Brennstoffqualität ( Brennstoffqualität ), wenn es weniger als 19% enthält. Hochwertiges Plutonium ( supergrade ), die weniger als 4% Plutonium 240 , verwendet wird , wegen seiner geringeren Radioaktivität, für Atomwaffen , die in unmittelbarer Nähe der Besatzungen, in gehalten werden müssen , Atom - U - Trägerraketen von Gang und verschiedene Arten von Kriegsschiffen für Beispiel. Das Plutonium-238 ist nicht spaltbar, kann aber durch schnelle Neutronen und eine α-Radioaktivität leicht gespalten werden .
Die zwei hauptsächlich synthetisierten Isotope sind Plutonium 238 und Plutonium 239 . Das Plutonium-239 wird durch Neutroneneinfang und -zerfall aus β von Uran-238 erzeugt :
Die Neutronen aus der Spaltung von Uran 235 werden von den Kernen von Uran 238 absorbiert , um das Uran 239 zu bilden ; ein β-Zerfall wandelt dann ein Neutron in ein Proton um, um Neptunium 239 zu bilden , das durch einen zweiten β-Zerfall in Plutonium 239 umgewandelt wird .
Die Plutonium-238 wird durch Beschuss von erzeugten Uran-238 mit Ionen aus Deuterium :
Abgesehen von Plutonium 240 , das eine hohe spontane Spaltungsrate aufweist , und Plutonium 241 , das durch β - Radioaktivität zerfällt , erfolgt der spontane Zerfall der Hauptisotope von Plutonium hauptsächlich durch α - Radioaktivität , also durch Emission von α - Teilchen ( er 2+ ) , das rekombinieren Elektronen des Metalls zu bilden , das Helium , während das Plutonium transmutiert in Uran . So enthält ein typischer 5 kg Kernwaffenkern 12,5 × 10 24 Atome mit einer Aktivität von 11,5 × 10 12 Bq ( Zerfälle pro Sekunde), die α-Teilchen emittieren, was insgesamt einer Leistung von 9 68 W entspricht .
Isotop | Zeitraum
radioaktiv |
Massenaktivität |
Decay - Modus |
Nuklid Sohn |
Verbindung Bericht |
Decay Energie |
---|---|---|---|---|---|---|
238 Pu | 87,76 Jahre | 6,34 x 10 11 Bq · g-1 | Α Radioaktivität | 234 U | 71,04% | 5,499 MeV |
28,84% | 5,457 MeV | |||||
239 Pu | 24 130 Jahre | 2,295 x 10 9 Bq · g-1 | Α Radioaktivität | 235 U | 73,30% | 5,156 MeV |
15.10% | 5.144 MeV | |||||
11,45 % | 5.106 MeV | |||||
240 Pu | 6.567,5 Jahre | 8,40 x 10 9 Bq · g-1 | Α Radioaktivität | 236 U | 72,90% | 5,168 MeV |
27,00% | 5.124 MeV | |||||
241 Pu | 14,29 Jahre | 3,81 × 10 12 Bq g-1 | Β Radioaktivität | 241 Am | 99,99% | 20,81 keV |
Die Radioisotope des Plutoniums setzen in Abhängigkeit von den betrachteten Isotopen eine unterschiedliche Zerfallswärme frei. Diese Menge wird in der Regel in Watt pro Kilogramm oder in Milliwatt pro Gramm angegeben . Es kann in großen Plutoniumteilen (zum Beispiel in Atomsprengköpfen ) erhebliche Werte erreichen . Alle Isotope des Plutoniums setzen auch schwache γ-Strahlen frei .
Isotop | Zerfallswärme | Spontane Spaltung ( Neutronen ) | Bemerkungen |
---|---|---|---|
238 Pu | 560 W · kg -1 | 2600 g -1 · s -1 | Sehr hohe Zerfallswärme, die in thermoelektrischen Radioisotop-Generatoren verwendet wird |
239 Pu | 1,9 W · kg -1 | 0,022 g -1 · s -1 | Haupt spaltbaren Isotops Plutonium. |
240 Pu | 6,8 W · kg -1 | 910 g -1 · s -1 | Hauptverunreinigung von Plutonium 239 . Die Qualität eines Plutoniums wird im Allgemeinen in einem Prozentsatz von 240 Pu angegeben. Seine spontane Spaltungsrate ist für militärische Anwendungen ungünstig. |
241 Pu | 4,2 W · kg -1 | 0,049 g -1 · s -1 | Zerfällt zu Americium 241 . Seine Anhäufung birgt die Gefahr der Bestrahlung durch alte Plutoniumstücke. |
242 Pu | 0,1 W · kg -1 | 1700 g -1 · s -1 |
Es gibt sechs Allotrope von Plutonium bei Atmosphärendruck und ein siebtes über 60 MPa . Diese Allotrope haben eine innere Energie, die wenig variiert, während ihre physikalischen Eigenschaften dramatisch variieren. Die Dichte von reinem Plutonium bei Atmosphärendruck beträgt somit 19,86 g · cm -3 für Plutonium α bei Raumtemperatur, aber nur 15,92 g · cm -3 für Plutonium δ bei 125 ° C , eine um 20 % geringere Dichte, entsprechend einer linearen Dehnung von mehr als 7,6 %. Plutonium kann daher heftig auf Druck-, Temperatur- oder chemische Umgebungsänderungen reagieren, und Phasenübergänge können von erheblichen und abrupten Volumenänderungen begleitet sein.
