Plutonium

Plutonium, Symbol Pu, radioaktives metallisches Element mit der Ordnungszahl 94. Plutonium gehört zu den Transuranen in der Actinoidenreihe des Periodensystems.

Isotope des Plutoniums wurden erstmals von dem amerikanischen Chemiker Glenn T. Seaborg im Jahr 1941 hergestellt und untersucht. Später fand man auch Spuren dieses Elements in Uranerzen. Doch Plutonium wird hauptsächlich künstlich in Leichtwasserreaktoren erzeugt: Ein 1-Gigawatt-Leichtwasserreaktor erzeugt pro Jahr rund 250 Kilogramm des Transurans. Plutonium wird heutzutage als Abfallprodukt angesehen und ist nicht nur wegen seiner Radioaktivität und Toxizität eher unerwünscht. Experten befürchten eine Weiterverbreitung der Kernwaffentechnik, denn mit hochreinem Plutonium lassen sich Atombomben herstellen.

Plutonium lässt sich nur mühsam mit Hilfe von Mineralsäuren und organischen Phosphaten aus radioaktivem Abfall herauslösen. Eine etwas elegantere Methode entwickelten russische Forscher 2003. Sie behandelten radioaktiven Abfall in einer speziellen Reaktionskammer mit überkritischem Kohlendioxid. Als „überkritisch” wird der Zustand eines Stoffes bezeichnet, bei dem sich flüssig und gasförmig praktisch nicht mehr unterscheiden lassen. Dieser Zustand kann im Fall von Kohlendioxid durch entsprechend hohe Drücke erreicht werden. So verändert, besitzt Kohlendioxid außerordentliche Lösungseigenschaften. Die Forscher setzten dem Gemisch eine weitere chemische Substanz zu, die nur mit dem Plutonium einen Komplex bildet, der sich in Kohlendioxid löst. So herausextrahiert, konnten die russischen Chemiker das Plutonium zurückgewinnen. Auf ähnliche Weise lässt sich auch Uran recyceln.

Das silbrig schimmernde Plutoniummetall wird an der Luft infolge Oxidation leicht gelb. Es tritt in sechs Kristallformen auf und kann vier verschiedene Oxidationsstufen annehmen. Man kennt 15 Plutoniumisotope mit Massenzahlen von 232 bis 246. Die Halbwertszeiten dieser Isotope liegen zwischen 8,26 und 10 Millionen Jahren. Plutonium schmilzt bei rund 641 °C und siedet bei etwa 3 232 °C. Seine relative Dichte beträgt 19,84.

Das wichtigste seiner Isotope ist das langlebige Plutonium 239 (Ordnungszahl 94). Seine Halbwertszeit liegt bei 24 360 Jahren. Es entsteht beim Beschuss des Uranisotops °U mit langsamen Neutronen. Bei diesem Vorgang bildet sich zunächst Uran 239 (Ordnungszahl 93), das durch Emission eines Betateilchens in das Neptuniumisotop ±Np übergeht. Durch Emission eines weiteren Betateilchens entsteht daraus Plutonium 239 (Ordnungszahl 94).

Plutonium ist das wirtschaftlich bedeutendste der Transurane, weil die Atomkerne des Plutonium 239 leicht spaltbar sind. Es wird in Brutreaktoren in großen Mengen sowohl erzeugt als auch verwendet (siehe Kernenergie). Außerdem setzt man Plutonium beim Bau von Kernwaffen ein. Allerdings muss kernwaffenfähiges Plutonium 239 hochrein sein. Plutonium 239 ist aufgrund seiner starken und lang anhaltenden Radioaktivität eine extrem giftige Substanz (siehe biologische Strahlungswirkungen).

2002 fanden amerikanische Forscher heraus, dass die Plutoniumverbindung PuCoGa₅ bei 18,5 Kelvin (-254,5 °C) supraleitende Eigenschaften zeigt.