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Plutonium

94 Neptun Plutonium Amerika
Sm

Könnte

(Uqq)
Periodensystem - Erweitertes Periodensystem
Allgemein
Name , Symbol, Zahl Plutonium, Pu, 94
Chemische Reihe Aktiniden
Gruppe, Periode, Block n/a, 7, f
Aussehen Silbrig Weiß
  Behandschuhte Hände halten a"button" of refined plutonium
Atommasse (244) g/mol
Elektronenkonfiguration [ Rn ] 5f 6 7s zwei
Elektronen pro Schale 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Physikalische Eigenschaften
Phase fest
Dichte (nahe RT) 19,816 g·cm −3
Flüssigkeitsdichte bei m.p. 16,63 g·cm −3
Schmelzpunkt 912,5 K
(639,4 °C, 1182,9 °F)
Siedepunkt 3505K
(3228 ° C, 5842 ° F)
Schmelzwärme 2,82 kJ·mol −1
Verdampfungswärme 333,5 kJ·mol −1
Wärmekapazität (25 °C) 35,5 J·mol −1 ·K −1
P / Brunnen 1 10 100 1 k 10 k 100 k
bei T /K 1756 1953 2198 2511 2926 3499
Atomare Eigenschaften
Kristallstruktur monoklin
Oxidationszustände 6, 5, 4 , 3
( amphoteres Oxid)
Elektronegativität 1,28 (Pauling-Skala)
Ionisationsenergien 1.: 584,7 kJ/mol
Atomradius 175 Uhr
Sonstig
Magnetische Bestellung datiert nicht
Elektrischer widerstand (0 °C) 1,460 µΩ·m
Wärmeleitfähigkeit (300 K) 6,74 W·m −1 ·K −1
Wärmeausdehnung (25°C) 46,7 μm·m −1 ·K −1
Schallgeschwindigkeit (dünner Stab) (20 °C) 2260 m/s
Elastizitätsmodul 96 GPa
Schermodul 43 GPa
QUERKONTRAKTIONSZAHL 0,21
CAS-Registrierungsnummer 7440-07-5
Ausgewählte Isotope
iso DAS Halbwertszeit DM VON DP
238 Könnte seine 88 und SF - -
a 5.5 2. 3. 4 IN
239 Könnte seine 24,1 × 10 3 Y SF - -
a 5.245 235 IN
240 Könnte seine 6,5 × 10 3 Y SF - -
b 0,005 240 Bin
241 Könnte seine 14 und b - Bin
SF - -
242 Könnte seine 3,73 × 10 5 Y SF - -
a 4.984 238 IN
244 Könnte verfolgen 8,08 × 10 7 Y a 4.666 240 IN
SF - -
Verweise

Plutonium (EINSCHLAG: /ˌpluːˈtəʊniəm/ ) ist ein radioaktives, metallisch Chemisches Element . Es hat das Symbol Pu und die Ordnungszahl 94. Es ist das Element, das am modernsten verwendet wird Atomwaffen . Das wichtigste Isotop von Plutonium ist 239 Pu mit einer Halbwertszeit von 24.110 Jahren. Es kann aus Natur hergestellt werden Uran und ist spaltbar. Das stabilste Isotop ist 244 Pu ist mit einer Halbwertszeit von etwa 80 Millionen Jahren lang genug, um in der Natur in äußerst geringen Mengen vorzukommen.

Bemerkenswerte Eigenschaften

Plutonium wurde wegen seiner besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften als „das komplexeste Metall“ und „der Traum eines Physikers, aber der Albtraum eines Ingenieurs“ bezeichnet. Es hat normalerweise sechs Allotrope und ein siebtes unter Druck, von denen jedes sehr ähnliche Energieniveaus hat, aber mit deutlich unterschiedlichen Dichten, was es sehr empfindlich auf Änderungen der Temperatur, des Drucks oder der Chemie macht und dramatische Volumenänderungen nach Phasenübergängen ermöglicht (in nuklearen Anwendungen wird es üblicherweise mit geringen Mengen an legiert Gallium , was es in der Delta-Phase stabilisiert.) Plutonium ist in reiner Form silbrig, hat aber einen gelben Anlauf, wenn es oxidiert wird. Es zeichnet sich auch dadurch aus, dass es eine Struktur mit geringer Symmetrie besitzt, die dazu führt, dass es mit der Zeit immer spröder wird. Da es sich selbst bestrahlt, altert es sowohl von außen nach innen als auch von innen nach außen. Durch Eigenbestrahlung kann es aber auch zu Ausheilungen kommen, die einigen Alterungseffekten entgegenwirken. Im Allgemeinen sind die genauen Alterungseigenschaften von Plutonium sehr komplex und kaum bekannt, was die Bemühungen zur Vorhersage der zukünftigen Zuverlässigkeit von Waffenkomponenten erheblich erschwert.



