Plutonium: Het element

Plutonium is een zwaar metaal met een metallic zilvergrijs uiterlijk. Blootgesteld aan lucht, ontstaat door oxidatie een matte oxide laag die 70% in volume toeneemt, en daardoor afbladert en verandert in poeder die reeds bij kamertemperatuur spontaan in brand kan vliegen. Plutonium is niet los te zien van de toepassing in nucleaire wapens. G T. Seaborg en E. McMillan hebben in 1940 voor het eerst plutonium gemaakt door bestralen van uranium-238 met deuteronen (één proton en één neutron).

Plaats van plutonium in het periodiek systeem

Plutonium is een transurane (zwaarder dan uranium) radioactief element met symbool Pu en atoomnummer 94. Het is een actinide. Het element komt voor in zes allotropen en vier oxidatie toestanden. Het reageert met koolstof, halogenen, stikstof, silicium en waterstof. Het is radioactief en kan zich ophopen in de botten.

De halveringstijd van plutonium van ongeveer 80 miljoen jaar is lang genoeg om nog in kleine hoeveelheden voor te komen in de natuur. Plutonium is een product van kernreacties, omdat vrijgekomen neutronen door kernsplijting van uranium-238 andere uranium-238 kernen beschieten die daardoor transformeren in plutonium.

Algemene eigenschappen van elementair plutonium

Chemische eigenschappen van elementair plutonium

Fysische eigenschappen van elementair plutonium

Mechanische eigenschappen van elementair plutonium

Isotopen van plutonium

Er zijn twintig bekende radioactieve plutonium isotopen. Plutonium-244, met een halfwaardetijd van 80 miljoen jaar, plutonium-242, met een halfwaardetijd van 373300 jaar en plutonium-239, met een halfwaardetijd van 24110 jaar. Resterende radioactieve isotopen hebben halfwaardetijden van minder dan 7000 jaar.

De primaire verval modes van isotopen met lagere massa dan de stabielste isotoop, plutonium-244, splijten spontaan met α deeltjes (heliumkernen) uitstoot. Daarbij zijn vooral uranium (92protons) en neptunium (93 protonen ) de vervalproducten.
De primaire verval modus voor isotopen met massa nummers boven plutonium-244 is β- emissie (electron), hierbij is vooral americium (95 protonen) het vervalproduct.

Plutonium-241 vervalt tot americium-241 via β (elektron) emissie.
Plutonium-238 en 239 zijn de meest geproduceerde isotopen.

Neutronen uit de splijting van uranium-235 worden opgevangen door uranium-238 kernen om uranium-239 te vormen; een bèta-verval zet een neutron in een proton aan Np-239 te vormen en een andere beta-verval vormt plutonium-239.
Plutonium-238 wordt gesynthetiseerd door het bombarderen van uranium-238 met deuteronen, (de kernen van zwaar waterstof) :

Verval warmte

Plutonium isotopen ondergaan radioactief verval, waarbij vervalwarmte vrijkomt (Watt / kg). Bij een grotere massa plutonium en onvoldoende warmteafvoer kan dat leiden tot oververhitting.

De stabielste isotopen van plutonium

Plutonium en Allotropie

Plutonium heeft zes allotropen: alpha (α), beta (β), gamma (γ), delta (δ),delta prime (δ'), & epsilon (ε). Deze allotropen, de verschillende kristalstructuren waarin het element kan voorkomen afhankelijk van temperatuur en druk, hebben variërende dichtheden en eigenschappen. Hierdoor is plutonium gevoelig voor veranderingen in temperatuur en druk. Er treden volume veranderingen op bij de fase overgangen van de ene naar de andere toestand. De dichtheden van de verschillende structuren variëren van 16,00 g/cm3 tot 19,86 g/cm3.