Phase | Kristallsystem |
Temperatur des Phasenübergangs |
Volumenmasse |
---|---|---|---|
α | Einzel Klinik | - | 19,86 g · cm -3 |
β | Monoklinik mit zentrierten Basen | 124,5 °C | 17,70 g · cm -3 |
γ | Gesichtszentrierte orthorhombische | 214,8 °C | 17,14 g · cm -3 |
δ | Flächenzentriert kubisch | 320,0 °C | 15,92 g · cm -3 |
δ ' | Zentriert quadratisch | 462,9 °C | 16,00 g · cm -3 |
ε | Kubisch zentriert | 482,6 °C | 16,51 g · cm -3 |
Flüssigkeit | ~ 640 °C | 16,65 g · cm -3 |
Monoklin (α)
Flächenzentriert orthorhombisch (γ)
Tetragonal zentriert (δ ')
Die Existenz so unterschiedlicher Allotrope für so ähnliche innere Energien macht die Formgebung von reinem Plutonium besonders heikel. Sein Standardzustand , die α-Phase, ist monoklin , was reines Plutonium bei Raumtemperatur zu einem harten und spröden Material wie Grauguss macht , das sich wenig zerspanen lässt und anfällig für plötzliche Geometrieänderungen unter Druck ist. Andererseits ist die δ-Phase wie viele gewöhnliche Metalle wie Aluminium und Nickel kubisch flächenzentriert und hat ähnliche mechanische Eigenschaften wie Aluminium . Stabil von 320,0 bis 462,9 ° C für reines Plutonium, kann die δ-Phase bis auf Raumtemperatur durch Zugabe einer kleinen Menge Gallium , Aluminium, Americium , Scandium oder Cer stabilisiert werden , die bearbeitet und Teile Plutonium geschweißt werden können . Zu diesem Zweck wird häufig die Plutonium-Gallium-Legierung verwendet, da sie es ermöglicht, unerwünschte Phasenübergänge zu überwinden, die zu Verzügen durch im Bauteil befindliche Quellungen oder Kontraktionen führen. Das Silizium , das Indium , das Zink und das Zirkonium ermöglichen die Bildung einer metastabilen δ-Phase durch schnelles Abkühlen. Durch Zugabe großer Mengen Hafnium , Holmium und Thallium ist es auch möglich, die δ-Phase bis auf Raumtemperatur zu erhalten. Das Neptunium ist das einzige Element, das die α-Phase gegenüber monoklinen höheren Temperaturen stabilisiert.
Die Elastizität der δ-Phase ist anisotrop , die je nach Richtung um den Faktor sechs bis sieben variieren kann.
Bei Spaltwaffen bewirkt die Stoßwelle, die den Kern komprimiert (über einige Dutzend Kilobar hinaus), auch einen Übergang von der Delta-Phase in die Alpha-Form, die deutlich dichter ist, wodurch die Kritikalität leichter erreicht werden kann .
Die Legierungen Plutonium können durch Zugabe eines Metalls zum geschmolzenen Plutonium erhalten werden. Wenn das zugesetzte Metall ausreichend reduzierend ist , kann das Plutonium in Form von Oxiden oder Halogeniden zugeführt werden . Die Plutonium-Gallium- Legierung und die Plutonium-Aluminium-Legierung, die die δ-Phase des Plutoniums bei Raumtemperatur stabilisieren, erhält man durch Zugabe von Plutoniumtrifluorid PuF 3mit geschmolzenem Gallium oder Aluminium , was den Vorteil hat, dass der Umgang mit metallischem Plutonium, das sehr reaktiv ist, vermieden wird.
Reines Plutonium hat bei Raumtemperatur silbrige Oberflächen, die bei Kontakt mit Luft innerhalb von Minuten anlaufen. Es weist in wässriger Lösung vier häufige Oxidationsstufen auf , plus ein selteneres Fünftel:
Ein Komplex mit Plutonium in der formalen Oxidationsstufe +2, [K (2.2.2- Kryptand )] [Pu II Cp ″ 3 ], wobei Cp ″ = C 5 H 3 (SiMe 3 ) 2, wurde ebenfalls veröffentlicht.
Die Farbe des Plutonium Ionenlösungen hängt sowohl von der Oxidationsstufe und der Natur der Säure - Anion . Letzteres beeinflusst den Grad der Plutoniumkomplexierung.
Metallisches Plutonium wird durch Umsetzung von Plutoniumtetrafluorid PuF 4 . gewonnenmit Barium , Calcium oder Lithium bei 1200 °C . Es wird von Säuren , Sauerstoff und Wasserdampf angegriffen , nicht jedoch von Basen . Es löst sich leicht in Salzsäure HCl, Jodwasserstoff HI und Perchlorsäure HClO 4konzentriert. Das geschmolzene Plutonium muss unter Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre gehalten werden, um eine Reaktion mit Luft zu vermeiden. Bei 135 °C entzündet sich metallisches Plutonium an der Luft und explodiert in Gegenwart von CCl 4 Tetrachlormethan.
Plutonium reagiert mit Kohlenstoff zu Pu 3 C 2 Plutoniumcarbiden, PuC 1-δ, Pu 2 C 3und PuC 2 ; es reagiert mit Stickstoff N 2zur Bildung eines PUN Nitrid und mit Silizium zur Bildung eines Pusi 2 Silizid ; es reagiert mit Halogenen X 2, wobei X für Fluor , Chlor , Brom und Jod stehen kann , was die Trihalogenide PuX 3 . ergibt. Mit Fluor, zusätzlich zu Plutoniumtrifluorid PuF 3, beobachten wir auch Plutoniumtetrafluorid PuF 4sowie Plutoniumhexafluorid PuF 6. Außerdem werden Oxyhalogenide PuOCl, PuOBr und PuOI gebildet.
Die mit Plutonium verwendeten Tiegel müssen den Eigenschaften, die dieses Metall reduzieren , standhalten können . Die feuerfesten Metalle wie Tantal und Wolfram und die stabilsten Oxide , Boride , Carbide , Nitride und Silizide können geeignet sein. Durch das Schmelzen in einem Elektrolichtbogenofen können kleine Barren aus metallischem Plutonium ohne Tiegel hergestellt werden.
Reines Plutonium, das Feuchtigkeit ausgesetzt ist, sei es an der Luft oder in Argon , wird in wenigen Minuten mit einer matten Schicht aus einem Gemisch von Oxiden und Hydriden bedeckt , die sich auflöst und einen feinen flüchtigen Staub bildet, dessen Einatmen ein ernsthaftes Gesundheitsrisiko darstellen kann. Aus diesem Grund wird das Plutonium in Handschuhboxen gehandhabt, die die atmosphärische Verteilung dieses Staubs verhindern.
