Plutonium

Plutonium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Pu und der Ordnungszahl 94, der höchsten Ordnungszahl aller natürlich vorkommenden Elemente. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block) und zählt zu den Transuranen. Benannt wurde es nach dem Zwergplaneten Pluto.

Als eines der wenigen spaltbaren Elemente spielt es eine entscheidende Rolle als Kernbrennstoff für Kernreaktoren oder als Spaltstoff für Kernwaffen. Es war das Spaltmaterial der Atombombe „Fat Man“, die am 9. August 1945 auf Nagasaki abgeworfen wurde. Beim Betrieb von Kernreaktoren entsteht Plutonium aus dem Uranisotop U-238 und trägt teilweise zur Wärmeenergieerzeugung in Kernreaktoren bei.

Plutonium wird in kleinsten Spuren in Gesteinen gefunden, welche so gering sind (wenige ppt), dass die Erschließung nicht möglich ist. Größere, wägbare Mengen des Elements wurden nur künstlich zunächst mittels Teilchenbeschleunigern (Zyklotrons) und nach 1942 (Chicago Pile) mittels Kernreaktoren erzeugt.

Es ist ein radioaktives und in seiner Handhabung gefährliches (radiotoxisches) Element, das insbesondere bei Inkorporation gefährlich ist. Es ist ein starker Alphastrahler von rund fünf Millionen Elektronenvolt und besitzt sehr hohe spezifische Aktivität von rund 2,3 GBq/g. Die Arbeit mit Plutonium unterliegt daher strengen Sicherheitsvorgaben.

Plutonium wurde zu Beginn des Zweiten Weltkriegs von Glenn T. Seaborg und Mitarbeitern entdeckt. Die Forschung dazu wurde zunächst geheim gehalten. Erst nach dem Kriegsende wurde es durch den Smyth-Report als Teil des Manhattan-Projekts der Weltöffentlichkeit bekannt, ab den 1950er-Jahren wurden viele seiner Eigenschaften öffentlich. Das Element läutete die Erforschung weiterer Actinoide ein und zählt zu den am umfangreichsten erforschten Elementen des Periodensystems.

Entdeckung von Plutonium Der Entdeckung von Plutonium (Element 94) und den damit verbundenen radiochemisch-analytischen Experimenten gingen zunächst Studien zum Element 93 voraus, das Ida Noddack im Jahr 1934 postulierte. Zu dieser Zeit experimentierten Enrico Fermi und seine Mitarbeiter in Rom mit der Möglichkeit der Transmutation von Elementen durch Neutronenbeschuss.

Mit der Entdeckung der Kernspaltung Ende 1938 wurde die Kernforschung bzw. Kerntechnik zu einer der Schlüsseltechnologien des 20. Jahrhunderts. Radiochemiker und Kernphysiker auf der ganzen Welt erforschten die nuklearen Details der Materie, speziell die 1932 entdeckten Neutronen.

In Deutschland hatte bereits vor der Entdeckung des Plutoniums Carl Friedrich von Weizsäcker 1940 darauf hingewiesen, dass in Kernreaktoren ein neues spaltbares Element 239Eka Re (Eka-Rhenium) entstehen müsse. Auch Friedrich Georg Houtermans sagte 1942 die Existenz von Transuranen in einem Geheimbericht theoretisch voraus. Im Rahmen des deutschen Uranprojekts wurden jedoch bis Kriegsende keine signifikanten Mengen an Plutonium hergestellt.

Viele grundlegende chemisch-physikalischen Eigenschaften des Elements Plutonium wurden im Zeitraum zwischen 1941 und 1945 erforscht. Die Ergebnisse unterlagen aber strengster Geheimhaltung, einige Erkenntnisse wurden zunächst durch das Physical Review zurückgehalten und erst nach dem Zweiten Weltkrieg veröffentlicht.

Entdeckung des Isotop 238 Am 23. Februar 1941 gelang im Raum 307, einem radiochemischen Labor im Gebäude Gilman Hall in Berkeley, Glenn T. Seaborg und Arthur C. Wahl der Nachweis von Mikromengen (sogenannte Tracer) des später Plutonium genannten Elements. Es handelte sich um das Isotop 238Pu, welches durch den Beschuss eines Urandioxid-Target U mit Deuteronen D, die durch ein Zyklotron beschleunigt wurden, gebildet wurde:

Dabei wurden zwei Neutronen n freigesetzt, das Zwischenprodukt Neptunium-238 wandelte sich durch Betazerfall in Plutonium um:

Zunächst wurde bemerkt, dass dem Np-238 ein α-Strahler „nachwuchs“. Um das Element 94 nachzuweisen, wurde ausgenutzt, dass sich die Elemente 93 und 94 hinsichtlich ihrer Oxidation unterscheiden. Verwendet wurden Kaliumthiosulfat und Silberionen als Reduktionsagenten. Plutonium zeigte sich dabei als schwieriger zu oxidieren als Neptunium.

