Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 01.04.16


Plutonium - Eigenschaften, Darstellung und Anwendung

Vortrag von Manuel Roder im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", W/S 09/10


Gliederung:

1 Entdeckung

2 Eigenschaften

3 Technische Darstellung und Aufreinigung
    
3.1 Darstellung in Hochtemperatur-Druckreaktoren
     3.2 Aufreinigung mittels PUREx-Verfahren

4 Anwendung


Am 9. August 1945 wird über Nagasaki die erste Plutonium-Bombe der Welt über bewohntem Gebiet abgeworfen. Ca. 73.000 Menschen sterben sofort, mehr als 100.000 sterben bis Jahresende an den Folgen der Explosion. Doch was macht Plutonium zu solch einem überaus gefährlichen Sprengstoff und welche sonstigen, möglicherweise nutzbaren, Eigenschaften besitzt es darüber hinaus noch?


1 Entdeckung

Glenn T. Seaborg und seine Forschungsgruppe beschossen 1940 238Uran mit Deuteron. Das dabei entstehende 238Neptunium zerfiel innerhalb weniger Tage zu 238Plutonium.

Abb. 1: Darstellung von 238Pu

Ein zweites Isotop konnte durch Beschuss mit schnellen Neutronen erzeugt werden.


Abb. 2: Darstellung von 239Pu


2 Eigenschaften

Plutonium ist ein silberfarbenes Metall mit  hoher Dichte (19,86 g/cm3), welches je nach Herstellungsprozess entweder spröde oder duktil ist. Ähnlich wie Wasser dehnt es sich beim Erstarren aus, weist jedoch die höchste Viskosität aller Elemente im geschmolzenen Zustand auf. Plutonium wirkt stark reduzierend und reagiert bei Kontakt sofort mit dem Luftsauerstoff, sowie der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit. Es sind bei Normaldruck 6 Kristallstrukturen bekannt, sowie eine Hochdruckmodifikation. Eine Abkühlung unter Raumtemperatur führt zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands. Plutonium befindet sich bezüglich der Elektronenkonfiguration an der Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen und hat die sowohl die höchste Kernladung, wie auch die höchste Atommasse aller natürlich vorkommenden Elemente.

Plutonium ist stark RADIOAKTIV! Durch die Selbstbestrahlung ändern sich die Eigenschaften dabei mit der Zeit drastisch (beispielsweise spröde/duktil). Zudem ist es extrem toxisch! Es wird im Knochenmark eingelagert, wo durch die Strahlenschäden Krebs entsteht. Zur Verdeutlichung: die letale Dosis bei Hunden liegt bei 0,32mg/kg Körpergewicht. Plutonium ist darüber hinaus mit schnellen Neutronen spaltbar, was es für den Einsatz in Kernkraftwerken und nuklearen Sprengköpfen nutzbar macht.


3 Technische Darstellung und Aufreinigung

3.1 Darstellung in Hochtemperatur-Druckreaktoren

Großtechnisch wird Plutonium in sog. "Brutreaktoren" gewonnen. Hierbei handelt es sich um Hochtemperatur-Druckreaktoren, die mit flüssigem Natrium als Kühlmittel arbeiten. Das in herkömmlichen Siedewasser-Reaktoren verwendete Wasser würde die Neutronen abbremsen und so den Prozess stoppen. Als Moderatoren werden in diesem Reaktortyp Stäbe aus Bor-Stahl eingesetzt.

Ähnlich wie bei Siedewasser-Reaktoren besitzen Hochtemperatur-Druckreaktoren mehrere Kreisläufe um das Austreten von Radioaktivität zu verhindern. Erst der letzte Wasserkreislauf dient der Stromgewinnung mittels durch Dampf angetriebener, und an einen Generator angeschlossener Turbinen.


 

Abb. 3: Schema Brutreaktor [2]

Die verwendeten Brennstäbe lassen sich in unterschiedliche Bereiche gliedern:

In der Mantelzone laufen die "Brutreaktionen" ab, es entsteht also Plutonium. In der Kernzone (Spaltungszone) laufen die Spaltprozesse ab, die die Neutronen für die Brutprozesse liefern.


Abb. 4: Schema Brennelementzonen

Im Betrieb entstehen sowohl Spaltprodukte, als auch die gewünschten Pu-Isotope. Für den militärischen Einsatz wird 239Pu benötigt. Ist der Anteil an 240Pu kleiner als 7% spricht man von waffenfähigem Plutonium. Um den Anteil der zu schweren Isotope möglichst gering zu halten darf die Reaktion nicht zu lange laufen, weswegen Brutreaktoren die Möglichkeit bieten, die Brennstäbe auch bei laufendem Betrieb zu entnehmen, und so den Anteil an 240Pu zu kontrollieren. Zusätzlich besteht jedoch trotzdem die Notwendigkeit der Aufreinigung um Reinelemente zu erhalten.