Genauer gesagt wird Plutonium, das trockener Luft ausgesetzt ist, mit einer Schicht aus Plutoniumdioxid PuO 2 . bedecktDies sorgt für eine bemerkenswerte Passivierung des Metalls, wodurch das Fortschreiten der Oxidation im Material auf nur 20 pm · h -1 reduziert wird . Andererseits führt die Anwesenheit von Feuchtigkeit Hydride PuH x, Mit 1,9 <x <3 , die die Korrosion durch den Sauerstoff O 2 . katalysieren, während Feuchtigkeit in Abwesenheit von Sauerstoff intermediäre Oxide wie das Sesquioxid Pu 2 O 3 . einführtdie die Wasserstoffkorrosion fördern. Schließlich führt Feuchtigkeit in Gegenwart von Sauerstoff zur Oxidation von PuO 2 -Dioxid.um ein höheres Oxid PuO 2 + x . zu bilden auf der Dioxidschicht, die die Korrosion des Metalls in feuchter Luft zu fördern scheint.
Plutoniumpulver, seine Hydride und bestimmte Oxide wie Pu 2 O 3sind pyrophor , d. h . sie können sich bei Luftkontakt bei Raumtemperatur spontan entzünden und werden daher in einer trockenen inerten Atmosphäre aus Stickstoff N 2 . gehandhabtoder Argon Ar. Das feste Plutonium entzündet sich erst oberhalb von 400 °C . Pu 2 O 3erwärmt sich spontan und wird zu Plutoniumdioxid PuO 2, das in trockener Luft stabil ist, aber heiß mit Wasserdampf reagiert . Die Reaktionen im Spiel wären wie folgt:
3 PuO 2+ Pu → 2 Pu 2 O 3 2 Pu 2 O 3+ O 2→ 4 PuO 2.Plutonium reagiert auch mit Wasserstoff H 2um Hydride zu bilden PuH x, mit 1,9 <x <3 :
2 Pu + x H 2→ 2 PuH x.Der Wert von x hängt vom Partialdruck des Wasserstoffs und der Reaktionstemperatur ab. Diese Hydride, bei denen es sich um kristallisierte Feststoffe im kubischflächenzentrierten System handelt, werden durch Luft schnell oxidiert und zerfallen beim Erhitzen im dynamischen Vakuum, d. h. unter kontinuierlichem Pumpen des freigesetzten Wasserstoffs, in ihre Bestandteile.
Verschiedene Arten von Risiken sind zu berücksichtigen im Hinblick auf den Umgang mit Plutonium, die eng ist abhängig von den beteiligten Isotope . Kritikalität Unfälle bei der Handhabung Fehlern auftreten , zur Bildung einer führenden kritischen Masse von Plutonium und unterliegen Schäden . Ursache akutes Strahlensyndrom . Die Radiotoxizität und Reproduktionstoxizität treten als Folge der Plutoniumaufnahme im Körper auf, die zur Bestrahlung von Gewebe mit ionisierender Strahlung führt, die genetische Mutationen verursachen und Krebs auslösen können .
Die häufigsten Isotope des Plutoniums sind vor allem α-Strahler , die α-Partikel von 4,9 bis 5,5 MeV bestrahlen, die von jeder festen Substanz, insbesondere der Epidermis, leicht gestoppt werden können . Das Plutonium-241 emittiert β-Strahlen , die durchdringender sind als α-Strahlung, aber nur 5,2 keV .
Aus chemischer Sicht ist Plutonium brennbar und selbstentzündlich , daher stellt es eine Brandgefahr dar. Seine chemische Toxizität ist dagegen nicht besonders signifikant.
Die Ansammlung von Plutonium in einem Volumen nahe der kritischen Masse führt wahrscheinlich zur Einleitung einer Kernreaktion, die eine tödliche Menge an Neutronen und γ-Strahlen emittiert . Bei Plutonium ist das Risiko umso größer, da die kritische Masse von Plutonium 239 in der Regel nur ein Drittel der von Uran 235 beträgt . Dieses Risiko wird in Lösung durch die moderierende Wirkung des Wasserstoffs im Wasser erhöht , der die Neutronen thermalisiert .
Mehrere Kritikalität Unfälle Plutonium beteiligt sind, wurden zu berichtet XX - ten Jahrhunderts , beeinflusst einige , die zu Tod von Menschen. Dies war zum Beispiel im Los Alamos National Laboratory am 21. August 1945 der Fall während eines Fehlers bei der Handhabung von Wolframcarbid- Steinen, die als Neutronenreflektoren um eine militärische Plutoniumkugel herum verwendet wurden, was 25 Tage später den Tod von Harry Daghlian Jr. verursachte . , dann ein Forscher des Manhattan-Projekts , als Folge eines akuten Strahlensyndroms nach der Dosis, die er erhielt, die auf 5,1 Sv geschätzt wurde . Neun Monate später starb auch Louis Slotin in Los Alamos an einem ähnlichen Unfall, als er Beryllium- Reflektoren um dieselbe Plutoniumkugel herum manipulierte , die als Dämonenkern bezeichnet wird . Auch in Los Alamos ereignete sich ein anderer Unfall inDezember 1958, das einem Labortechniker namens Cecil Kelley während einer Plutonium-Reinigung das Leben kostete , da sich in einem Mischbehälter eine kritische Masse bildete. Andere Unfälle dieser Art haben sich auf der ganzen Welt ereignet, sei es in den Vereinigten Staaten , der Sowjetunion , Japan oder anderen Ländern.