Zu den beteiligten Wissenschaftlern gehörten anfänglich auch Edwin M. McMillan, sowie Joseph W. Kennedy u. a., welche ebenfalls im Frühjahr 1941, zusammen mit Emilio Segrè, das Plutoniumisotop Pu-239 entdeckten.

Spaltbarkeit des Isotops 239 Am 28. März 1941 wurde die Spaltbarkeit des Isotops 239 durch thermische Neutronen nachgewiesen, sie war etwa 1,7-fach so groß wie bei Uran-235. Im Mai 1941 konnte der Wirkungsquerschnitt für diese Kernreaktion angegeben werden. Das Isotop emittiert bei Spaltung statistisch mehr als zwei Neutronen, was eine nukleare Kettenreaktion ermöglicht, da hier mindestens ein zu einer Spaltung führendes Neutron zur Kettenreaktion benötigt wird. Es wurde auf seine spontane Spaltung untersucht und eine lange Halbwertszeit ( 24.100 Jahre) festgestellt, wodurch das Material als Kernbrennstoff eingestuft wurde. mini|Zigarrenkiste von Gilbert N. Lewis, von Glenn T. Seaborg zur Aufbewahrung von Gegenständen ausgeliehen. Etwa 0,5 ug ( 31 nCi) Pu-239 wurde im Frühjahr 1941 von Wahl & Kollegen auf einer Platinscheibe zur Messung der Spaltbarkeit aufgebracht. Diese B-Probe tauchte 1966 wieder auf und wurde der Smithsonian Institution übergeben. Die Originalprobe dieser Messungen wurde im Jahr 1966 der Smithsonian Institution übergeben.

Spurenprobe von 1941 Für die Analyse des neuen Elements 94 wurden mikroskopische Mengen auf Platinscheiben aufgebracht. In dem nebenstehenden Foto sind auf einer nachträglichen Notiz vom 13. Juli 1941 Daten von einer Alphastrahlungsmessung zu lesen („α's counted in a magnet field (MF) chamber with a dist. of 2.5 cm. B = 0.025 uCi ...“). Die Werte geben die zurückgelegte Strecke der Heliumkerne in Luft an. Nach einer approximativen Formel von Geiger (vgl. auch die Bethe-Formel) gilt in Luft näherungsweise ein einfacher Zusammenhang zwischen der Energie der Alphateilchen und ihrer Reichweite: , d. h. für 3,6 cm ergeben sich MeV. Plutonium ist ein starker α-Strahler.

Erste Isolation Zwischen dem 18. und 20. August 1942 gelang es Burris B. Cunningham und Louis B. Werner eine erste prinzipiell sichtbare (unter dem Mikroskop) Menge des neuen Elements 94 durch Fällung darzustellen. An den Arbeiten war auch der Mikrochemiker Michael Cefola beteiligt. Dies geschah im Raum 405 des George Herbert Jones Chemical Laboratory, der University of Chicago. Die Chemiker übernahmen das Gebäude und die Einrichtung des Jones Chemical Laboratory, Teil des Metallurgical Laboratory („Met Lab“) unter der Leitung von Seaborg.

Im September erhielten Cunningham und Werner eine neue bestrahlte Probe aus Berkeley (von 1941 bis 1949 unter Leitung von Wendell M. Latimer als Dekan des College of Chemistry). Dabei wurden mit dem 60-Zoll-Zyklotron des Crocker Laboratoryvgl. auch Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL) die 12 MeV-Deuteronen auf ein Beryllium-Target mittels (d,n)-Reaktion zur Freisetzung von Neutronen verwendet, welche in rund 5 kg Uranylnitrat-Hexahydrat (UNH, UO2(NO3)2·6 H2O) etwa 1 μg Plutonium-239 produzierten. Dabei findet die folgende (n,γ)−Kernreaktion statt:

.

