Actinoide („Actiniumähnliche“; griech.: Endung -οειδής (-oeides) „ähnlich“) ist eine Gruppenbezeichnung bestimmter ähnlicher Elemente. Zugerechnet werden ihr das Actinium und die 14 im Periodensystem folgenden Elemente: Thorium, Protactinium, Uran und die Transurane Neptunium, Plutonium, Americium, Curium, Berkelium, Californium, Einsteinium, Fermium, Mendelevium, Nobelium und Lawrencium. Im Sinne des Begriffs gehört Actinium nicht zu den Actiniumähnlichen, jedoch folgt die Nomenklatur der IUPAC hier dem praktischen Gebrauch. Die frühere Bezeichnung Actinide entspricht nicht dem Vorschlag der Nomenklaturkommission, da nach diesem die Endung -id für binäre Verbindungen, wie z. B. Chloride, reserviert ist; die Bezeichnung ist aber weiterhin erlaubt. Alle Actinoide sind Metalle und werden auch als Elemente der Actiniumreihe bezeichnet.
Begriffliche Abgrenzung Die Transurane sind die Elemente mit einer höheren Ordnungszahl als Uran, d. h. die Actinoide beginnend mit Neptunium (93) sind auch Transurane. Als Transactinoide bezeichnet man die Elemente mit Ordnungszahlen ab 104 (Rutherfordium). Sie folgen im Periodensystem auf die Actinoide. Alle Transactinoide sind auch Transurane, da sie Ordnungszahlen größer als die des Urans haben. Im Zusammenhang mit Kernbrennstoffen und radioaktivem Abfall werden Neptunium, Americium, Curium, Berkelium und Californium auch als minore Actinoide bezeichnet. Die Actinoid-Nuklide sind Schwermetalle. In der Reaktorphysik wird bei Abbrandberechnungen der Schwermetall-Begriff etwas eingeschränkt. Als Schwermetalle bezeichnet man in diesem Zusammenhang nur die durch Neutronen spaltbaren Schwermetall-Nuklide. Spaltbar sind alle Schwermetall-Nuklide ab Actinium 225, also auch alle Nuklide der Actinoide. Massen von Spaltprodukten und Massen der überwiegend durch Neutroneneinfang in einem Kernreaktor entstandenen schweren Nuklide werden meist relativ zur Masse der anfangs eingesetzten so definierten Schwermetalle angegeben.
Entdeckung und Gewinnung +Entdeckung der Transurane (Z = 93…103) Z Element Jahr Methode 93 Neptunium 1940 Beschuss von 238U mit Neutronen 94 Plutonium 1941 Beschuss von 238U mit Deuteronen 95 Americium 1944 Beschuss von 239Pu mit Neutronen 96 Curium Beschuss von 239Pu mit α-Teilchen 97 Berkelium 1949 Beschuss von 241Am mit α-Teilchen 98 Californium 1950 Beschuss von 242Cm mit α-Teilchen 99 Einsteinium 1952 Produkt von Kernwaffenexplosionen 100 Fermium 101 Mendelevium 1955 Beschuss von 253Es mit α-Teilchen 102 Nobelium 1964–68 Beschuss von 243Am mit 15N oder 238U mit 22Ne oder 249Cf mit 12C 103 Lawrencium 1961–71 Beschuss von 252Cf mit 10B oder 252Cf mit 11B oder 243Am mit 18O
Im Jahr 1934 publizierte die deutsche Chemikerin Ida Noddack eine Arbeit über drei Lücken im Periodischen System der Elemente, die später mit den Elementen Francium, Astat und Promethium gefüllt wurden. Gleichsam nebenbei merkte sie an, dass es denkbar sei, dass bei der Beschießung schwerer Kerne mit Neutronen diese Kerne in mehrere größere Bruchstücke zerfallen. Aber nicht nur das. Denkbar sei auch, dass Elemente mit Ordnungszahlen Z > 92, also Transurane, gebildet werden könnten.
Tatsächlich synthetisierten Edwin M. McMillan und Philip H. Abelson erstmals im Jahr 1940 die ersten nicht in der Natur vorkommenden Actinoid-Nuklide 239U, 239Np und 239Pu durch Beschuss von Uran mit Neutronen.
Da im Jahr 1940 noch kein Kernreaktor in Betrieb war, konnten die Neutronen nur aus einer Neutronenquelle stammen.