3.2 Aufreinigung mittels PUREx-Verfahren

PUREx steht für Plutonium-Uranium-Recovery-Extraction.

Zunächst werden die Brennstäbe in ca. 5 cm lange Stücke zersägt und in siedende Salpetersäure gegeben. Es entstehen Uranylnitrat UO2(NO3)2, Plutonium(IV)-Nitrat Pu(NO3)4 , sowie die Nitrate der Spaltprodukte und Aktiniden.

Die Abtrennung der Spaltprodukte und Aktiniden erfolgt mithilfe des Extraktionsmittels     TBP 30 (Tri-n-Butyl-Phosphat, verdünnt mit 70% Kerosin), welches in Anwesenheit von Salpetersäure die Nitrate des Plutoniums und Urans unter Komplexbildung löst. Die Nitrate der Spaltprodukte und Aktiniden verbleiben dagegen in der wässrigen Phase. Durch Abtrennung der organischen Phase können so Uran und Plutonium abgetrennt werden. Durch mehrmaliges hintereinanderschalten dieses Prozesses wird eine möglichst vollständige Trennung von Plutonium und Uran von den Spaltprodukten und Aktiniden erreicht.


Abb. 5: Schema des Purex-Prozesses [7]


4 Anwendung

Plutonium wird zivil in Kernreaktoren als Brennstoff zur Energiegewinnung, und militärisch in nuklearen Sprengköpfen eingesetzt. In zivilen Kernreaktoren wird jedoch kein reines Plutonium eingesetzt, sondern Brennstäbe mit unterschiedlichen Mischverhältnissen von Uranoxid und Plutoniumoxid, sogenannte MOX-Brennelemente. Laut Nuklearforum Schweiz beträgt  dabei der Anteil an Plutoniumoxid zwischen 7 und 8%.

Zur militärischen Anwendung benötigt man hochreines 239Pu, sog. waffenfähiges Plutonium. Allein die USA besitzen über 100 Tonnen. Russland, als alleiniger Halter des Plutoniums der ehemaligen UdSSR soll ähnliche Mengen besitzen. Aufgrund des nicht vermeidbaren Anteils an 240Pu, welcher bei der Darstellung in Brutreaktoren auf unter 7% gebracht wird, sind nukleare Sprengköpfe die mit diesem Spaltstoff arbeiten, auf das Implosionsdesign beschränkt. Hierbei befindet sich das spaltbare Material meist in Form einer Hohlkugel (Abb. 6, beide blauen Ringe) innerhalb einer Anordnung herkömmlicher Sprengsätze (beispielsweise TNT, Abb. 6, braune Rechtecke außen), deren Explosionswirkung nach innen, also in Richtung Plutonium-Hohlkugel gerichtet ist. Aufgrund der geometrischen Form der Hohlkugel erreicht der Spaltstoff dabei seine kritische Masse (noch) nicht. Durch gleichzeitige Zündung der Explosivstoffe wird die Hohlkugel verdichtet, die kritische Masse wird erreicht und es kommt zur Kernspaltung und demzufolge Detonation des Sprengkopfes. Um eine möglichst vollständige Detonation des Spaltstoffes zu erreichen werden zusätzlich Neutronenreflektoren (Abb. 6, violetter Ring) und Neutronenquellen (Abb. 6, roter Punkt in der Mitte) eingesetzt.


Abb. 6: Funktionsschema eines Implosionssprengkopfes [5]


5 Literatur:

  1. Riedel, Erwin: Anorganische Chemie, 6. Auflage, Walther de Gruyter GmbH & Co.KG Berlin, 2004
  2. http://www2.fz-juelich.de/ief/ief-6/index.php?index=92 (Stand: 19.10.2011) (verschollen)
  3. http://de.wikipedia.org/wiki/Plutonium (Stand: 20.10.2011)
  4. http://de.wikipedia.org/wiki/Kernwaffentechnik#Implosionsbombe (Stand: 20.10.2011)
  5. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e0/Implosion_bomb_animated.gif (Stand: 20.10.2011) (Autor: Fastfission, Lizenz: Public Domain)
  6. http://www.nuklearforum.ch/_upl/files/Mox-Brennstoff_dt.pdf (Stand: 20.10.2011)
  7. http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/p/purex-process.htm (Stand: 01.04.2016, Copyright: European Nuclear Society))

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 01.04.16