De allotropie maakt het bewerken van plutonium moeilijk, omdat de eigenschappen van plutonium bepaald worden door de structuur en die is veranderlijk. Bijvoorbeeld de α (alfa) structuur bestaat bij kamertemperatuur en heeft bij het bewerken kenmerken van ijzer, maar gaat over in de kneedbare β (beta) vorm bij iets hogere temperatuur.
Plutonium met de delta (δ) structuur bestaat in het interval 310 ° C tot 452 ° C. De delta fase is sterk en buigzaam als aluminium.

Het voorkomen van plutonium

Sporen van drie plutonium isotopen (plutonium-238, 239, en 244) komen voor in de natuur. Plutonium-239, is een natuurlijke vervalproduct van uranium in uranium ertsen.
De sporen van 239Pu ontstaan op de volgende manier:
238U ondergaat spontane splijting en zendt vrije neutronen uit. Wanneer een van deze neutronen wordt ingevangen in de kern van een andere atoom 238U, ontstaat uranium (239U), 239U vervalt tot neptunium (239Np), en vervolgens vervalt 239Np tot 239Pu.

Plutonium sporen in het menselijk lichaam zijn een gevolg van meer dan 500 nucleaire proeven in 25 jaar, en een aantal nucleaire ongevallen. Meeste kernproeven werden gestopt in 1963, door de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk, de Sovjet-Unie. Omdat het voor kernwapens en nucleaire reactoren is gemaakt is plutonium (239Pu) uiteraard het meest voorkomende plutonium. 239Pu, met een halfwaardetijd van 24200 jaar. Het wordt geproduceerd in grote hoeveelheden in kernreactoren.

Kenmerkende eigenschappen van plutonium

Physical properties

Plutonium, zoals de meeste metalen, heeft een lichte zilverachtige glans en lijkt op nikkel, maar het oxideert snel naar grijs, hoewel geel en olijfgroen ook voorkomen. Bij kamertemperatuur heeft plutonium de α structuur. Dit is de meest voorkomende structurele vorm van het element is ongeveer zo hard en bros als grijs gietijzer tenzij het is gelegeerd met andere elementen die het metaal zacht en kneedbaar maken. Afwijkend van andere metalen is het een slechte geleider van warmte en elektriciteit. Het heeft een laag smeltpunt (640 °C) en een relatief hoog kookpunt (3.228 °C).

Alfaverval wil zeggen de ontsnapping van helium kernen, het is de meest voorkomende vorm van radioactief verval van plutonium. 5 kg massa 239Pu bevat ongeveer 12,5 × 10↑24 atomen. Met een halfwaardetijd van 24100 jaar, vervallen ongeveer 11,5 × 10↑12 atomen per seconde door het uitzenden van 5,157 MeV alfadeeltjes. Dit komt neer op 9,68 watt aan vermogen. Warmte geproduceerd door de wrijvings weerstand van deze alfa-deeltjes verwarmen het stuk metaal van binnenuit.

Kernsplijting

Plutonium is een radioactief metaal, waarvan isotoop plutonium-239, een van de drie primaire splijtbare isotopen is, uranium-233 en uranium-235 zijn de andere twee. Splijtbaar houdt in dat de atoomkern van de isotoop geneigd is om in stukken te breken (splijten) als hij geraakt wordt door (thermische) neutronen en waarbij genoeg extra neutronen vrij komen om een nucleaire kettingreactie gaande te houden.

Tijdens splitsing, een fractie van de bindingsenergie, die een kern bijeen houdt, komt vrij als elektromagnetische en kinetische energie. Splijting van een kilo plutonium-239 kan een explosie gelijk aan 21.000 ton TNT (88.000 GJ) produceren. Het is deze energie die plutonium-239 bruikbaar maakt in kernwapens en reactoren.

Plutonium-240 heeft een relatief hoge spontane splijting snelheid waardoor de vrije neutronen dichtheid toeneemt en waardoor het risico van pre detonation wordt verhoogd.
Wapen-plutonium bevat minder dan 7% plutonium-240. Brandstof- plutonium bevat van 7% tot 19%, en de energiecentrale-plutonium bevat 19% of meer plutonium-240. Plutonium, met minder dan 4% van plutonium-240, wordt gebruikt in US Navy wapens opgeslagen in schepen en onderzeeboten, wegens de lagere radioactiviteit.

