Plutonium: Elementeigenschaften und Verwendungen

Von den Elementen des Periodensystems ist Plutonium eines der historischsten und wissenschaftlich komplexesten. Aufgrund seiner extremen Radioaktivität, seiner vielfältigen chemischen Zusammensetzung und seiner zentralen Rolle in der Kerntechnik ist Plutonium nach wie vor Gegenstand weltweiter Forschung, Energieentwicklung und Kontrolle. Plutonium wird bekanntermaßen mit Kernwaffen in Verbindung gebracht, ist aber auch ein wichtiges Material für die Stromerzeugung und den Antrieb von Raumfahrzeugen für Weltraummissionen. Das Verständnis dieses Elements erfordert eine Untersuchung seines Ursprungs, seiner Struktur, seines Verhaltens und seiner Anwendungen in vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik.

Einführung in das Element

Plutonium gehört zur Reihe der Aktiniden und kommt in der Natur nicht in nennenswerten Mengen vor. Es wurde erstmals Anfang der 1940er Jahre im Rahmen der US-amerikanischen Kernforschung synthetisiert, als Wissenschaftler auf der Suche nach neuen spaltbaren Materialien jenseits von Uran waren. Plutonium zeichnet sich durch eine dichte Elektronenkonfiguration und mehrere Oxidationsstufen aus und wurde schnell zu einem wichtigen Bestandteil der Kernphysik. Seine Fähigkeit, eine schnelle Neutronenkettenreaktion aufrechtzuerhalten - eine einzigartige Eigenschaft unter vielen anderen Elementen - sicherte ihm einen zentralen Platz bei der Entwicklung von Kernreaktoren und frühen Atomwaffen. Auch heute noch ist Plutonium ein Eckpfeiler der Nuklearwissenschaft, wobei Produktion und Verwendung aus Sicherheits-, Umwelt- und geopolitischen Gründen streng kontrolliert werden.

Geschichte und Namensgebung

Die Entdeckung von Plutonium ist untrennbar mit dem wissenschaftlichen Tempo des Zweiten Weltkriegs verbunden. Im Jahr 1940 stellte eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph Kennedy und Arthur Wahl an der University of California, Berkeley, erstmals Plutonium her, indem sie Uran-238 in einem Zyklotron mit Deuteronen beschossen. Weitere Experimente zeigten, dass eines der gebildeten Isotope, Plutonium-239, eine anhaltende Kernspaltung durchführen kann.

Das Element wurde nach Pluto benannt, der damals als Planet angesehen wurde. Damit folgte man einer astronomischen Namenskonvention: Uran für Uranus, Neptunium für Neptun, Plutonium für Pluto. Später scherzten die Wissenschaftler, dass das Symbol "Pu" wegen des unangenehmen Rufs des Elements gewählt wurde, aber die Namenskonvention stand im Einklang mit seinen Nachbarn im Periodensystem.

Mit einem Schlag veränderte die Entdeckung des Plutoniums nicht nur die Nuklearwissenschaft, sondern auch die Weltpolitik, die Energieforschung und den internationalen Sicherheitsrahmen für die kommenden Jahrzehnte.

Chemische Eigenschaften Beschreibung

Chemisch gesehen ist Plutonium sehr kompliziert: Es hat sechs gängige Oxidationsstufen (+3, +4, +5, +6 und +7), die in seinen Lösungen durch unterschiedliche Farben dargestellt werden. Dieses breite Spektrum ist der Grund für die große Vielfalt der Reaktivität und die Vielfalt der Oxide, Halogenide und Koordinationsverbindungen.

An der Luft oxidiert Plutoniummetall leicht und bildet eine Oberflächenbeschichtung aus Plutoniumoxid, die abplatzen kann, was sowohl für die Lagerung als auch für die Sicherheit wichtig ist. In Wasser kann das Metall unter Bildung von Wasserstoffgas und einer Mischung aus Oxiden und Hydroxiden reagieren, was sein Verhalten für die Korrosionsforschung und die langfristige Entsorgung von Atommüll relevant macht.

Da viele Plutoniumverbindungen starke Strahlungsquellen sind, wird ihre Chemie unter hochspezialisierten Laborbedingungen mit Fernbedienungssystemen, Handschuhkästen und starker Abschirmung untersucht.

Physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften von Plutonium sind ebenso ungewöhnlich wie seine Chemie:

Die Kristallstruktur von Plutonium ist bekanntermaßen instabil und variiert bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen einer Reihe von Allotropen. Die Dichte und die mechanischen Eigenschaften ändern sich zwischen den Allotropen drastisch, was die metallurgische Untersuchung von Plutonium sowohl schwierig als auch notwendig macht, insbesondere für kerntechnische Anwendungen.

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Plutonium vs. Uran

Obwohl sie oft in einem Atemzug genannt werden, unterscheiden sich Plutonium und Uran grundlegend:

Quelle

- Uran kommt in der Natur vor und wird aus Erzen wie Uraninit abgebaut.

Das meiste Plutonium ist synthetischen Ursprungs und entsteht durch die Absorption von Neutronen durch Uran-238 in einem Kernreaktor.

Nukleares Verhalten

- Das natürlich vorkommende Isotop Uran-235 kann gespalten werden, ist aber selten.

- Plutonium-239 lässt sich leichter und schneller in großen Mengen herstellen und ist spaltbarer, was zu seiner Verwendung sowohl in Reaktoren als auch in Waffen beiträgt.

Anwendungen

- Uran ist der Hauptbrennstoff in den meisten kommerziellen Reaktoren.

- Plutonium wird in MOX-Brennstoffen, fortschrittlichen Reaktorkonzepten und speziellen militärischen Anwendungen verwendet.

Sicherheit und Toxizität

Plutonium ist radiologisch und chemisch gefährlicher als Uran, weshalb die Kontrollen beim Umgang mit Plutonium und die internationale Überwachung wesentlich strenger sein müssen.

Häufige Verwendungen

Plutonium wird in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt:

Verteidigung

Der eigentliche Zweck von Kernwaffen beruht auf Plutonium-239, weil es in kompakter Form schnell spaltbar ist.

Energie

Plutonium in Reaktorqualität wird in MOX-Brennstoffen zur Stromerzeugung verwendet, um die Nutzungsdauer von abgebrannten Kernbrennstoffen zu verlängern.

Erforschung des Weltraums

Diese RTGs werden mit Plutonium-238 betrieben und wurden bei Missionen wie Voyager, Cassini und den Mars-Rovern eingesetzt.

Wissenschaftliche Forschung

Plutoniumverbindungen helfen Forschern bei der Untersuchung des radioaktiven Zerfalls, des Verhaltens von Aktiniden und moderner Materialien unter extremen Bedingungen.

Methoden der Herstellung

Plutonium wird hauptsächlich durch die Bestrahlung von Uran-238 in einem Kernreaktor hergestellt. Uran-239, das durch den Einfang von Neutronen entsteht, zerfällt zu Neptunium-239 und anschließend zu Plutonium-239. Die chemische Abtrennung von Plutonium aus abgebrannten Brennelementen durch Lösungsmittelextraktion oder Ionenaustauschverfahren ist komplex. Die Verfahren werden wegen der radiologischen Gefahren des Materials unter streng kontrollierten Sicherheitsbedingungen durchgeführt.

Häufig gestellte Fragen

Warum gilt Plutonium als so gefährlich?

Es ist sowohl hochradioaktiv als auch chemisch giftig und erfordert daher strenge Sicherheitsmaßnahmen.

Welche Isotope sind für die Industrie am wichtigsten?

Plutonium-239 für Reaktoren und Waffen und Plutonium-238 für Energiequellen in Raumfahrzeugen.

Wie wird Plutonium vom Kernbrennstoff getrennt?

Mit Hilfe mehrstufiger chemischer Trennverfahren, einschließlich Lösungsmittelextraktion und fernbedienter Geräte.

Kann Plutonium für friedliche Zwecke verwendet werden?

Ja, es spielt eine wichtige Rolle in der Kernkraft und in der Raumfahrttechnologie.

Was macht den Umgang mit Plutonium sicher?

Internationale Vorschriften, spezielle Sicherheitsbehälter und eine strenge Ausbildung in radiologischer Sicherheit.