Plutonium, ein synthetisches Element, das speziell für seine Radioaktivität hergestellt wird , ist vor allem für seine Radiotoxizität bekannt . Dies resultiert aus drei Arten ionisierender Strahlung : α-Strahlen ( α-Teilchen ), β-Strahlen ( Elektronen ) und γ-Strahlen ( energetische Photonen ). Akute oder längere Exposition gegenüber dieser Strahlung birgt Gesundheitsrisiken, die sich wahrscheinlich im Zusammenhang mit einem akuten Strahlensyndrom mit genetischen Mutationen und Krebs manifestieren können . Die Risiken steigen mit der Energiedosis , gemessen in Gray (Gy), genauer gesagt in Abhängigkeit von der Äquivalentdosis , gemessen in Sievert (Sv), die die physiologische Wirkung der verschiedenen empfangenen Strahlenarten nach ihrer Fähigkeit zur bestrahltes Gewebe schädigen . Diese Gewichtung wird durch den Dosisfaktor eingeführt, der typischerweise in Mikrosievert pro Becquerel (µSv / Bq) gemessen wird:
Isotop | Plutonium 238 | Plutonium 239 | Plutonium 240 | Plutonium 241 | Plutonium 242 |
---|---|---|---|---|---|
Massenaktivität | ~ 630 GBq · g -1 | ~ 2,3 GBq · g -1 | ~ 8,5 GBq · g -1 | ~ 3700 GBq · g -1 | ~ 0,15 GBq · g -1 |
Dosisfaktor | 0,23 Sv · Bq -1 | 0,25 Sv · Bq -1 | 0,25 Sv · Bq -1 | 0,0048 Sv · Bq -1 | 0,24 Sv · Bq -1 |
So durchdringen -Strahlen alle Gewebe und wirken auf den gesamten Organismus, während β-Strahlen weniger durchdringend sind und α-Strahlen die Epidermis nicht durchqueren, sondern viel energiereicher sind (einige Megaelektronenvolt gegenüber einigen Kiloelektronenvolt für β- und γ-Strahlen). . Somit sind α-Partikel gefährlich, wenn sie durch das absorbierte Plutonium sogar innerhalb des Gewebes emittiert werden. Hauptrisiko ist das Einatmen von plutoniumhaltigen Partikeln, insbesondere in Form von Plutoniumdioxid PuO 2, das sich bei Kontakt mit Luft schnell bildet und bei Feuchtigkeit zu Feinstaub zerfällt. So wurde bei Beschäftigten im Nuklearbereich eine erhöhte Inzidenz von Lungenkrebs nachgewiesen . Das Lungenkrebsrisiko steigt, wenn die äquivalente Dosis von inhaliertem Plutonium 400 mSv erreicht . Andererseits absorbiert die Einnahme nur 0,04 % von PuO 2eingenommen. Die Risiken betreffen auch die Knochen, in denen sich Plutonium ansammelt, sowie die Leber, wo es konzentriert ist.
Nicht alle Plutoniumisotope weisen die gleiche Radiotoxizität auf. Plutonium von militärischer Qualität, das zu mehr als 92% aus Plutonium 239 besteht, weist daher eine eher moderate Radiotoxizität auf, da seine Massenaktivität geringer ist als die von Plutonium 240 und insbesondere von Plutonium 238 . Das Plutonium-241 hat eine tausendmal höhere Aktivität und emittiert β-Strahlen , die durchdringender sind als die α-Strahlung , obwohl es tausendmal weniger Energie hat.
Isotop | Plutonium 238 | Plutonium 239 | Plutonium 240 | Plutonium 241 | Plutonium 242 |
---|---|---|---|---|---|
Α Strahlung | 5,5 MeV | 5,1 MeV | 5,2 MeV | < 1 keV | 4,9 MeV |
Β Strahlung | 11 keV | 6,7 keV | 11 keV | 5,2 keV | 8,7 keV |
Γ Strahlung | 1,8 keV | < 1 keV | 1,7 keV | < 1 keV | 1,4 keV |
Das Plutonium-238 hat die höchste Radiotoxizität, während Plutonium-241 , deren Konzentration in Plutonium mit der Zeit zunimmt, schnell Produkt aus Americium-241 , die aussendet γ-Strahlenenergie signifikant die Umwelt gegenüber Strahlung belichten kann.
Die in In-vivo- Experimenten beobachtete tödliche Dosis durch das akute Bestrahlungssyndrom liegt in der Größenordnung von 400 bis 4000 µg kg –1 in einer Einzeldosis, wobei chronische Kontamination diffusere Wirkungen hat. Es wird daher geschätzt, dass eine Menge in der Größenordnung von zehn Milligramm den Tod einer Person verursacht, die gleichzeitig Plutoniumoxide eingeatmet hat. Tatsächlich führen die an Pavianen und Hunden durchgeführten Tests zu einer Schätzung für den Menschen von einer Sterblichkeit von 50 % nach 30 Tagen mit 9 mg , nach einem Jahr mit 0,9 mg und 1000 Tagen mit 0,4 mg .
Das Auftreten von Lungentumoren wurde bei Hunden und Ratten nach Inhalation von schwerlöslichen Verbindungen wie Plutoniumoxiden nachgewiesen: Die gezeigte Dosis-Wirkungs-Beziehung umfasst einen Schwellenwert für das Auftreten von Tumoren bei einer Lungendosis von etwa 1 Gy . Diese Schwelle für das Auftreten von Tumoren entspräche beim Menschen einer pulmonalen Ablagerung von ca. 200 kBq bzw. 87 µg ) von 239 PuO 2.
Plutonium stellt eine Brandgefahr dar, insbesondere wenn es in fein verteilter Pulverform vorliegt. In Gegenwart von Feuchtigkeit bildet es auf seiner Oberfläche Hydride, die pyrophor sind und bei Raumtemperatur leicht Feuer fangen können. Das Risiko ist real und materialisierte sich 1969 durch einen großen Plutoniumbrand im Rocky Flats National Laboratory . Die Volumenzunahme durch die Oxidation von Plutonium kann 70 % erreichen und die Sicherheitsbehälter zerbrechen. Die Radioaktivität dieses brennbaren Metalls stellt ein zusätzliches Risiko dar.
Das Magnesiumoxid MgO ist wahrscheinlich die wirksamste Substanz zum Löschen eines Plutoniumbrandes: Es kühlt das als Wärmesenke dienende Metall und unterbricht gleichzeitig die Sauerstoffzufuhr bei der Verbrennung . Um Brandgefahr zu vermeiden, wird empfohlen, Plutonium in einer inerten trockenen Atmosphäre zu handhaben.