Diese Probe aus Berkeley wurde von Uran, Neptunium und Spaltprodukten gereinigt. Im Raum 405 wurde am 20. August 1942 in mehrfachen analytischen Reinigungs-, Oxidations- und Reduktions-Schritten mittels Mitfällung (genauer mit dem Lanthanfluorid-Trägerverfahren) schlussendlich ein Plutoniumfluorid-Niederschlag (Plutonium in den Hauptvalenzzuständen Pu(III) und Pu(IV)) gewonnen.

Namensgebung 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!“ So wurden die drei schwersten damals bekannten Elemente Uran, Neptunium und Plutonium nach den Planeten Uranus, Neptun und Pluto benannt.Marco Fontani: The Lost Elements. Oxford University Press, 2014, ISBN 978-0-19-938336-8 (). links|mini|Glenn T. Seaborg, Kernchemiker, einer der Entdecker von Plutonium, Leiter des Chicago Metallurgical Laboratory, Nobelpreisgewinner in Chemie und ehemaliger Vorsitzender der Atomic Energy Commission (AEC), ist auf diesem Foto neben einem Periodensystem zu sehen. Das Element 106 (Sg) wurde nach ihm benannt.

Erste Wägung Am 10. September 1942 wurde eine weitere Probe als Plutoniumhydroxid gefällt, es waren 2,77 μg Plutoniumoxid PuO2. Es war das erste gewogene Plutonium in Reinform.

Zu dieser Zeit wurden weitere kleine Mengen analytisch dargestellt. Erst später wurden am Los Alamos Scientific Laboratory (LASL) der University of California erste Grammmengen (>> 10 g) hergestellt. Darüber hinaus wurde in den kanadischen Chalk River Laboratories sehr früh mit der Erforschung von Plutonium und Kernbrennstoffen als Teil der Kerntechnik begonnen. In Frankreich wurde das neue Kernmaterial erstmals in den 1950er Jahren dargestellt.

Metall und weitere Eigenschaften Ende 1943 gelang es anderen Wissenschaftlern des „Met Lab“, etwa 3 μg metallisches Plutonium darzustellen. Dabei reagierten rund 35 μg PuF4 mit metallischem Barium bei 1400 °C. Die Dichte der dabei entstandenen Plutonium-Kügelchen wurde zu ca. 16 g/cm³ bestimmt.

Etwa ab diesem Zeitpunkt wurden Produktionskapazitäten in Hanford errichtet. Später untersuchten Seaborg und seine Mitarbeiter auch das natürliche Vorkommen von Plutonium. Erst ab Mitte der 1950er Jahre wurde der technische PUREX-Prozess aufgebaut. Dieser ist heute der Stand der Technik für den nuklearen Brennstoffkreislauf zur Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen.

Vorkommen Natürliches Vorkommen Plutonium ist das letzte, allerdings extrem seltene, bisher bekannte natürlich vorkommende Element des Periodensystems. Mit einem Gehalt von 2 · 10−19 Gew.-% 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.

Von den Naturreaktoren von Oklo in Gabun sowie von einer benachbarten Uranlagerstätte ist bekannt, dass dort vor etwa 1,5 bis 2 Milliarden Jahren über mehrere Jahrtausende Kernspaltung als Kettenreaktion in natürlichem Umfeld auftrat. Durch die Anlagerung von Spaltungsneutronen an 238U entstanden dort etwa 2 bis 4 Tonnen 239Pu. In einigen Teilen der Oklo-Lagerstätte trug auch 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.

Mit verfeinerter Spurenanalytik gelang es, im Mineral Bastnäsit, das nach dem Fundort Bastnäs in Schweden benannt wurde, geringste Spuren des langlebigsten Plutoniumisotops 244Pu nachzuweisen. Dieses Plutonium stammt aus der Entstehungszeit des Sonnensystems, ist also ein primordiales Nuklid. Die gefundenen Mengen sind so gering, dass sie erst im Jahr 1971, also lange nach der künstlichen Erzeugung von Plutonium in Kernreaktoren, entdeckt wurden.kernenergie-wissen.de:

Es wird berichtet, dass 244Pu in geringster Menge aus Sedimenten am Meeresboden isoliert wurde, die aus verschmelzenden Neutronensternen stammen sollen.Jan Dönges, Spuren im Ozeanboden: Als Plutonium auf die Erde rieselte, Spektrum.de, 2021-05-17, abgerufen über: https://www.spektrum.de/news/spuren-im-ozeanboden-als-plutonium-auf-die-erde-rieselte/1874062

Künstliches Vorkommen