Plutonium ist ein chemisches Element, das als Kernbrennstoff bei der Herstellung von Atomwaffen verwendet wird. Obwohl in der Natur Spuren davon vorkommen, sind alle Plutoniumisotope künstlichen Ursprungs.
Zum ersten Mal wurden während des Zweiten Weltkriegs im Rahmen des Manhattan-Projekts nennenswerte Mengen Plutonium produziert. Ziel dieses Projekts war die Herstellung einer ausreichenden Menge an Material, um mithilfe der Kernenergie eine Atombombe zu entwickeln.
Wie ist Plutonium?
Plutonium ist ein radioaktives Metall, das in seinem reinen Zustand eine silbergraue Farbe aufweist, jedoch bei Kontakt mit Luft schnell oxidiert und dabei gelbe oder braune Töne annimmt. Es ist ein sehr dichtes und schweres Element mit einer Dichte von fast 19,8 g/cm³, ähnlich der von Uran.
Darüber hinaus hat es eine komplexe Kristallstruktur und kann in verschiedenen allotropen Formen vorkommen, was sein mechanisches und thermisches Verhalten ungewöhnlich macht.
Chemisch gesehen ist Plutonium hochreaktiv und kann verschiedene Oxide und Hydride bilden. Es löst sich in starken Säuren auf und kann aufgrund seines radioaktiven Zerfalls Wärme erzeugen, was es zu einem gefährlichen Stoff macht.
Sein bekanntestes Isotop, Plutonium-239, wird in Atomwaffen und Reaktoren als Brennstoff verwendet, da es leicht eine Kernspaltung durchführt. Aufgrund seiner Radioaktivität und Toxizität erfordert der Umgang damit strenge Sicherheitsmaßnahmen.
Wie wird Plutonium gewonnen?
Plutonium entsteht vor allem als Nebenprodukt der Kernspaltung in konventionellen Kernreaktoren.
Während des Reaktorbetriebs absorbiert Uran-238 Neutronen und wird in Uran-239 umgewandelt, das wiederum in Neptunium-239 und schließlich in Plutonium-239 zerfällt, ein spaltbares Isotop, das für die Produktion von Kernenergie und Atomwaffen von entscheidender Bedeutung ist.
Bestrahlter Brennstoff aus Kernreaktoren besteht hauptsächlich aus Uran (ungefähr 96 %) und einem kleinen Anteil Plutonium (weniger als 1 %) sowie anderen Spaltprodukten und Transuranen. Je nach gewählter Entsorgungsstrategie kann dieser verbrauchte Brennstoff als Abfall betrachtet oder zur Wiederverwendung recycelt werden.
Entsorgung abgebrannter Brennelemente
Für den Umgang mit Plutonium und anderen in abgebrannten Kernbrennstoffen vorhandenen Materialien gibt es zwei Hauptansätze:
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Offener Kreislauf (Endlagerung)
Bei diesem Ansatz wird abgebrannter Brennstoff als hochradioaktiver Abfall betrachtet und in langfristig sicheren Einrichtungen wie Abkühlbecken oder geologischen Tiefenlagern gelagert. Es wird kein Versuch unternommen, das im bestrahlten Material vorhandene Plutonium oder Uran zurückzugewinnen. -
Geschlossener Kreislauf (Wiederaufbereitung und Wiederverwendung)
Im geschlossenen Kreislauf werden abgebrannte Brennelemente einem mechanisch-chemischen Wiederaufbereitungsprozess unterzogen, der es ermöglicht, Plutonium und Uran von Spaltprodukten und anderen radioaktiven Elementen zu trennen. Zurückgewonnenes Plutonium kann zur Herstellung neuer Kernbrennstoffe wie MOX (einer Mischung aus Uran- und Plutoniumoxiden) verwendet werden. Auf diese Weise lässt sich die Nutzung nuklearer Ressourcen optimieren und die Menge hochradioaktiver Abfälle verringern.
Dieser Ansatz verlängert die Lebensdauer des Kernbrennstoffs und verringert die Notwendigkeit des Uranabbaus, bringt aber auch Herausforderungen in Bezug auf Kosten, Sicherheit und nukleare Nichtverbreitung mit sich.
Wo kommt es in der Natur vor?
Plutonium ist aufgrund der im Vergleich zum Alter der Erde kurzen Halbwertszeit seiner Isotope ein in der Natur äußerst seltenes Element. Allerdings wurden Spuren in Uranmineralien wie Uraninit gefunden, wo Uran-238 Neutronen einfangen und sich durch natürliche Kernreaktionen in Plutonium-239 umwandeln kann.
Ein bemerkenswertes Beispiel für die natürliche Plutoniumproduktion ereignete sich im Oklo-Reaktor in Gabun, wo vor zwei Milliarden Jahren die Bedingungen für spontane Kernspaltungsreaktionen in Uranvorkommen herrschten.