Plutonium weist die Toxizität eines Schwermetalls auf die gleiche Weise wie beispielsweise Uran auf , ist jedoch weniger dokumentiert als die des letzteren, und Studien sehen die chemische Toxizität im Zusammenhang mit Plutonium nicht als Hauptrisiko. Mehrere Bevölkerungsgruppen, die Plutoniumstaub ausgesetzt waren, wurden engmaschig überwacht, um die Auswirkungen ihrer Plutoniumkontamination auf ihre Gesundheit abzuschätzen, wie zum Beispiel Menschen, die zum Zeitpunkt ihrer Genehmigung in der Nähe von atmosphärischen Atomexperimenten lebten, Menschen, die in nuklearen Anlagen arbeiten, Überlebende des Atombombardements von Nagasaki , auch Patienten "in der Endphase" tödlicher Krankheiten, denen in den Jahren 1945-1946 Plutonium injiziert wurde, um seinen Stoffwechsel im menschlichen Körper zu beobachten . Diese Studien zeigen keine besonders hohe Toxizität für Plutonium, mit berühmten Beispielen von Fällen wie dem von Albert Stevens , zitiert von Bernard Cohen (in) , der nach Plutonium-Injektionen ein hohes Alter erreichte. Mehrere Dutzend Forscher des Los Alamos National Laboratory inhalierten in den 1940er Jahren auch erhebliche Mengen an Plutoniumstaub, ohne an Lungenkrebs zu erkranken.
Einige Anti-Atom-Rhetorik behauptet, dass "auch die Einnahme von einem Millionstel Gramm tödlich ist", was von der vorhandenen Literatur nicht unterstützt wird. Die epidemiologischen Daten der Mitglieder des " UPPU- Clubs ", also der 26 Personen, die im Nationallabor von Los Alamos an Plutonium gearbeitet und es so weit aufgenommen haben, dass es im Urin verfolgt wurde, zeigen ein Beispiel by eine unter dem Durchschnitt liegende Sterblichkeits- und Krebsrate.
Auch die Behauptung, dass „nur wenige hundert Gramm Plutonium gleichmäßig über die Erde verteilt sein müssten, um alles menschliche Leben auszulöschen“ stimmt nicht mit den verfügbaren Daten überein. Es wird geschätzt, dass die Streuung einer Masse in der Größenordnung von einem Kilogramm über eine Fläche von einigen hundert Quadratkilometern (d. h. in einem Umkreis von etwa 10 km ) zu einer Kontamination von weniger als einem Hundertstel Mikrogramm pro Quadratmeter führt , so dass einige hundert Gramm, die gleichmäßig über die Erdoberfläche verteilt sind, weit unter jeder nachweisbaren Menge liegen würden.
Zu unterscheiden ist auch die besonders hohe Radiotoxizität von Plutonium 238 von der von Armee und Nuklearindustrie verwendeten Plutonium 239 , dessen spontane Radioaktivität deutlich geringer ist. Diese beiden Isotope werden in sehr unterschiedlichen Mengen, durch getrennte Kreisläufe und für unabhängige Zwecke produziert: Plutonium 238 wird mit einer Rate von wenigen Kilogramm hauptsächlich als Bordenergiequelle für einen thermoelektrischen Radioisotop-Generator produziert , während Plutonium-239 produziert wird in einer Menge von mehreren Tonnen, um seine Eigenschaft als spaltbares Isotop in Kernreaktoren oder Kernwaffen auszunutzen .
Beim Menschen wird das aufgenommene Plutonium durch Transferrine transportiert und durch Ferritin im Blut gespeichert , um sich schließlich hauptsächlich in den Knochen , auch in der Leber und in geringerem Maße in der Lunge anzureichern . Es verbleibt im menschlichen Körper mit einer biologischen Halbwertszeit von etwa 50 Jahren. Eine übliche Methode, die Auswirkungen zu begrenzen, besteht darin, innerhalb von 24 Stunden nach der Kontamination einen Komplex aus Diethylentriaminpentaessigsäure ( DTPA , manchmal auch "Pentetsäure" genannt) mit Calcium oder Zink zu injizieren , wodurch die Bindung von Plutonium und Americium eingeschränkt wird und Kurie . Andere Chelatoren können ebenfalls verwendet werden, wie Enterobactin und Deferoxamin , einige mit einer besseren Wirksamkeit als DTPA, wie 3,4,3-LIHOPO oder DFO-HOPO (Deferoxamin-Hydroxypyridinon).
Es wird geschätzt, dass beim Menschen 10 % des Plutoniums, das die Darm- oder Lungenbarriere passiert hat, den Körper verlässt (über Urin und Kot). Der Rest nach der Blutpassage wird zur Hälfte in der Leber und zur anderen Hälfte im Skelett fixiert , wo er sehr lange und teilweise lebenslang verbleibt (Das amerikanische DOE schätzt die Halbwertszeit im Organ auf 20 bzw. 50 Jahre für die Leber und Knochen nach vereinfachten Modellen , die in Betracht Zwischen Umverteilungen nehmen nicht (im Fall einer Fraktur und / oder die Menopause (vgl de- Verkalkung ) und während der normalen Knochen Recycling usw.). das DOE angegeben , dass die Der in der Leber und im Skelett angesammelte Spiegel hängt auch vom Alter des Individuums ab (die Absorption in der Leber nimmt mit dem Alter zu) und dass das Plutonium tatsächlich zuerst auf der kortikalen und trabekulären Oberfläche der Knochen fixiert wird, bevor es langsam überall umverteilt wird das Knochenmineralvolumen.
Das Plutonium-239 ist aufgrund seiner relativ einfachen Implementierung und seiner relativ hohen Verfügbarkeit ein spaltbarer Isotopenschlüssel für die Realisierung von Atomwaffen . Es ist möglich, die für die Explosion erforderliche kritische Masse zu reduzieren, indem der Plutoniumkern mit Neutronenreflektoren umgeben wird , die die doppelte Rolle haben, den Fluss der thermischen Neutronen im Kern zu erhöhen und dessen thermische Ausdehnung zu verzögern, um die Kette zu verlängern Reaktion und erhöhen die Kraft der nuklearen Explosion .