Die von der Alpha-Partikel-Emission abgegebene Wärme macht Plutonium in angemessenen Mengen warm anfühlbar; größere Mengen können Wasser kochen. Es zeigt fünf ionische Oxidationsstufen in wässriger Lösung:

  • Könnte III , wie könnte 3+ (blauer Lavendel)
  • Könnte IV , wie könnte 4+ (Gelb Braun)
  • Könnte WIR , als PuO zwei 2+ (Rosa-Orange)
  • Könnte IN , als PuO zwei + (vermutlich rosa; dieses Ion ist in Lösung instabil und disproportioniert zu Pu 4+ und PuO zwei 2+ ; der Pu 4+ oxidiert dann das restliche PuO zwei + das ist PuO zwei 2+ , die wiederum auf Pu reduziert werden 3+ . So tendieren wässrige Lösungen von Plutonium im Laufe der Zeit zu einer Pu-Mischung 3+ und PuO zwei 2+ .)
  • Könnte VII , als PuO 5 zwei- (Dunkelrot); das siebenwertige Ion ist selten und wird nur unter extrem oxidierenden Bedingungen hergestellt.

Hinweis: Die Farbe von Pu-Lösungen hängt sowohl vom Oxidationszustand als auch von der Art des Säureanions ab, das den Grad der Komplexierung der Pu-Spezies durch das Säureanion beeinflusst.

Anwendungen

Das Isotop 239 Pu ist eine wichtige spaltbare Komponente in Atomwaffen , aufgrund seiner leichten Spaltbarkeit und Verfügbarkeit. Die kritische Masse für eine nicht reflektierte Plutoniumkugel beträgt 16 kg, aber durch die Verwendung eines neutronenreflektierenden Stampfers wird die Plutoniumgrube in einer Spaltbombe auf 10 kg reduziert, was einer Kugel mit einem Durchmesser von 10 cm entspricht. Die Plutoniumbomben des Manhattan-Projekts vom Typ 'Fat Man', die eine explosive Kompression von Pu auf wesentlich höhere Dichten als normal verwendeten, konnten mit Plutoniumkernen von nur 6,2 kg funktionieren. Eine vollständige Detonation von Plutonium wird eine Explosion erzeugen, die der Explosion von 20 Kilotonnen Trinitrotoluol (TNT) pro Kilogramm entspricht. (Siehe auch Atomwaffendesign.) Eine vollständige Detonation erfordert jedoch eine zusätzliche Neutronenquelle (oft aus einer kleinen Menge Fusionsbrennstoff), und primitive Bomben können weitaus weniger effizient sein. Beispielsweise betrug die Ausbeute des Fat Man trotz der 6,2 kg Plutonium nur 21 kt.

Plutonium könnte auch zur Herstellung radiologischer Waffen oder als (nicht besonders tödliches) chemisches Gift verwendet werden. In einer Reihe von Fällen haben beschädigte Atomwaffen Plutonium über ein umliegendes Gebiet verteilt, ähnlich der Wirkung einer sogenannten 'schmutzigen Bombe', und eine umfassende Reinigung erforderlich gemacht. Andererseits wurden 5 kg Plutonium über das Gebiet von Nagasaki verteilt (aufgrund unvollständiger Kernspaltung) und nie beseitigt. Viele der extremeren Behauptungen über die Toxizität von Plutonium stimmen nicht mit der früheren und gegenwärtigen Bewohnbarkeit des Gebiets und der Gesundheit der derzeitigen Bewohner überein.

Das Plutonium-Isotop 238 Pu ist ein Alphastrahler mit einer Halbwertszeit von 87 Jahren. Diese Eigenschaften machen es gut geeignet für die Stromerzeugung für Geräte, die ohne direkte Wartung für Zeitskalen funktionieren müssen, die ungefähr einem Menschenleben entsprechen. Es wird daher in thermoelektrischen Radioisotopgeneratoren verwendet, wie sie beispielsweise die Raumsonden Cassini und New Horizons (Pluto) antreiben. frühere Versionen der gleichen Technologie unterstützten seismische Experimente auf der Apollo Mond Missionen.

