94  Pu
Plutonium 


Voorkomen
Naam
Ontdekking
Bereiding vroeger
Bereiding nu
Toepassingen en toelichting
Overige toepassingen

 

 

 

VOORKOMEN

Plutonium komt slechts heel weinig (ca. 2.10-19 %) voor in de natuur. Het wordt in uiterst kleine hoe­veel­heden aange­troffen in een aantal uraanertsen, waarin het kan ontstaan als 238U neutronen invangt. De totale natuurlijke hoeveelheid wordt geschat op enkele grammen. Plutonium is ook gevonden in materiaal afkomstig van meteorieten.

Tengevolge van kernproeven in de atmosfeer en ongelukken met kernreactoren is er ongeveer 3 ton plutonium vrijgekomen. 

NAAM

De naam is afgeleid van de planeet Pluto, die ge­noemd is naar de Griekse god van de rijkdommen van het binnenste der aarde, later vooral de god van de onderwe­reld. De planeet kreeg die naam omdat de twee eerste letters overeen­kwa­men met de initialen van de stichter van de sterrenwacht te Flagstoff, Percival Lowell, waar deze planeet werd ontdekt. 

De naam voor het element werd gekozen omdat de planeet Pluto na Neptunus komt en plutonium als element volgt op neptunium. De naam plutonium was in 1816 door E.D. Clarke ook voorgesteld voor het element barium.

ONTDEKKING

Plutonium werd in 1940 ontdekt door G. T. Seaborg, A. C. Wahl, E. M. MacMillan en J. W. Kenne­dy  (Berkeley Universiteit - CaliforniŰ) als vervalproduct van het eerder ontdekte element neptunium. Zij konden dit element bereiden door uraan in een cyclotron met neutro­nen of deute­ronen te bombar­deren:

 

                           

                                      

                          

 

Door verdere invang van neutronen ontstaan ook 240Pu en 241Pu.

 

of:

 

                     

                     

          

BEREIDING VROEGER

In de Tweede Wereldoorlog werd plutoni­um bereid door grote hoeveelheden uraan te bombarde­ren met neutronen. Dit vond plaats bij de ontwikkeling van de atoombom in het zogenoem­de Manhattan-project, waarin veel geleerden samenwerkten. Het plutonium kon van het neptuni­um geschei­den worden vanwege het verschil in eigen­schappen bij de oxidatie met bromaat. In 1942 werd plutonium ge´soleerd op micro­gram­schaal. Een schaalver­groting van 1010 was noodza­kelijk om de vereiste hoeveel­heid plutonium voor de eerste atoombom te bereiden.

Na de bouw van de eerste kernreactor kon plutonium in grotere hoeveelheden worden verkregen door opwerking van de gebruikte splijtstofstaven.

BEREIDING NU

Plutonium (vnl. 239Pu) wordt gewonnen uit gebruikte splijtstofelementen van kernreactoren. Een gemiddelde kernreactor levert jaarlijks ongeveer 200 kg 239Pu op. Het plutonium kan uit de splijtstofelementen worden ge´soleerd doordat plutoniumnitraat complexe verbindingen vormt met tributylfosfaat, waarmee de staven worden geŰxtraheerd. 

De verkregen splijtstof is geschikt voor kernreactoren, maar vanwege de verontreiniging met andere plutoniumisotopen onge­schikt voor atoom­bommen. De splijtstof moet in dat geval eerst worden verrijkt of er moet direct zeer zuiver 239Pu gemaakt worden met behulp van zogenoemde zwaar-water-kweekreacto­ren (zie ook 92 - Uraan).

In dit type reactoren wordt meer splijtstof (bijvoorbeeld 239Pu) gewonnen dan er wordt verbruikt. In kernreactoren ontstaat jaarlijks ongeveer 20 ton plutonium. 

 

Het metaal kan worden bereid door het tri- of tetrafluoride te redu­ce­ren met natrium of calcium.

 

Er zijn inmiddels 15 isotopen van plutonium bekend, met een massagetal van 232 - 247 en halveringstijden van 20,9 min. tot 8,3. 107 jaar.

TOEPASSINGEN EN TOELICHTING

Nucleaire batterij (ruimtevaart)

Het isotoop 238Pu (gevormd door ) levert in kleine hoeveelhe­den zoveel warmte, dat via een thermo-elek­trisch-element (Pb/Te) elek­tri­sche energie kan worden geleverd. Het is een stabiele en zeer betrouwbare cel, die wordt gebruikt in satellieten. Deze cel diende ook als voeding bij het Apollo-project en voor seismische apparatuur in meetstati­ons op de maan.

Aanvankelijk werd deze batterij ook toegepast in pacema­kers (er was slechts 200 mg van een 238Pu-verbinding nodig!), maar ze wordt tegenwoordig niet meer voor dit doel gebruikt, vanwege de gevaren van plutonium.

238Pu wordt nog wel toegepast als warmtebron in een verwar­mingselement voor speciale diepzeeduikersuitrus­tingen.

 

Kernreactorbrandstof

Metallisch plutonium is ongeschikt voor kernreactoren, vanwege het lage smeltpunt van het metaal. Daarom wordt meestal plutoniumoxide (PuO2) gebruikt, eventueel in combi­natie met uraanoxide. Ook andere verbindingen zoals carbiden, nitriden en carboni­triden zijn bruikbaar. 239Pu wordt op grotere schaal bereid in snelle kweekreacto­ren.

OVERIGE TOEPASSINGEN

atoombom (239Pu; de kritieke massa is ca. 5,6 kg, wat over­een komt met een bol plutonium met een doorsnede van 8,2 cm; de kritieke massa veroorzaakt een explosie met het effect van ruim 100.000.000 kg TNT)

ouderdomsbepalingen, o.a. van meteorieten (verbindingen van 244Pu)