Eine Masse von 10 kg von Plutonium 239 ohne Reflektor zu erreichen ist Kritikalität im allgemeinen ausreichend; diese Masse kann durch eine optimierte Konstruktion halbiert werden. Dies ist etwa ein Drittel der kritischen Masse von Uran 235 .
Die Bombe Fat Man fiel auf Nagasaki durch die Vereinigten Staaten die 9. August 1945 eine Ladung mit 6,4 kg der Legierung Plutonium-Gallium 239 Pu - 240 Pu - Ga 96: 1: 3 um eine Neutronenquelle der er Initiation Be - 210 Po alle durch umgeben explosive Linsen das Plutonium Komprimieren signifikant seine Dichte zu erhöhen und damit die Kraft der Explosion, die das Äquivalent erreicht 20.000 t von TNT . Theoretisch ist es möglich, die Masse an Plutonium, die in einer Kernwaffe benötigt wird, um die Kritikalität zu erreichen, bei einer ausreichend durchdachten Konstruktion auf weniger als 4 kg zu reduzieren .
Der abgebrannte Kernbrennstoff aus herkömmlichen Leichtwasserreaktoren enthält eine Mischung der Isotope 238 Pu , 239 Pu , 240 Pu und 242 Pu . Dieses Gemisch ist nicht ausreichend mit Plutonium 239 angereichert , um die Herstellung von Atomwaffen zu ermöglichen , kann aber zu MOX-Brennstoff recycelt werden . Der während der Kernreaktion zufällige Neutroneneinfang erhöht die Menge an Plutonium 240 und Plutonium 242, wenn Plutonium in einem Reaktor mit thermischen Neutronen bestrahlt wird, so dass nach einem ersten Zyklus das Plutonium mehr genutzt werden kann als in schnellen Neutronenreaktoren . Stehen solche Reaktoren nicht zur Verfügung, was in der Regel der Fall ist, wird überschüssiges Plutonium in der Regel als langlebiger radioaktiver Abfall entfernt . Der Wunsch, die Menge dieses Abfalls zu reduzieren und ihn wiederzugewinnen, hat den Bau schnellerer Neutronenreaktoren veranlasst.
Das gebräuchlichste chemische Verfahren, bekannt als PUREX , ermöglicht die Wiederaufarbeitung von abgebranntem Kernbrennstoff durch Extraktion des enthaltenen Plutoniums und Urans, um ein Oxidgemisch namens MOX zu bilden , im Wesentlichen Urandioxid UO 2und Plutoniumdioxid PuO 2, das in Kernreaktoren wieder verwendet werden kann. Plutonium in Militärqualität kann dieser Mischung hinzugefügt werden, um ihre Energieeffizienz zu erhöhen. MOX kann in Leichtwasserreaktoren eingesetzt werden und enthält etwa 60 kg pro Tonne Brennstoff; Nach vier Jahren Nutzung sind drei Viertel des Plutoniums verbraucht. Die Brutreaktoren sind so konzipiert, dass sie die Nutzung der während der Kernreaktion erzeugten Neutronen optimieren, indem sie aus fruchtbaren Atomen mehr spaltbares Material erzeugen, das sie verbrauchen.
MOX wird seit den 1980er Jahren vor allem in Europa eingesetzt . Die Vereinigten Staaten und Russland unterzeichneten inSeptember 2000, das Plutonium Management and Processing Agreement ( PMDA ), mit dem sie beabsichtigen, 34 Tonnen militärisches Plutonium auslaufen zu lassen; das amerikanische DOE plant, diese Plutoniummasse noch vor Ende 2019 zu MOX zu recyceln.
MOX erhöht die Gesamtenergieeffizienz. Ein Kernbrennstab wird nach dreijähriger Nutzung wiederaufbereitet, um den Abfall zu extrahieren, der dann etwa 3% der Gesamtmasse dieser Stäbe ausmacht. Die während dieser drei Betriebsjahre produzierten Uran- und Plutoniumisotope verbleiben im Brennstab, der zur Verwendung in einen Reaktor zurückgeführt wird. Die Anwesenheit von Gallium bis zu 1 Gew.-% in Plutonium von Militärqualität kann die langfristige Verwendung dieses Materials in einem Leichtwasserreaktor beeinträchtigen.
Die größten deklarierten Plutonium-Recyclinganlagen sind die Anlagen B205 (en) und THORP (en) in Sellafield , Großbritannien ; die Wiederaufarbeitungsanlage in La Hague in Frankreich ; das Kernkraftwerk Rokkasho in Japan ; und der Nuklearkomplex Mayak in Russland ; es gibt andere als kleiner deklarierte Standorte, zum Beispiel in Indien und Pakistan .
Das Plutonium-238 hat eine Halbwertszeit von 87,74 Jahren. Es emittiert eine große Menge thermischer Energie, begleitet von schwachen Flüssen von Neutronen und Photonen der Gammaenergie . Ein Kilogramm dieses Isotops kann eine thermische Leistung von ungefähr 570 W erzeugen . Es emittiert hauptsächlich α-Teilchen hoher Energie, die aber schwach durchdringend sind, so dass es nur einer Lichtabschirmung bedarf. Ein Blatt Papier reicht aus, um α-Strahlen zu stoppen.
Diese Eigenschaften machen dieses Isotop des Plutoniums zu einer besonders interessanten Wärmequelle für Bordanwendungen, die ein Leben lang ohne direkte Wartungsmöglichkeit auskommen müssen. Es wurde daher als Wärmequelle in thermischen Generatoren Radioisotop ( RTG ) und Heizungen Radioisotop ( RHU ) wie den Sonden Cassini , Voyager , Galileo und New Horizons und dem Rover Curiosity on Mars Science Laboratory verwendet .
Die Voyager-Doppelsonden wurden 1977 mit jeweils einer Plutoniumquelle mit einer Leistung von 500 W auf den Markt gebracht . Mehr als 30 Jahre später gaben diese Energiequellen immer noch eine Leistung von 300 W ab, die einen eingeschränkten Betrieb der Sonden ermöglichte. Eine ältere Version dieser Technologie trieb die fünf Apollo Lunar Surface Experiments Packages an, beginnend mit Apollo 12 im Jahr 1969.