Het Manhattan project

Tijdens de Tweede Wereldoorlog was het Manhattan Project belast met het ontwikkelen van de atoombom. De eerste productie-reactor die plutonium-239 maakte was de X-10 Graphite Reactor in 1943.

E. Segrè in Los Alamos ontdekte dat in de reactor gemaakte plutonium een hogere concentratie van de isotoop plutonium-240 had dan in de cyclotron -geproduceerde plutonium. Plutonium-240 heeft een hoge spontane splijting snelheid, het verhoogt de neutronen dichtheid van het plutonium monster. Van het originele "gun" plutonium wapen "Thin Man", werd daarom afgezien omdat de toename van het aantal spontane neutronen betekende dat een ongecontroleerde nucleaire pre-detonatie (te vroege ontsteking) zou kunnen optreden.
Het ontwerp van het plutonium wapen in Los Alamos werd veranderd in de implosie methode met als resultaat de "Fat Man"'.

De Hanford B Reactor, is de eerste industriële kernreactor in maart 1945. Deze reactor produceerde de splijtstof voor de plutonium wapens gebruikt tijdens de Tweede Wereldoorlog.

Trinity en Fat Man atoombommen
De eerste plutoniumbom, codenaam "Trinity" ontplofte op 16 juli 1945, in New Mexico. Het gebruikte plutonium als splijtstof. Het implosie ontwerp gebruikt conventionele explosieven om plutonium te comprimeren tot een kritische massa. Het wapen woog meer dan 4 ton, het gebruikt slechts 6,2 kg plutonium. Ongeveer 20% van het plutonium in het Trinity wapen ondergaat splitsing, waardoor een explosie ontstaat met een energie gelijk aan 20.000 ton TNT. Een identiek model werd gebruikt in de 'Fat Man' atoombom op Nagasaki, De "Little Boy" bom, gedropt op Hiroshima drie dagen eerder, gebruikte uranium -235.

Verdere toepassingen van plutonium

Thermo-elektrische radio-isotopengenerator (RTG).

Plutonium-238 heeft een halfwaardetijd van 88 jaar en zendt alfadeeltjes uit. Het is een warmtebron in radio-isotoop thermogeneratoren, gebruikt om ruimtevaartuig van energie te voorzien. In ruimtesondes zoals Voyager, Galileo en Cassini wordt stroom opgewekt door verval van plutonium-238, een z.g.n. thermo-elektrische radio-isotopengenerator (RTG). Apparatuur die door het Apolloprogramma op de maan is achtergelaten werkt op zo'n RTG. De plutonium isotoop 238Pu een alfa (α) emitter met een halfwaardetijd van 87 jaar. Deze kenmerk maakt 238Pu geschikt voor het opwekken van elektriciteit voor apparaten die moeten functioneren zonder onderhoud, gedurende bijvoorbeeld een mensenleven lang. Het wordt daarom gebruikt in de RTG's zoals het voeden van de Galileo en Cassini ruimtesondes. Plutonium-238 werd gebruikt op de Apollo-14 maan vlucht in 1971 aan de macht seismische apparatuur en andere apparatuur achtergelaten op de maan, en het was ook de energiebron van de twee Voyagers Supercraft gelanceerd in 1977.

De isotoop plutonium-239 is de splijtingscomponent in kernwapens. Inkapselen van de plutonium kern in een dicht materiaal, vermindert de hoeveelheid plutonium nodig om een kritische massa te bereiken, wegens terugkaatsing in de plutoniumkern van ontsnappende neutronen.

Maatregelen moeten worden genomen om ophoping van kleinere hoeveelheden plutonium te voorkomen. Compacte vormen zoals samenvoegen tot een bol moet vermeden worden. De inwendige radioactiviteit neemt toe met de massa en daarmee de warmte-ontwikkeling met alle gevaren van dien.