238 Pu wurde erfolgreich zur Stromversorgung von künstlichen Herzschrittmachern eingesetzt, um das Risiko wiederholter Operationen zu verringern. Es wurde weitgehend durch Batterien auf Lithiumbasis ersetzt, die durch Induktion aufgeladen wurden, aber im Jahr 2003 waren zwischen 50 und 100 Plutonium-betriebene Schrittmacher noch implantiert und funktionierten bei lebenden Patienten.

Geschichte

  Glenn Seaborg am Geigerzähler, 301 Gilman Hall, Berkeley, Kalifornien, wo er Plutonium entdeckte.   Vergrößern Glenn Seaborg am Geigerzähler, 301 Gilman Hall, Berkeley, Kalifornien, wo er Plutonium entdeckte.

Die Produktion von Plutonium u Neptun durch Beschuss von Uran-238 mit Neutronen wurde 1940 von zwei unabhängig voneinander arbeitenden Teams vorhergesagt: Edwin M. McMillan und Philip Abelson am Berkeley Radiation Laboratory an der University of Berkeley, Kalifornien und von Norman Feather und Egon Bretscher am Cavendish Laboratory Universität von Cambridge . Zufälligerweise schlugen beide Teams die gleichen Namen vor, um auf Uran zu folgen, wie die Reihenfolge der äußeren Planeten.

Plutonium wurde erstmals am 23. Februar 1941 von Dr. Glenn T. Seaborg, Dr. Michael Cefola, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy und A. C. Wahl durch Deuteronenbeschuss von Uran im 60-Zoll-Zyklotron in Berkeley hergestellt und isoliert. Die Entdeckung wurde wegen des Krieges geheim gehalten. Es wurde danach benannt Pluto , wurde direkt danach entdeckt Neptun (was selbst im Periodensystem um eins höher war als Uran ), in Analogie zur Planetenordnung des Sonnensystems, da Pluto zu dieser Zeit als Planet galt (obwohl es technisch gesehen 'Plutium' hätte sein sollen, sagte Seaborg, dass es seiner Meinung nach nicht so gut klang wie 'Plutonium'). Seaborg wählte die Buchstaben 'Pu' als Scherz, der ohne Vorankündigung in das Periodensystem überging. Chemiker an der Universität Chicago begann, das neu hergestellte radioaktive Element zu untersuchen. Das George Herbert Jones Laboratory an der Universität war der Ort, an dem im September 1942 zum ersten Mal eine Spurenmenge dieses neuen Elements isoliert und gemessen wurde. Dieses Verfahren ermöglichte es Chemikern, das Atomgewicht des neuen Elements zu bestimmen. Raum 405 des Gebäudes wurde im Mai 1967 zum National Historic Landmark ernannt. Während des Manhattan-Projekts wurde der erste Produktionsreaktor in Oak Ridge gebaut. Später wurden in Hanford, Washington, große Reaktoren zur Herstellung von Plutonium errichtet, das in der ersten Atombombe zum Einsatz kam 'Trinity'-Test in White Sands, New Mexico im Juli 1945. Plutonium wurde auch in der 'Fat Man'-Bombe verwendet, die im August 1945 auf Nagasaki, Japan, abgeworfen wurde. Die 'Little Boy'-Bombe, die auf Hiroshima abgeworfen wurde, verwendete Uran-235, kein Plutonium.

Große Plutoniumvorräte wurden von beiden aufgebaut Sovietunion und die Vereinigte Staaten während der Kalter Krieg – Es wurde geschätzt, dass bis 1982 300.000 kg Plutonium angesammelt worden waren. Seit dem Ende des Kalten Krieges sind diese Lagerbestände zu einem Brennpunkt der Bedenken hinsichtlich der nuklearen Proliferation geworden. Im Jahr 2002 übernahm das US-Energieministerium 34 Tonnen überschüssiges waffenfähiges Plutonium vom US-Verteidigungsministerium und erwog Anfang 2003, mehrere Kernkraftwerke in den USA von angereichertem Uran auf Brennstoff umzustellen MOX-Brennstoff als Mittel zur Entsorgung von Plutoniumvorräten.

  Plutoniumproduktionsreaktoren am Standort Hanford entlang des Columbia River während des Manhattan-Projekts.   Vergrößern Plutoniumproduktionsreaktoren der Hanford Site entlang der Columbia-Fluss während des Manhattan-Projekts.