Plutonium 238 wurde auch erfolgreich zur Stromversorgung von Herzschrittmachern verwendet , um wiederholte Operationen zum Ersetzen der Stromquelle zu vermeiden. Das Plutonium-238 wurde bei dieser Anwendung inzwischen weitgehend durch Lithiumbatterien ersetzt , doch blieben 2003 noch zwischen 50 und 100 Patienten in den USA mit Plutonium-238 ausgestattet, die mit Herzschrittmachern betrieben wurden .
Da Plutonium für militärische oder terroristische Zwecke verwendet werden kann, ist es Gegenstand zahlreicher internationaler Texte und Konventionen zur Verhinderung seiner Verbreitung . Plutonium, das aus abgebranntem Kernbrennstoff recycelt wird, stellt aufgrund seiner hohen Kontamination mit nicht spaltbaren Isotopen wie Plutonium 240 und Plutonium 242 , deren Entsorgung nicht möglich ist, ein begrenztes Verbreitungsrisiko dar .
Ein Reaktor, der mit einem sehr geringen Abbrand arbeitet, produziert wenige dieser unerwünschten Isotope und lässt daher nukleares Material potentiell für militärische Zwecke nutzbar. Es wird angenommen, dass Plutonium in Militärqualität zu mindestens 92 % aus Plutonium besteht 239 , aber es ist technisch möglich, eine Atombombe mit geringer Leistung aus Plutonium zu zünden, das nur 85 % Plutonium enthält 239 . Das von einem Leichtwasserreaktor mit normaler Brenngeschwindigkeit erzeugte Plutonium enthält typischerweise weniger als 60 % Plutonium 239 , 10 % spaltbares Plutonium 241 und bis zu 30 % unerwünschte Isotope Plutonium 240 und 242 . Es ist nicht bekannt, ob es möglich ist, eine Nuklearvorrichtung aus solchem Material zur Detonation zu bringen, aber eine solche Vorrichtung könnte wahrscheinlich radioaktives Material über eine große Fläche verteilen.
Die Internationale Atomenergiebehörde stuft daher alle Isotope des Plutoniums, ob spaltbar oder nicht, als unmittelbar nuklear verwendbares Material ein, d. h. als Kernmaterial, das ohne Transmutation oder zusätzliche Anreicherung zur Herstellung von Kernsprengstoffen verwendet werden kann . In Frankreich ist Plutonium ein Kernmaterial , deren Haft von Kapitel geregelt III der Code of Defense .
Plutonium ist ein chemisches Element , das in der Natur sehr selten vorkommt und von 1940 bis heute fast ausschließlich vom Menschen produziert wird . Doch von 4 zu 30 kg von Plutonium 239 würden jedes Jahr am hergestellt werden Erde durch α Radioaktivität von Uran auf leichtere Elementen sowie unter der Einwirkung der kosmischen Strahlung . Es ist das zweite der Transurane , das entdeckt wurde.
Das Isotop 238 Pu wurde 1940 durch Beschuss eines Uran- Targets durch das Deuterium im Zyklotron von Berkeley hergestellt . Während des Manhattan-Projekts hatte Plutonium 239 den Codenamen 49 , wobei die '4' die letzte Ziffer von 94 (der Ordnungszahl) und die '9' die letzte Ziffer von 239 war, der Atommasse des verwendeten Isotops , die 239 Pu .
Es gibt kein Plutonium mehr in nachweisbaren Mengen, das auf die primordiale Nukleosynthese zurückgeht . Allerdings berichten ältere Veröffentlichungen von Beobachtungen von natürlichem Plutonium 244 . Wir finden auch Spuren von Plutonium-239 in natürlichen Uranerzen (sowie Neptunium ), wo es aus der Bestrahlung von Uran durch die sehr geringe Neutronenrate entsteht, die durch den spontanen Zerfall des Urans entsteht.
Es wurde massiver produziert (und existiert immer noch in Spuren) als 239 Pu in bestimmten geologischen Strukturen , wo Uran vor etwa 2 Milliarden Jahren durch geologische Prozesse auf natürliche Weise konzentriert wurde und eine Kritikalität erreichte, die ausreicht, um eine natürliche Kernreaktion zu erzeugen . Seine Bildungsrate in Uranerz wurde daher durch Kernreaktionen beschleunigt, die durch einen natürlichen Kritikalitätsstörfall ermöglicht wurden . Dies ist am Standort des natürlichen Kernreaktors in Oklo der Fall .
In Kernkraftwerken wird Plutonium 238 neben Plutonium 239 durch die Umwandlungskette ausgehend vom spaltbaren Uran 235 gebildet .
Plutonium 238 ist mit einer Halbwertszeit von 86,41 Jahren ein sehr starker Emitter von α-Strahlung . Aufgrund seiner hohen Alpha- und Gamma-Aktivität wird es als Neutronenquelle (durch "Alpha-Reaktion" mit leichten Elementen), als Wärmequelle und als Quelle elektrischer Energie ( durch Umwandlung von Wärme in Strom) verwendet . ). Die Verwendung von 238 Pu zur Stromerzeugung beschränkte sich auf den Weltraum und in der Vergangenheit auf bestimmte Herzschrittmacher.
Plutonium 238 wird aus der Neutronenbestrahlung von Neptunium 237, einem geringen Aktinid, das während der Wiederaufbereitung gewonnen wird, oder aus der Bestrahlung von Americium in einem Reaktor hergestellt. In beiden Fällen werden sie, um das Plutonium 238 aus den Targets zu extrahieren, einer chemischen Behandlung unterzogen, die eine Salpeterauflösung umfasst.
Es gibt nur etwa 700 g / t von Neptunium 237 in Leichtwasserreaktor Kraftstoff 3 Jahre lang, und es muss selektiv extrahiert werden.
Die Bestrahlung von Uran 238 in Kernreaktoren erzeugt Plutonium 239 durch Neutroneneinfang . Zuerst fängt ein Uran-238- Atom ein Neutron ein und wandelt sich vorübergehend in Uran 239 um . Diese Einfangreaktion ist bei schnellen Neutronen einfacher als bei thermischen Neutronen, ist aber in beiden Fällen vorhanden.