Recyling brandstof voor kernreactor

Door het splijten van atoomkernen van uranium-235 en plutonium-239, ontstaan radioactieve afvalstoffen, die het kernsplijtingsproces tegenwerken. Na een paar jaar jaar wordt de splijtstof uit de reactor gehaald en vervangen door nieuwe. De samenstelling van oude splijtstof is:

1. circa 94 % uranium
2. circa 1 % plutonium
3. circa 5% radioactief afval

1 en 2 worden opnieuw gebruikt. Dus totaal 95 % van de gebruikte splijtstof wordt teruggewonnen voor hergebruik. 5 % wordt als radioactief afval opgeslagen.

Herverrijkt gerecycled uranium MOX

In gebruikte splijtstof is het grootste deel van het splijtbare uranium-235 verbruikt voor energieproductie. Het teruggewonnen uranium heeft nog slechts 1% splijtbaar uranium-235. Het wordt opnieuw verrijkt. Na verrijking worden er weer splijtstofstaven van gemaakt voor gebruik in de kerncentrale. Om ook plutonium als reactorbrandstof te kunnen hergebruiken wordt het met verarmd uranium verdund tot het dezelfde eigenschappen heeft als bruikbaar verrijkt uranium. Dat mengsel van plutonium en verarmd uranium wordt mengoxide (MOX) genoemd.

Militair uranium en MOX brandstof

Door de nucleaire ontwapening is veel hoogverrijkt uranium overtollig. Teruggewonnen verarmd uranium wordt nu verrijkt door menging met hoogverrijkt militaire uranium.
MOX-splijtstof is in gebruik sinds de jaren 1980 en wordt veel gebruikt. In 2000 besloten de VS en zich elk te ontdoen van 34 ton wapen- plutonium. De Amerikaanse ministerie van Energie wil de 34 ton wapen-plutonium in de Verenigde Staten verkopen door het omzetten van het plutonium in een MOX-brandstof om te worden gebruikt in commerciële nucleaire energiecentrales.

De isotoop plutonium-238 heeft een halfwaardetijd van 87,74 jaar. Deze alfastraler wekt grote hoeveelheid thermische energie op. Het combineert een hoge energie-straling met een lage penetratie waardoor een minimale afscherming is vereist. Een vel papier kan worden voor het afschermen tegen alfa-deeltjes uitgezonden door plutonium-238. Een kilo van de isotoop genereert ongeveer 570 watt aan warmte.

Deze kenmerken maken het zeer geschikt voor het opwekken van elektriciteit voor apparaten die decennia moeten functioneren zonder direct onderhoud. Het wordt daarom gebruikt in radio-isotoop thermo generatoren zoals in de Cassini, en Voyager.
De twee Voyager ruimtesondes gelanceerd in 1977, hebben elk een 500 watt plutonium stroombron. Meer dan 30 jaar later, produceert elke bron nog ongeveer 300 watt die werking van het ruimtevaartuig nog steeds mogelik maakt.

Plutonium-238 is ook met succes gebruikt voor het aandrijven kunsthart pacemakers. Het is grotendeels vervangen door op lithium-gebaseerde cellen, maar vanaf 2003 zijn er tientallen plutonium-aangedreven pacemakers geïmplanteerd en functioneren in patiënten.

Plutonium-238 wordt onderzocht als een manier om duikers warm te houden.

Het benaderen van de kritische massa

Er moet op worden gelet dat het bij elkaar brengen van plutonium buiten de nucleaire wapens geen kritische massa wordt benaderd. Een kritische massa van plutonium zendt een dodelijke hoeveelheden neutronen uit. Voordat men door kennis voorschriften had ontwikkeld heeft overdosis straling meerdere wetenschappers het leven gekost.

Brandbaarheid

Metalliek plutonium is brandgevaarlijk, zeker als het fijn wordt verdeeld. In een vochtige omgeving, plutonium vormt hydriden op het oppervlak, die pyrofoor zijn en bij kamertemperatuur kunnen ontbranden. Plutoniumoxide heeft een 70% grotere volume dan plutonium en daarmee kan de verpakking breken. Speciale voorzorgsmaatregelen zijn nodig om plutonium op te slaan; het beste is een droge atmosfeer en in een inert gas.