In den ersten Jahren nach der Entdeckung von Plutonium, als seine biologischen und physikalischen Eigenschaften kaum bekannt waren, wurde von der US-Regierung und von privaten Organisationen, die in ihrem Auftrag handelten, eine Reihe von Strahlungsexperimenten am Menschen durchgeführt. Während und nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs führten Wissenschaftler, die am Manhattan-Projekt und anderen Atomwaffenforschungsprojekten arbeiteten, Studien über die Auswirkungen von Plutonium auf Versuchstiere und Menschen durch. Im Falle menschlicher Probanden beinhaltete dies das Injizieren von Lösungen, die (typischerweise) fünf Mikrogramm Plutonium enthielten, in Krankenhauspatienten, von denen angenommen wurde, dass sie entweder unheilbar krank sind oder aufgrund ihres Alters oder ihres chronischen Krankheitszustands eine Lebenserwartung von weniger als zehn Jahren haben. Diese achtzehn Injektionen wurden ohne die informierte Zustimmung dieser Patienten vorgenommen und wurden nicht in der Überzeugung durchgeführt, dass die Injektionen ihren Zustand heilen würden; vielmehr wurden sie zur Entwicklung diagnostischer Instrumente zur Bestimmung der Aufnahme von Plutonium im Körper zur Verwendung bei der Entwicklung von Sicherheitsstandards für Personen verwendet, die im Zuge der Entwicklung von Atomwaffen mit Plutonium arbeiten.

Die Episode wird heute als schwerwiegender Verstoß gegen die medizinische Ethik und den hippokratischen Eid angesehen und wurde scharf kritisiert, weil sie 'sowohl den Test unserer nationalen Werte als auch den Test der Menschlichkeit' nicht bestanden hat. Sympathischere Kommentatoren haben angemerkt, dass es sich zwar definitiv um einen Vertrauens- und Ethikbruch handelte, „die Auswirkungen der Plutoniuminjektionen für die Versuchspersonen jedoch nicht so schädlich waren, wie die frühen Nachrichtenberichte es darstellten, noch waren sie so belanglos wie viele Wissenschaftler damals und heute , glauben.'

Auftreten

Während fast das gesamte Plutonium synthetisch hergestellt wird, finden sich in der Natur äußerst geringe Spurenmengen Uran Erze. Diese kommen durch einen Prozess des Neutroneneinfangs zustande 238 U-Kerne, die sich anfänglich bilden 239 U; dann bilden sich zwei aufeinanderfolgende Beta-Zerfälle 239 Pu (mit a 239 Z.B Intermediär), das eine Halbwertszeit von 24.110 Jahren hat. Dies ist auch das Verfahren zur Herstellung 239 Pu in Kernreaktoren. Einige Spuren von 244 Pu bleibt von der Geburt des Sonnensystems aus Abfällen von Supernovae übrig, weil seine Halbwertszeit (80 Millionen Jahre) ziemlich lang ist.

Im Kernspaltungsreaktor Natural in Oklo wurde eine relativ hohe Plutoniumkonzentration entdeckt. Gabun im Jahr 1972. Seit 1945 wurden etwa 10 Tonnen (die Größe eines Würfels aus Plutoniummetall mit 0,77 Meter Seitenlänge) auf freigesetzt Erde durch Atomexplosionen.

Herstellung

Pu-239

Plutonium-239 ist eines der beiden spaltbaren Materialien, die zur Herstellung von verwendet werden Atomwaffen und in einigen Kernreaktoren als Energiequelle. Das andere spaltbare Material ist Uran-235. Plutonium-239 kommt in der Natur praktisch nicht vor. Es wird hergestellt, indem Uran-238 in einem Kernreaktor mit Neutronen beschossen wird. Uran-238 ist in den meisten Reaktorbrennstoffen in großen Mengen vorhanden; daher wird in diesen Reaktoren kontinuierlich Plutonium-239 hergestellt. Da kann Plutonium-239 selbst durch gespalten werden Neutronen Um Energie freizusetzen, liefert Plutonium-239 einen Teil der Energieerzeugung in einem Kernreaktor.

  Ein Ring aus elektroraffiniertem Plutonium in Waffenqualität mit einer Reinheit von 99,96 %. Dieser 5,3-kg-Ring ist genug Plutonium für den Einsatz in einer modernen Atomwaffe.   Vergrößern Ein Ring aus elektroraffiniertem Plutonium in Waffenqualität mit einer Reinheit von 99,96 %. Dieser 5,3-kg-Ring ist genug Plutonium für den Einsatz in einer modernen Atomwaffe.