Das gebildete Uran 239 ist sehr instabil. Es wandelt sich durch β-Radioaktivität schnell (mit einer Halbwertszeit von 23,5 Minuten) in Neptunium um:
Das Neptunium 239 ist ebenfalls instabil und durchläuft seinerseits einen β-Zerfall (mit einer Halbwertszeit von 2,36 Tagen), das in Plutonium-239 relativ stabil (Halbwertszeit von 24.000 Jahren) übergeht.
Das Plutonium-239 ist spaltbar und kann daher zur Kettenreaktion im Reaktor beitragen . Daher umfasst für die Energiebilanz eines Kernreaktors das Energiepotential des im Reaktor vorhandenen Urans nicht nur das des ursprünglich vorhandenen Urans 235, sondern auch das des fruchtbaren Urans 238, das in Plutonium umgewandelt wird.
In einem Reaktor einem Neutronenfluss ausgesetzt , kann Plutonium 239 auch ein Neutron einfangen, ohne dass es einer Spaltung unterliegt. Bei immer längeren Bestrahlungszeiten des Brennstoffs reichern sich auf diese Weise die höheren Isotope aufgrund der Neutronenabsorption durch Plutonium 239 und seine Produkte an. 240 Pu, 241 Pu, 242 Pu Isotope werden so gebildet , bis hin zu instabilem 243 Pu, das in Americium 243 zerfällt .
Das Isotop, das aufgrund seiner spaltbaren Natur von Interesse ist, ist 239 Pu , relativ stabil im menschlichen Maßstab (24.000 Jahre).
Die Produktionsrate eines Isotops hängt von der Verfügbarkeit seines Vorläufers ab, der Zeit gehabt haben muss, sich anzusammeln.
In einem neuen Brennstoff bildet sich also 239 Pu linear über die Zeit, der Anteil von 240 Pu steigt nach einem quadratischen Zeitgesetz (in t 2 ), der von 241 Pu nach einem kubischen Zeitgesetz (in t 3 )) und so weiter.
So werden beim Einsatz eines bestimmten Reaktors zur Herstellung von "militärischem Plutonium" der zur Herstellung des Plutoniums verwendete Brennstoff sowie die Targets und ggf. die Decke nach einem kurzen Aufenthalt (wenige Wochen) entnommen den Reaktor, um sicherzustellen, dass das Plutonium 239 so rein wie möglich ist.
Andererseits entzieht eine kurze Bestrahlung für zivile Zwecke nicht die gesamte Energie, die der Kraftstoff produzieren kann. Der Brennstoff wird daher erst nach einem viel längeren Aufenthalt (3 oder 4 Jahre) aus den Erzeugungsreaktoren entnommen.
Als eine erste Annäherung, in der Regel ein Reaktor 0,8 Atom erzeugt 239 Pu für jede Spaltung von 235 U oder ein Gramm Plutonium pro Tag und pro M W Wärmeleistung (Leichtwasserreaktoren produzieren weniger als Graphit-Gas). In Frankreich beispielsweise produzieren Kernreaktoren jedes Jahr rund 11 Tonnen Plutonium.
Der 240 Pu ist einfach fruchtbar und hat eine "nur" viermal höhere Radioaktivität als der 239 Pu (mit einer Halbwertszeit von 6500 Jahren).
Das 241 Pu ist spaltbar, aber hochradioaktiv (Halbwertszeit 14,29 Jahre).
Darüber hinaus zerfällt es zu neutrophagem Americium-241 , das durch seine mögliche Akkumulation die Wirksamkeit militärischer oder ziviler Nukleargeräte verringert.
Der 242 Pu hat eine viel längere Lebensdauer als der vorherige (373.000 Jahre). Es ist in thermischen Neutronen nicht spaltbar. Sein Querschnitt ist viel kleiner als der anderer Isotope; das sukzessive Recycling des Plutoniums im Reaktor neigt daher dazu, das Plutonium in dieser sehr unfruchtbaren Form anzureichern.
Das 243 Pu ist instabil (Halbwertszeit von weniger als 5 Stunden) und zerfällt zu Americium 243 .
Das Plutonium-244 , das stabilste Isotop mit einer Halbwertszeit von 80 Millionen Jahren, wird in Kernreaktoren nicht gebildet. Tatsächlich führen die aufeinanderfolgenden Neutroneneinfänge ausgehend von Uran 239 zu 243 Pu mit einer sehr geringen Halbwertszeit (in der Größenordnung von fünf Stunden). Selbst in "High-Flux" -Reaktoren ändert sich 243 Pu schnell auf 243 Am, ohne Zeit zu haben, ein zusätzliches Neutron einzufangen, um 244 Pu zu bilden .
Andererseits erlauben größere Neutronenflüsse diese Bildung. Es wird während nuklearer Explosionen oder durch stellare Nukleosynthese während der Explosion einer Supernova synthetisiert . So produzierte 1952 die Explosion der ersten amerikanischen thermonuklearen Bombe ( Ivy-Mike- Test ) zwei damals noch unbekannte Radioelemente : Plutonium 244 ( 244 Pu) und Plutonium 246 ( 246 Pu). Die Spuren von 244 Pu in der Umwelt werden im Allgemeinen atmosphärischen Nukleartests sowie Reste von 244 essentiellem Pu zugeschrieben.
Nach fast 70 Jahren ständig steigender Weltproduktion erreichten die deklarierten Plutoniumvorräte Ende 2013 insgesamt 500 Tonnen, davon 52 % zivilen und 48 % militärischen Ursprungs. Die deklarierten Bestände verteilen sich hauptsächlich auf 5 Länder:
" Während Plutoniumdioxid normalerweise olivgrün ist, können Proben verschiedene Farben haben. Es wird allgemein angenommen, dass die Farbe eine Funktion der chemischen Reinheit, der Stöchiometrie, der Teilchengröße und des Herstellungsverfahrens ist, obwohl die aus einem gegebenen Herstellungsverfahren resultierende Farbe nicht immer reproduzierbar ist. "
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3 | N / A | Mg | Al | Ja | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||
4 | K | Es | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Oder | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |||||||||||||||
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