plutonium

Plutonium, radioaktivt, metallisk grunnstoff som tilhører actinoidene i grunnstoffenes periodesystem. Plutoniummetall er sølvglinsende og meget hardt og sprøtt ved romtemperatur. Det eksisterer i 6 forskjellige polymorfe modifikasjoner. β-modifikasjonen, som er stabil over 115 °C, er tilstrekkelig duktil til at man kan forarbeide den maskinelt.

Det er identifisert plutonium-isotoper med nukleontall fra 228 til 247. Den lengstlevende er ²⁴⁴Pu med en halveringstid 8,00·10⁷ år. ²³⁹Pu er den viktigste fordi den kan fremstilles i store mengder (kilogram), har relativt lang halveringstid,24110 år, og fisjonerer ved bestråling av både termiske og hurtige nøytroner. Disse forholdene gjør at nukliden tjener som brensel i kjernereaktorer eller som sprengstoff i atombomber. Ved fisjon vil et kilo plutonium avgi en energimengde som tilsvarer 22·10⁶ kilowatt-timer som varme.

I naturen er det påvist meget små mengder av ²³⁹Pu i uranmineraler som bekblende og carnotitt. I disse mineralene er ²³⁹Pu dannet ved naturlige kjernereaksjoner hvor ²³⁸U fanger inn nøytroner fra spontan fisjon av ²³⁵U og fra andre kilder. Som et resultat av slike prosesser antas plutonium å utgjøre 2·10^–19 % av jordskorpen.

Plutonium løser seg lett i konsentrert saltsyre, men vanskelig i oksiderende syrer. I vandige løsninger kan plutonium inngå i 5 forskjellige oksidasjonstrinn: Pu³⁺ (blåfarget), Pu⁴⁺ (oransjebrunt), plutonyl(V)ionet, PuO⁺, (svakt fiolett), plutonyl(VI)ionet (oransjerødt) og PuO₆^5– eller PuO₅^3– i oksidasjonstrinn VII (grønn). Plutonium danner oksidene PuO og PuO₂ og en rekke intermediære oksidfaser. Oksidasjonstrinn IV er det mest stabile.

I uranreaktorer blir det tilnærmet dannet et atom ²³⁹Pu for hvert atom ²³⁵U som fisjonerer. Naturlig uran inneholder bare 0,7205 % av ²³⁵U. Det vil derfor dannes relativt små mengder av plutonium i reaktorer basert på naturlig uran, men brenslet er vanligvis anriket ²³⁵U. Plutonium skilles fra etter at reaktorbrenslet først er blitt lagret i flere måneder for at sterkt radioaktive fisjonsprodukter skal desintegrere. Separeringen består av sammensatte kjemiske prosesser (Purex-prosessen o.a.)

Plutonium (²³⁹Pu) fremstilles i store mengder i kjernereaktorer ved nøytronbestråling av ²³⁸U.

Plutonium må behandles med stor forsiktighet pga. dets radiotoksisitet og fisjonsegenskaper. På grunn av varmeutviklingen forårsaket av den radioaktive stråling, må større stykker av plutoniummetall holdes avkjølt for å hindre overoppvarming og eventuelt smelting. Fisjonsegenskapene gjør videre at tilstrekkelig store plutoniummengder danner en kritisk masse som sender ut dødelige mengder av nøytroner og radioaktive stråler. I tillegg vil den store varmemengden som utvikles, kunne bevirke at reaksjonen antar eksplosiv karakter.

Plutoniums radiotoksisitet skyldes dets α-radioaktivitet. Plutonium som er kommet inn i kroppen, forårsaker strålingsdoser spesielt til leveren, tykktarmen og i benhinnen (epitel-celler), men er sterkt avhengig av den kjemiske form. Det er ikke funnet kreft hos mennesker forårsaket av plutonium i kroppen. For å redusere et eventuelt inntak kan det benyttes en sterk kompleksdanner ,dietylentriaminpentaeddiksyre (DTPA). For personer som kan bli eksponert i yrkessammenheng, er den årlige grense for inntak (ALI) 30 kBq, og for inhalering er grensen satt til 220 Bq.For den maksimalt tillatte konsentrasjon i luft angis 740 Bq per m³. De tilsvaende grensene for befolkningen generelt er en tiendedel av de angitte verdier.Plutonium blir som andre α-strålingsemittere behandlet med stor forsiktighet og med spesielt utstyr.

Plutonium ble oppdaget i 1940, som det andre av transuranene, etter neptunium, da G. T. Seaborg, E. M. Mcmillan, J. W. Kennedy og A. C. Wahl ved University of California i Berkeley fremstilte ²³⁸Pu ved å bestråle ²³⁸U i form av oksidet U₃O₈ med deutroner. Ved denne kjernereaksjonen dannes ²³⁸Np (²³⁸U + d → ²³⁸Np + 2n). Denne desintegrerer ved β^-- stråling til ²³⁸Pu, som har en halveringstid på 87,76 år. Grunnstoffet ble kalt plutonium etter Pluto (som den gang hadde status som planet) og ligger utenfor planeten Neptun, som neptunium var oppkalt etter.

Den langt viktigere plutoniumisotop ²³⁹Pu, ble fremstilt kort tid etter ved å bestråle ²³⁸U med nøytroner. Som mellomprodukter dannes ²³⁹U, som ved β-stråling desintegrerer til ²³⁹Np, og som i sin tur desintegrerer ved β-stråling til ²³⁹Pu. På denne måten fremstilte B. B. Cunningham og L. B. Werner i 1942 det første mikrogram av ²³⁹Pu. I 1943 ble de første små metallkorn av plutonium fremstilt ved å redusere plutoniumtrifluorid, PuF₃, med et jordalkalimetall.