Darüber hinaus können durch die Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit schweren Elementen in der Erdatmosphäre oder -kruste geringe Mengen Plutonium entstehen.
Allerdings stammt ein Großteil des heute in der Umwelt nachgewiesenen Plutoniums aus Atomtests des 20. Jahrhunderts, bei denen Isotope wie Plutonium-239 und Plutonium-240 in die Biosphäre freigesetzt wurden.
Derzeit wird Plutonium hauptsächlich aus Kernreaktoren gewonnen, da sein Vorkommen in der Natur vernachlässigbar ist.
Das Plutoniumatom im Periodensystem
Plutonium (Symbol Pu) ist das 93. Element im Periodensystem, was bedeutet, dass seine Ordnungszahl 94 ist.
Es ist ein chemisches Element, das zur Reihe der Actiniden gehört. Plutonium hat 16 Isotope, alle davon radioaktiv. Physikalisch ist Plutonium ein silbernes Metall und hat 5 verschiedene Kristallstrukturen.
Chemisch gesehen ist es ein sehr aktives Material, das mit allen nichtmetallischen Elementen, außer Edelgasen, Verbindungen bilden kann. Das Metall löst sich in Säuren und reagiert mit Wasser, allerdings im Vergleich zu Säuren nur mäßig.
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Atommasse |
244 in |
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Normaler Zustand |
Solide |
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Dichte |
19816 kg/m3 |
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Schmelzpunkt |
912,5 K (639 °C) |
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Siedepunkt |
3505 K (3232 °C) |
Plutonium-239 und andere Isotope
Plutonium-239 ist ein spaltbares Isotop von Plutonium, das aus 145 Protonen und 54 Neutronen besteht. Es handelt sich um ein Isotop, das hauptsächlich zur Herstellung von Atomwaffen verwendet wird, aber auch als Kernbrennstoff in Leistungsreaktoren und in Forschungsprojekten zum Einsatz kommt.
Ein weiteres wichtiges Isotop ist Plutonium-238, das in Wärmequellen für Weltraumanwendungen und thermoelektrischen Wärmegeneratoren verwendet wird und in Herzschrittmachern eingesetzt wird.
Verwendung und Anwendung von Plutonium
Die wichtigsten Verwendungszwecke von Plutonium sind die folgenden:
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Kernbrennstoff für Kernkraftwerke.
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Radioisotopen-Thermoelektrische Generatoren . Ein thermoelektrischer Generator ist ein Gerät, das Wärme in Elektrizität umwandelt. Diese Technologie ist im großen Maßstab nicht praktikabel, aber für bestimmte Anwendungen nützlich, beispielsweise für künstliche Herzschrittmacher, Raumsonden und Raumfahrzeuge. In dieser Anwendung wird Plutonium-238 verwendet, da die von ihm abgegebene Strahlung keine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellt.
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Herstellung von Atombomben. Das hierfür verwendete Isotop ist Plutonium-239. Es wird verwendet, weil es einer Kernspaltung unterliegt. Bei nur sehr wenigen Isotopen kommt es zu einer Kernspaltung.
Umgang mit aus Kernreaktoren zurückgewonnenem Plutonium
Da im Brennstoff von Kernreaktoren Plutonium entsteht, spaltet es sich ebenfalls und trägt zusammen mit Uran zur Energieerzeugung bei.
Im abgebrannten Brennstoff verbleiben zwischen 7 und 8 Kilogramm unverbranntes Plutonium pro Tonne. Dieses bei der Wiederaufbereitung zurückgewonnene Plutonium kann verwendet werden, um Uran-235 in Kernbrennstoffen zu ersetzen, indem gemischte Uranoxid- und Plutoniumoxid-Pellets (MOX-Brennstoff) hergestellt werden.
MOX-Brennstoff kann angereicherten Uranbrennstoff in Leichtwasser-Kernreaktoren ersetzen.
Auswirkungen von Plutonium auf die Gesundheit
Plutonium ist ein giftiges und radioaktives chemisches Element. Die hauptsächlich von ihm abgegebene Strahlungsart ist Alphastrahlung, die nicht in die Haut eindringen kann.
Die Gefahr des Plutoniums liegt in seiner Radiotoxizität. Mit der Nahrung aufgenommene oder eingeatmete Alphateilchen können Lungenkrebs oder andere Krebsarten verursachen. In großen Mengen können sie eine akute Strahlenvergiftung oder sogar den Tod verursachen.
Ist Plutonium erst einmal im Körper, bleibt es dort für lange Zeit.
Die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen Plutonium ausgesetzt sind, ist sehr gering. Sollte dies passieren, liegt es meist an der Handhabung.