Pu-238

Im Plutonium üblicher Plutonium-produzierender Reaktoren befinden sich geringe Mengen Pu-238. Im Vergleich zu einer anderen Methode wäre die Isotopentrennung jedoch ziemlich teuer: Wenn ein U-235-Atom ein Neutron einfängt, wird es in einen angeregten Zustand von U-236 umgewandelt. Einige der angeregten U-236-Kerne werden gespalten, andere zerfallen durch Emission von Gammastrahlung in den Grundzustand von U-236. Durch weiteren Neutroneneinfang entsteht U-237, das eine Halbwertszeit von 7 Tagen hat und daher schnell zerfällt Z.B -237. Da fast alles Neptunium auf diese Weise hergestellt wird oder aus Isotopen besteht, die schnell zerfallen, erhält man durch chemische Abtrennung von Neptunium nahezu reines Np-237. Nach dieser chemischen Trennung wird Np-237 erneut mit Reaktorneutronen bestrahlt, um in Np-238 umgewandelt zu werden, das mit einer Halbwertszeit von 2 Tagen zu Pu-238 zerfällt.

Verbindungen

Plutonium reagiert leicht mit Sauerstoff , wobei PuO und PuO gebildet werden zwei sowie intermediäre Oxide. Es reagiert mit den Halogeniden, wodurch Verbindungen wie PuX entstehen 3 wobei X F, Cl, Br oder I sein kann; PuF 4 und PuF 6 werden auch gesehen. Die folgenden Oxyhalogenide werden beobachtet: PuOCl, PuOBr und PuOI. Es wird mit reagieren Kohlenstoff PuC zu gründen, Stickstoff- PuN zu bilden und Silizium PuSi zu gründen zwei .

Plutonium bildet wie andere Aktinide leicht einen Dioxid-Plutonyl-Kern (PuO zwei ). In der Umgebung komplexiert dieser Plutonylkern leicht mit Carbonat sowie anderen Sauerstoffeinheiten (OH - , NEIN zwei - , NEIN 3 - , und so 4 -zwei ), um geladene Komplexe zu bilden, die leicht mobil sein können und geringe Affinitäten zum Boden aufweisen.

  • PuO zwei (CO 3 ) 1 -zwei
  • PuO zwei (CO 3 ) zwei -4
  • PuO zwei (CO 3 ) 3 -6

PuO zwei gebildet aus neutralisierenden stark sauren Salpetersäurelösungen neigt dazu, polymeres PuO zu bilden zwei die gegen Komplexierung resistent ist. Plutonium verschiebt auch leicht Valenzen zwischen den Zuständen +3, +4, +5 und +6. Es ist üblich, dass ein Teil des Plutoniums in Lösung in allen diesen Zuständen im Gleichgewicht existiert.

  Das Bild zeigt links die Farben verschiedener Oxidationsstufen von Pu in Lösung und rechts die Farben nur einer Pu-Oxidationsstufe (IV) in Lösungen, die verschiedene Anionen enthalten.   Vergrößern Das Bild zeigt links die Farben verschiedener Oxidationsstufen von Pu in Lösung und rechts die Farben nur einer Pu-Oxidationsstufe (IV) in Lösungen, die verschiedene Anionen enthalten.

Allotrope

  Ein Diagramm der Allotrope von Plutonium bei Umgebungsdruck Ein Diagramm der Allotrope von Plutonium bei Umgebungsdruck

Auch bei Umgebungsdruck kommt Plutonium in einer Vielzahl von Allotropen vor. Diese Allotrope unterscheiden sich stark in Kristallstruktur und Dichte; die α- und δ-Allotrope unterscheiden sich in der Dichte um mehr als 25 % bei konstantem Druck.

Das Vorhandensein dieser vielen Allotrope macht die Bearbeitung von Plutonium sehr schwierig, da es seinen Zustand sehr schnell ändert. Die Gründe für das komplizierte Phasendiagramm sind nicht vollständig verstanden; Neuere Forschungen haben sich auf die Konstruktion genauer Computermodelle der Phasenübergänge konzentriert.

Bei Waffenanwendungen wird Plutonium oft mit einem anderen Metall legiert (z. B. Deltaphase mit einem geringen Anteil an Gallium ), um die Phasenstabilität zu erhöhen und dadurch die Verarbeitbarkeit und leichte Handhabung zu verbessern. Interessanterweise verursachen bei Spaltwaffen die explosiven Stoßwellen, die zum Komprimieren eines Plutoniumkerns verwendet werden, auch einen Übergang vom üblichen Delta-Phasen-Plutonium in die dichtere Alpha-Phase, was erheblich dazu beiträgt, die Überkritikalität zu erreichen.