Transport van plutonium

Gebruikelijk is het transport van plutonium als stabiele plutoniumoxide in verzegelde pakketten, met een totaal gewicht tot 200 kg, in een beschermde zeecontainer op een vrachtwagen. Een zeezending kan uit meerdere zeecontainers bestaan.

De VS slaat het vervoer toe van plutonium door de lucht, met inachtneming van speciale voorschriften, In 2012 melden de media dat plutonium uit Noorwegen is vervoerd met een passagiersvliegtuig. Tot 15 gram splijtbaar plutonium kan zonder risico vervoerd worden volgens Noorse adviseurs.

Invloed van plutonium op milieu en volksgezondheid

• Er zijn twee schadelijke effecten van plutonium: de radioactiviteit (nadruk op bestraling) en de toxiciteit (nadruk op chemie).
• Plutonium komt terecht in de atmosfeer door testen van kernwapens en door ongevallen met nucleaire installaties. Wanneer plutonium vrijkomt in de atmosfeer zal het weer op aarde vallen en in de bodem zakken, en uiteindelijk in het grondwater terecht komen. Planten absorberen plutonium, maar niet genoeg om te hoge concentratie plutonium in de voedselketen op te bouwen.
• Tijdens het verval van plutonium worden drie typen straling alfa, beta en gamma. Alfastraling kan slechts een korte afstand afleggen en kan niet door de menselijke huid dringen. Beta straling kan de menselijke huid binnendringen, maar komt niet ver in het lichaam. Gammastraling kan de hele weg door het lichaam gaan.
• De alfastraling van plutonium kan de huid niet doordringen, maar kan de inwendige organen bestralen wanneer plutoniumstof wordt ingeademd of ingeslikt. Aanzienlijk grotere hoeveelheden plutonium kan acute stralingsziekte en de dood veroorzaken als het worden ingeslikt of ingeademd. Echter, tot nu toe, is geen geval bekend van iemand die is overleden als gevolg van het inademen of inname van plutonium.
• Slechts 0,04% van plutonium oxide wordt geabsorbeerd door het lichaam na inname. Plutonium wordt langzaam uitgescheiden met een biologische halfwaardetijd van 200 jaar. Absorptie door inname en opname in de bot structuur verloopt langzaam. kortom we raken het moeilijk kwijt.
• Plutonium is gevaarlijker bij inademing dan bij inname. Het risico op longkanker neemt toe. Bij inademen kan plutonium overgaan in de bloedbaan. Eenmaal in de bloedbaan, beweegt plutonium door het lichaam en komt terecht in botten, lever en andere organen. Plutonium dat lichaamsorganen bereikt blijft in het lichaam voor tientallen jaren en blijft het omliggende weefsel bestralen en kan kanker veroorzaken.
• Door natuurlijk verval van uranium komen sporen van plutonium van nature voor in uranium-rijke ertsen. De mens produceert het grootste deel van de het plutonium. Jaarlijkse wereldwijde productie van plutonium is circa 50 ton en er is zo'n 1.000 ton in de opslag, als nucleaire wapens of als metalen reactorstaven.
• Plutonium wordt soms beschreven in de media als de meest giftige stof die de mens kent, dat is onjuist. Vanaf 2003 is nog geen enkele menselijke dood toegeschreven aan plutonium. Natuurlijke radium is 200 keer meer radiotoxisch dan plutonium. Sommige organisch giften, zoals botulisme toxine, zijn vele malen giftiger dan plutonium.
• Plutonium kan de natuurlijke weerstand tegen ziekten verstoren ​​en de radioactiviteit van plutonium kan voortplantingsproblemen veroorzaken.
• Omdat plutonium geen gammastraling uitzendt, zijn het effect op de gezondheid tijdens het werk minimaal, (tenzij ingeademd of ingeslikt). Blootstelling van mensen aan plutonium is niet waarschijnlijk.