Plutonium – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

Zum ganzen Periodensystem

Vorkommen und Gewinnung

In der Natur kommt Plutonium praktisch nicht vor. Spuren entstehen in Uranerzen, wenn Neutronen auf Uran-238 treffen, und vom langlebigsten Isotop Plutonium-244 mit einer Halbwertszeit von rund achtzig Millionen Jahren sind allenfalls allerkleinste Reste aus der Frühzeit der Erde erhalten. Fast alles heutige Plutonium stammt aus Kernreaktoren. Dort fängt Uran-238 ein Neutron ein, wird zu Uran-239 und wandelt sich über Neptunium-239 durch zwei Betazerfälle in Plutonium-239 um. Ein Teil davon wird im Reaktor gleich wieder gespalten. Aus abgebrannten Brennelementen lässt sich Plutonium chemisch abtrennen, das nennt man Wiederaufarbeitung.

Seaborg, McMillan, Joseph Kennedy und Arthur Wahl beschossen 1940 Uran mit Deuteronen, den Kernen des schweren Wasserstoffs, und erzeugten so zunächst Plutonium-238. Anfang 1941 wiesen sie chemisch ein neues Element nach. Wenig später zeigte sich, dass sich Plutonium-239 spalten lässt. Wegen des Krieges blieb die Entdeckung geheim und wurde erst danach bekanntgegeben. Der Name setzt die Reihe Uranus, Neptun, Pluto fort. Das Symbol Pu soll Seaborg scherzhaft vorgeschlagen haben, und niemand widersprach.

Eigenschaften und Reaktionen

Plutonium steht in Periode 7 und ist das sechste Actinoid, in der Tabelle in der Actinoiden-Zeile zwischen Neptunium links und Americium rechts. Die Elektronen sind als [Rn] 5f⁶ 7s² angeordnet, bei einer Elektronegativität von 1,28 und einem Atomradius von 175 pm. Das Metall hat eine Dichte von 19,84 g/cm³ und schmilzt bei 640 °C. Für ein so schweres Metall ist das niedrig. Plutonium siedet bei 3228 °C. Als Atommasse gilt 244 u, die Massenzahl des langlebigsten Isotops Plutonium-244.

Das Metall läuft an der Luft rasch an und überzieht sich mit einer gelblichen bis olivgrünen Oxidschicht. Als Pulver kann es von selbst Feuer fangen. Ungewöhnlich ist sein Aufbau: Bei normalem Druck bildet es sechs verschiedene Kristallformen, und die Dichte ändert sich beim Erwärmen sprunghaft. In Lösung können mehrere Oxidationsstufen von plus drei bis plus sechs nebeneinander bestehen und färben sie unterschiedlich.

Plutonium-239 hat eine Halbwertszeit von mehr als zwanzigtausend Jahren, Plutonium-238 nur rund neunzig Jahre. Beide senden Alphateilchen aus, deren Energie als Wärme anfällt. Ein größeres Stück Plutonium fühlt sich deshalb warm an.

Plutonium gilt als radiotoxisch. Seine Alphastrahlung durchdringt kein Papier und keine Haut, wirkt aber stark auf Gewebe, sobald der Stoff im Körper steckt. Eingeatmeter Staub lagert sich in der Lunge ab, aufgenommenes Plutonium in Knochen und Leber, wo es das Gewebe über Jahre bestrahlt und Krebs auslösen kann. Hinzu kommt die chemische Giftigkeit eines Schwermetalls. Man handhabt es nur in dichten Handschuhkästen und in Mengen, bei denen keine Kettenreaktion in Gang kommen kann.

Reaktorbrennstoff, Raumsonden und Geschichte

In Reaktoren liefert Plutonium-239 einen erheblichen Teil der Energie. Aus abgetrenntem Plutonium und Uran pressen manche Länder Mischoxid, kurz MOX, zu Brennelementen für Leichtwasserreaktoren.

Plutonium-238 sendet vor allem Alphateilchen aus, die in Wärme übergehen. Eine Kapsel mit Plutonium-238-Oxid erzeugt deshalb jahrzehntelang Wärme, die Thermoelemente ohne bewegte Teile in Strom umwandeln. Solche Radionuklidbatterien versorgen die beiden Voyager-Sonden, die seit 1977 unterwegs sind, sowie die Marsrover Curiosity und Perseverance, die so unabhängig von Sonnenlicht, Nacht und Staubstürmen arbeiten. Die Kapseln sind so gebaut, dass sie auch bei einem Fehlstart unversehrt bleiben sollen.

In der Geschichte der Kernwaffen spielt Plutonium ebenfalls eine Rolle. Es entstand im Zweiten Weltkrieg in großen Reaktoren der USA. Der erste Kernwaffentest im Juli 1945 in New Mexico und die Bombe, die im August 1945 auf Nagasaki fiel, beruhten auf Plutonium und seiner Kettenreaktion. Im Kalten Krieg entstanden große Bestände, die Abrüstungsverträge seither zu begrenzen versuchen.

Kurz gefragt

Welche Ordnungszahl hat Plutonium (Pu)?

Häufige Fragen