Isotope

Einundzwanzig Plutonium-Radioisotope wurden charakterisiert. Die stabilsten sind Pu-244 mit einer Halbwertszeit von 80,8 Millionen Jahren, Pu-242 mit einer Halbwertszeit von 373.300 Jahren und Pu-239 mit einer Halbwertszeit von 24.110 Jahren. Alle verbleibenden radioaktiven Isotope haben Halbwertszeiten von weniger als 7.000 Jahren. Dieses Element hat auch acht Metazustände, obwohl keiner sehr stabil ist (alle haben Halbwertszeiten von weniger als einer Sekunde).

Die Isotope von Plutonium haben ein Atomgewicht von 228,0387 u (Pu-228) bis 247,074 u (Pu-247). Die primären Zerfallsmodi vor dem stabilsten Isotop, Pu-244, sind spontane Spaltung und Alpha-Emission; Der primäre Modus danach ist die Beta-Emission. Die primären Zerfallsprodukte vor Pu-244 sind Uran- und Neptuniumisotope (unter Vernachlässigung des breiten Spektrums von Tochterkernen, die durch Spaltprozesse entstehen), und die primären Produkte danach Amerika Isotope.

  Ein Plutonium-238-Pellet, das unter seinem eigenen Licht leuchtet und für thermoelektrische Radioisotopgeneratoren verwendet wird.   Vergrößern Ein Plutonium-238-Pellet, das unter seinem eigenen Licht leuchtet und für thermoelektrische Radioisotopgeneratoren verwendet wird.

Schlüsselisotope für Anwendungen sind Pu-239, das für den Einsatz in Kernwaffen und Kernreaktoren geeignet ist, und Pu-238, das für den Einsatz in thermoelektrischen Radioisotopgeneratoren geeignet ist; siehe oben für weitere Details. Das Isotop Pu-240 unterliegt sehr leicht einer spontanen Spaltung und entsteht, wenn Pu-239 Neutronen ausgesetzt wird. Das Vorhandensein von Pu-240 in einem Material begrenzt sein Atombombenpotential, da es zufällig Neutronen emittiert, was die Schwierigkeit erhöht, die Kettenreaktion genau zum gewünschten Zeitpunkt auszulösen, und somit die Zuverlässigkeit und Leistung der Bombe verringert. Plutonium genannt, das zu mehr als etwa 90 % aus Pu-239 besteht waffenfähiges Plutonium ; Plutonium, das aus kommerziellen Reaktoren gewonnen wird, enthält im Allgemeinen mindestens 20 % Pu-240 und wird als Pu-240 bezeichnet Plutonium in Reaktorqualität .

Pu-240 spielt, obwohl es an sich nur von geringer Bedeutung ist, eine entscheidende Rolle als Verunreinigung in Plutonium, das in Atomwaffen verwendet wird. Es spaltet sich spontan mit hoher Geschwindigkeit, und als 1%ige Verunreinigung in Pu-239 führt es zu einer unannehmbar frühen Einleitung einer Spaltungskettenreaktion in Atomwaffen vom Kanonentyp, wodurch die Waffe auseinander gesprengt wird, bevor ein Großteil ihres Materials spalten kann. Pu-240-Kontamination ist der Grund, warum Plutoniumwaffen ein Implosionsdesign verwenden müssen. Eine theoretisch 100% reine Pu-239-Waffe könnte als waffenartiges Gerät konstruiert werden, aber das Erreichen dieses Reinheitsgrades ist unerschwinglich schwierig. Die Pu-240-Kontamination hat sich für Waffendesigner als zweischneidig erwiesen. Während es während des Manhattan-Projekts wegen der Notwendigkeit, Implosionstechnologie zu entwickeln, zu Verzögerungen und Kopfschmerzen führte, sind genau diese Schwierigkeiten derzeit ein Hindernis für die nukleare Proliferation. Implosionsvorrichtungen sind auch von Natur aus effizienter und weniger anfällig für eine versehentliche Detonation als Waffen vom Pistolentyp.