Obwohl bei dieser Kernreaktion letztlich auch ein Plutonium-Isotop entsteht, konnte Plutonium wahrscheinlich wegen der geringen Ausbeute noch nicht nachgewiesen werden. Als Entdeckungsjahr von Plutonium gilt das Jahr 1941, wie die Tabelle Entdeckung der Transurane zeigt.
Plutonium wurde von den US-Amerikanern Glenn T. Seaborg, J. W. Kennedy, E. M. McMillan, Michael Cefola und Arthur Wahl entdeckt. Ende 1940 stellten sie das Plutonium-Isotop 238Pu durch Beschuss des Uran-Isotops 238U mit Deuteronen her, die in einem Zyklotron beschleunigt worden waren. Nachdem der eindeutige Nachweis für das Element 94 erbracht worden war, erhielt es 1941 den Namen Plutonium. Der Name lag nahe, da die beiden Vorgängerelemente nach den Planeten Uranus und Neptun benannt worden waren. Details über die Kernreaktionen sind im Artikel Plutonium nachzulesen.
Damit eine Transmutation mit elektrisch geladenen Teilchen wie Deuteronen stattfinden kann, müssen diese Teilchen auf eine Energie beschleunigt werden, die ausreicht, um die Coulombbarriere von Urankernen zu überwinden oder diese zumindest zu durchtunneln. Das war erstmals mit einem Zyklotron möglich. Die erste wägbare Menge Plutonium von etwa 4 µg wurde 1942 isoliert.
mini|Zeichnung des ersten Kernreaktors Chicago Pile, der die Produktion von synthetischen Actinoiden in größeren wägbaren Mengen einleitete Ende 1942 wurde der erste Kernreaktor Chicago Pile in Betrieb genommen. Mit Kernreaktoren konnten vergleichsweise größere Mengen der Elemente Plutonium und Americium gewonnen werden, die als Targetmaterial dienten. In Verbindung mit geladenen Teilchen, mit beschleunigten α-Teilchen, wurden dann die Nuklide der Elemente Curium, Berkelium und Californium entdeckt. Der Vorteil des Verfahrens, der Beschuss beschleunigter geladener Teilchen auf leichtere Actinoide, ist, dass auch massereiche, neutronenarme Nuklide erhalten werden können, die durch eine Neutronenbestrahlung nicht gebildet werden.
Das effektivste Verfahren, um synthetische Actinoide zu erzeugen, ist die Transmutation von Uran- oder Thorium-Nukliden im Kernbrennstoff eines Kernreaktors durch Neutroneneinfang oder (n,2n)-Reaktionen. Dieses Verfahren ist auf nicht allzu massereiche Actinoid-Nuklide beschränkt, etwa bis zu Massenzahlen von A = 252. Rechnerisch (s. u) werden meist nur Nuklide bis A < 248 einbezogen.
Americium zum Beispiel wurde in einem Zweistufenprozess entdeckt. In der ersten Stufe werden synthetische Actinoide in einem Kernreaktor gebildet, zum Beispiel 239Pu. Plutonium wird nach Entnahme des Kernbrennstoffs durch Wiederaufarbeitung chemisch extrahiert. Dann wird das Plutonium erneut im Reaktor oder mittels einer Quelle mit Neutronen bestrahlt. Der seit Mitte der 1960er Jahre betriebene 85 MW-High-Flux-Isotope Reactor am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, USA ist auf die Herstellung von Transcuriumelementen (Z > 96) speziell ausgelegt.
Die massereichen Elemente Einsteinium und Fermium wurden durch den Test der ersten amerikanischen Wasserstoffbombe, Ivy Mike, am 1. November 1952 auf dem Eniwetok-Atoll auf unsere Erde gebracht. Nur wenige Wochen später wurden sie im Lawrence Berkeley National Laboratory, das an der geheimen Waffentwicklung nicht beteiligt war, auf Filterpapieren und in Ablagerungen an Korallen völlig unerwartet entdeckt. Bei der Wasserstoffbombenexplosion waren bis zu 16 Neutronen von einem Kern von 238U eingefangen worden. Dieser Zwischenkern zerfiel sehr schnell über eine Kette von Betazerfällen in Nuklide der bis dahin unbekannten Elemente. Das Uran stammte aus der Ummantelung der Wasserstoffbombe, die aus 5 Tonnen Natururan bestand.
Aus Gründen der militärischen Geheimhaltung durften die Ergebnisse zunächst nicht publiziert werden. Um sich dennoch die Priorität der Entdeckungen der beiden neuen Elemente zu sichern, wurden parallel erfolgreich Schwerionenreaktionen durchgeführt. 238U wurde mit 14N-Ionen, die an einem Zyklotron erzeugt wurden, bombardiert. Auf diesem Wege wurde zunächst Einsteinium synthetisiert und in der Publikation auf die Entdeckung von 1952 verwiesen. Ähnlich verfuhr man mit Fermium, das durch Beschuss mit 239Pu mit 14N-Ionen erzeugt wurde.