Vorsichtsmaßnahmen

Alle Isotope und Verbindungen von Plutonium sind giftig und radioaktiv. Während Plutonium in Medienberichten manchmal als 'die giftigste Substanz, die der Menschheit bekannt ist' beschrieben wird, ist dies vom Standpunkt der wörtlichen Toxizität aus falsch. Bis 2006 gab es noch keinen einzigen menschlichen Tod, der offiziell der Exposition gegenüber Plutonium selbst zugeschrieben wurde (mit Ausnahme von Plutonium-bedingten Kritikalitätsunfällen). Natürlich vorkommend Radium ist etwa 200-mal radiotoxischer als Plutonium, und einige organische Toxine wie Botulinumtoxin sind noch toxischer. Insbesondere Botulinumtoxin hat eine tödliche Dosis von 300 pg/kg, weit weniger als die Menge an Plutonium, die ein erhebliches Krebsrisiko darstellt. Darüber hinaus sind Beta- und Gammastrahler (einschließlich der Kohlenstoff-14- und Kalium -40 in fast allen Lebensmitteln) kann bei gelegentlichem Kontakt Krebs verursachen, was Alphastrahler nicht können.

Bei oraler Einnahme ist Plutonium weniger giftig (mit Ausnahme des Risikos, Krebs zu verursachen) als mehrere gängige Substanzen, darunter Koffein, Paracetamol und einige Vitamine , Pseudoephedrin und eine beliebige Anzahl von Pflanzen und Pilze . Es ist vielleicht etwas giftiger als rein Äthanol , aber weniger als Tabak ; und viele illegale Drogen. Rein chemisch gesehen ist es ungefähr so ​​giftig wie führen und andere Schwermetalle. Es überrascht nicht, dass es einen metallischen Geschmack hat.

  Glühend heiße Plutoniumstücke in einer Kiste, die durch Plutonium angezündet wurden's pyrophoric nature.   Vergrößern Glühend heiße Plutoniumstücke in einer Kiste, die aufgrund der pyrophoren Natur von Plutonium angezündet wurden.

Es besteht jedoch kein Zweifel, dass Plutonium bei falscher Handhabung äußerst gefährlich sein kann. Die von ihm emittierte Alphastrahlung dringt nicht in die Haut ein, kann aber innere Organe bestrahlen, wenn Plutonium eingeatmet oder eingenommen wird. Besonders gefährdet sind das Skelett, wo es wahrscheinlich von der Knochenoberfläche absorbiert wird, und die Leber, wo es sich wahrscheinlich ansammelt und konzentriert. Ungefähr 0,008 Mikrocurie, absorbiert im Knochenmark, ist die maximal verträgliche Dosis. Alles darüber hinaus gilt als giftig. Extrem feine Plutoniumpartikel (in der Größenordnung von Mikrogramm) können dazu führen Lungenkrebs wenn eingeatmet.

Andere Substanzen wie Ricin, Tetrodotoxin, Botulinumtoxin und Tetanustoxin sind in Dosen von (manchmal weit) unter einem Milligramm tödlich, andere (die Nervengifte, das Wulstlingtoxin) liegen im Bereich von wenigen Milligramm. Als solches ist Plutonium in Bezug auf die Toxizität nicht ungewöhnlich, selbst beim Einatmen. Darüber hinaus sind diese Substanzen innerhalb von Stunden bis Tagen tödlich, während Plutonium (und andere krebserregende Radioaktivstoffe) ein erhöhtes Krankheitsrisiko in Jahrzehnten in der Zukunft bieten. Erheblich größere Mengen können bei Verschlucken oder Einatmen eine akute Strahlenvergiftung und den Tod verursachen; Bisher ist jedoch kein Mensch bekannt, der sofort an der Inhalation oder Einnahme von Plutonium gestorben ist, und viele Menschen haben messbare Mengen an Plutonium in ihrem Körper.

Es muss jedoch beachtet werden, dass Plutonium im Gegensatz zu natürlich vorkommenden Radioisotopen wie Radium oder C-14 in großen Mengen (Hunderte Tonnen) hergestellt, konzentriert und isoliert wurde Kalter Krieg zur Waffenproduktion. Diese Lagerbestände, ob in Waffenform oder nicht, stellen ein erhebliches Problem dar, da sie im Gegensatz zu chemischen oder biologischen Mitteln durch kein chemisches Verfahren zerstört werden können. Ein Vorschlag zur Entsorgung von überschüssigem waffenfähigem Plutonium besteht darin, es mit hochradioaktiven Isotopen (z. B. verbrauchtem Reaktorbrennstoff) zu mischen, um die Handhabung durch potenzielle Diebe oder Terroristen abzuschrecken. Eine andere besteht darin, es mit Uran zu mischen und es zum Befeuern von Kernkraftwerken (der Mischoxid oder MOX-Ansatz). Dies würde nicht nur einen Großteil des Pu-239 spalten (und dadurch zerstören), sondern auch einen erheblichen Teil des Rests in Pu-240 und schwerere Isotope umwandeln, die das resultierende Gemisch für Atomwaffen unbrauchbar machen würden.