Wie die Tabelle zeigt, führten Schwerionenreaktionen auch zu den Elementen Mendelevium, Nobelium und Lawrencium mit den Ordnungszahlen 101 bis 103. Mit Schwerionenreaktionen wurden auch die Elemente mit höheren Ordnungszahlen synthetisiert.
Bildung und Gewinnung im Kernreaktor Der Kernreaktor nimmt, was die Actinoide betrifft, nicht nur deshalb eine herausragende Stellung ein, weil er ohne Actinoide nicht betrieben werden könnte, sondern weil es nur innerhalb eines Kernreaktors möglich ist, größere wägbare Mengen von „höheren“ Actinoid-Nukliden zu bilden. Dieser Abschnitt beschreibt, welche Actinoid-Nuklide das sind und in welchem Massenanteil (relativ zur ursprünglichen Schwermetallmasse) sie gebildet werden.
In einem Kernreaktor werden zu Beginn des Betriebs große Mengen von Actinoiden in Form von Kernbrennstoff eingebracht, zum Beispiel mit 235U angereichertes Uran. In einem Leistungsreaktor sind Actinoidmassen in der Größenordnung von 100 Tonnen enthalten. Aus diesem Kernbrennstoff werden neben der gewünschten Energiefreisetzung durch Kernspaltung synthetische „höhere“ Actinoide durch Transmutation erzeugt. Gelingt es bei der Wiederaufarbeitung nicht, diese zu entfernen, so haben Actinoide auf den meisten Zeitskalen den höchsten Anteil an der Radioaktivität des Atommülls. Dies liegt an der Tatsache, dass bei den Spaltprodukten eine „Lücke“ der Halbwertszeiten zwischen Caesium-135 und Strontium-90 im Bereich um dreißig Jahre und Technetium-99 im Bereich um hunderttausende Jahre besteht. Diese „Lücke“ wird aber (sofern sie vorhanden sind) von den Actinoiden „aufgefüllt“.
Actinoid-Nuklide in einem Kernreaktor mini|upright=1.7|Nuklidkarte: Bildung und Zerfall von Actinoiden in einem Reaktor
Die Abbildung Nuklidkarte: Bildung und Zerfall von Actinoiden in einem Kernreaktor ist eine Nuklidkarte in der Anordnung nach Segrè. Das heißt, die Anzahl der Neutronen wird nach rechts zunehmend, die Anzahl der Protonen nach oben zunehmend aufgetragen. Um die Zeichnungsfläche sinnvoll zu nutzen, ist der Nuklidpfad am roten Punkt unterteilt.
Jedes Quadrat der Abbildung stellt ein Actinoid-Nuklid dar, das in einem Kernreaktor auftreten kann. Die Abbildung zeigt auch das Netzwerk von Bildung und Zerfall von Actinoid-Nukliden, ausgelöst durch den Neutroneneinfang freier Neutronen und durch andere Kernreaktionen. Ein ähnliches Schema findet man in einer Arbeit aus dem Jahr 2014. Dort sind die Isotope von Thorium und Protactinium, die zum Beispiel in Salzschmelzenreaktoren eine große Rolle spielen, und die Isotope der Elemente Berkelium und Californium nicht enthalten.
Die Bildung von Actinoid-Nukliden wird in erster Linie geprägt durch: Neutroneneinfang-Reaktionen (n,γ), die in der Abbildung durch einen kurzen Rechtspfeil dargestellt sind. Berücksichtigt werden aber auch die (n,2n)-Reaktionen und die seltener auftretenden (γ,n)-Reaktionen, die beide durch einen kurzen Linkspfeil markiert sind. Noch seltener und nur ausgelöst von schnellen Neutronen tritt die (n,3n)-Reaktion auf, die in der Abbildung mit einem Beispiel vertreten ist, markiert durch einen langen Linkspfeil.
Außer diesen neutronen- oder gammainduzierten Kernreaktionen wirkt sich auch die radioaktive Umwandlung der Actinoid-Nuklide auf den Nuklid-Bestand in einem Reaktor zu einem gegebenen Zeitpunkt (Abbrandzustand) aus. Diese Zerfallsarten sind in der Abbildung durch Diagonalpfeile markiert.