Abgesehen von Toxizitätsproblemen muss darauf geachtet werden, dass die Akkumulation von Plutoniummengen vermieden wird, die sich der kritischen Masse nähern, insbesondere weil die kritische Masse von Plutonium nur ein Drittel der von Uran-235 beträgt. Obwohl sie nicht durch äußeren Druck eingeschränkt wird, wie es für eine Atomwaffe erforderlich ist, wird sie sich dennoch selbst erhitzen und jede einschränkende Umgebung, in der sie sich befindet, durchbrechen. Die Form ist relevant; kompakte Formen wie Kugeln sind zu vermeiden. Plutonium in Lösung bildet eher eine kritische Masse als die feste Form (aufgrund der Moderation durch den Wasserstoff in Wasser). Eine nukleare Explosion im Waffenmaßstab kann nicht zufällig auftreten, da sie eine stark überkritische Masse erfordert, um zu explodieren, anstatt einfach zu schmelzen oder zu fragmentieren. Eine geringfügig kritische Masse verursacht jedoch eine tödliche Strahlendosis und hat dies in der Vergangenheit auch mehrfach getan.

Kritische Unfälle sind in der Vergangenheit schon vorgekommen, teilweise mit tödlichen Folgen. Der unvorsichtige Umgang mit Wolframcarbidsteinen um eine 6,2 kg schwere Plutoniumkugel führte am 21. August 1945 in Los Alamos zu einer tödlichen Strahlendosis, als der Wissenschaftler Harry K. Daghlian, Jr. eine Dosis erhielt, die auf 510 Rems (5,1 Sv) geschätzt wurde starb vier Wochen später. Neun Monate später starb ein anderer Wissenschaftler aus Los Alamos, Louis Slotin, an einem ähnlichen Unfall mit einem Berylliumreflektor und genau demselben Plutoniumkern (dem sogenannten „Dämonenkern“), der zuvor Daghlian das Leben gekostet hatte. Diese Vorfälle wurden im Film von 1989 fiktionalisiert Dicker Mann und kleiner Junge . 1958 bildete sich bei der Reinigung von Plutonium in Los Alamos in einem Mischbehälter eine kritische Masse, die zum Tod eines Kranführers führte. Andere Unfälle dieser Art haben sich in der Sovietunion , Japan , und viele andere Länder. (Siehe Liste der nuklearen Unfälle.) Der Unfall von Tschernobyl im Jahr 1986 verursachte eine große Freisetzung von Plutonium.

Metallisches Plutonium ist auch brandgefährlich, insbesondere wenn das Material fein verteilt ist. Es reagiert chemisch mit Sauerstoff und Wasser, was zu einer Ansammlung von Plutoniumhydrid, einer pyrophoren Substanz, führen kann; das heißt, ein Material, das sich bei Raumtemperatur an der Luft entzündet. Plutonium dehnt sich beträchtlich aus, wenn es oxidiert, und kann daher seinen Behälter zerbrechen. Die Radioaktivität des brennenden Materials ist eine zusätzliche Gefahr. Magnesiumoxidsand ist das wirksamste Material zum Löschen eines Plutoniumbrandes. Es kühlt das brennende Material, wirkt als Wärmesenke und blockiert auch Sauerstoff. Auch Wasser ist wirksam. 1969 kam es in der Rocky Flats Plant in der Nähe von Boulder, Colorado, zu einem großen, durch Plutonium ausgelösten Brand. Um diese Probleme zu vermeiden, sind besondere Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, um Plutonium in jeglicher Form zu lagern oder zu handhaben. im Allgemeinen ist eine trockene inerte Atmosphäre erforderlich.

Plutonium in der Fiktion

Plutonium war die Energiequelle für die Zeitmaschine von De Lorean Zurück in die Zukunft Erzeugung von 1,21 „Jigowatt“ Strom für zeitliche Verschiebung.

Marvin der Marsianer verwendete den Weltraummodulator Pu-239 in den Looney-Tunes-Cartoons.

Die Entdeckung einer unmögliches Isotop , 186 Pu, ist der Ausgangspunkt für die Handlung von Isaac asimov Science-Fiction-Roman, Die Götter selbst .