9 Fragen zu Plutonium

Plutonium-239 (Pu-239) ist ein spaltbares Isotop, das in Kernreaktoren und Kernwaffen verwendet wird. Bei einer Kettenreaktion unterliegt Pu-239 der **Kernspaltung**. Dabei wird der Pu-239-Kern durch den Einfang eines Neutrons instabil und spaltet sich in zwei kleinere Atomkerne (Spaltprodukte) sowie mehrere freie Neutronen. **Die Spaltprodukte sind nicht immer gleich**, sondern variieren statistisch. Typische Spaltprodukte sind zum Beispiel: - **Barium-141 (Ba-141)** - **Krypton-92 (Kr-92)** - **Strontium-94 (Sr-94)** - **Xenon-140 (Xe-140)** - **Zirkonium-94 (Zr-94)** - **Cer-144 (Ce-144)** - **Rubidium-90 (Rb-90)** Zusätzlich entstehen bei jeder Spaltung im Mittel etwa **2 bis 3 freie Neutronen** sowie **Energie** (in Form von kinetischer Energie der Spaltprodukte und Strahlung). **Beispiel einer Spaltreaktion:** \[ \mathrm{^{239}Pu} + n \rightarrow \mathrm{^{141}Ba} + \mathrm{^{92}Kr} + 3\,n + \text{Energie} \] **Fazit:** Pu-239 zerfällt bei einer Kettenreaktion nicht in ein einziges Element, sondern spaltet sich in zwei mittlere Atomkerne (Spaltprodukte), mehrere freie Neutronen und setzt Energie frei. Die genauen Spaltprodukte variieren, aber sie liegen immer im mittleren Massenbereich des Periodensystems. Weitere Informationen findest du z.B. bei [Wikipedia: Plutonium-239](https://de.wikipedia.org/wiki/Plutonium-239).

Eine Kettenreaktion mit Plutonium-239 (Pu-239) findet durch den Prozess der Kernspaltung statt. Dabei läuft Folgendes ab: 1. **Neutroneneinfang:** Ein freies Neutron trifft auf einen Pu-239-Kern und wird von diesem eingefangen. 2. **Kernspaltung:** Der Pu-239-Kern wird dadurch instabil und spaltet sich in zwei kleinere Atomkerne (Spaltprodukte). Dabei werden Energie und im Durchschnitt etwa 2 bis 3 neue Neutronen freigesetzt. 3. **Freigesetzte Neutronen:** Die neu entstandenen Neutronen können wiederum weitere Pu-239-Kerne treffen und spalten. 4. **Kettenreaktion:** Wenn genügend Pu-239 vorhanden ist (kritische Masse), setzt sich dieser Prozess fort – es entsteht eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion. **Wichtige Bedingungen:** - Die Masse des Plutoniums muss mindestens die sogenannte kritische Masse betragen, damit genügend Neutronen weitere Spaltungen auslösen können. - Die Neutronen dürfen nicht zu schnell entweichen oder absorbiert werden, bevor sie weitere Kerne spalten. **Anwendung:** - In Kernreaktoren wird die Kettenreaktion kontrolliert, um Energie zu gewinnen. - In Kernwaffen wird die Kettenreaktion unkontrolliert ablaufen gelassen, was zu einer Explosion führt. **Zusammengefasst:** Eine Kettenreaktion mit Plutonium-239 entsteht, wenn durch die Spaltung eines Kerns genügend Neutronen freigesetzt werden, die weitere Kerne spalten, sodass der Prozess sich selbst erhält und fortsetzt.

Um aus Natururan Plutonium-239 zu gewinnen, wird ein mehrstufiger Prozess in Kernreaktoren genutzt. Hier die wesentlichen Schritte: 1. **Natururan besteht überwiegend aus Uran-238** (ca. 99,3 %) und einem kleinen Anteil Uran-235 (ca. 0,7 %). 2. **Bestrahlung im Kernreaktor:** Natururan wird in Form von Brennstäben in einen Kernreaktor eingebracht. Dort wird es mit Neutronen bestrahlt. 3. **Neutroneneinfang:** Uran-238-Kerne fangen Neutronen ein und werden zu Uran-239: \[ ^{238}\text{U} + n \rightarrow ^{239}\text{U} \] 4. **Zerfall zu Neptunium-239:** Uran-239 ist instabil und zerfällt durch Beta-Zerfall zu Neptunium-239: \[ ^{239}\text{U} \xrightarrow{\beta^-} ^{239}\text{Np} + e^- \] (Halbwertszeit: ca. 23,5 Minuten) 5. **Zerfall zu Plutonium-239:** Neptunium-239 zerfällt weiter durch Beta-Zerfall zu Plutonium-239: \[ ^{239}\text{Np} \xrightarrow{\beta^-} ^{239}\text{Pu} + e^- \] (Halbwertszeit: ca. 2,36 Tage) 6. **Abtrennung des Plutoniums:** Nach einer gewissen Bestrahlungszeit enthält der Brennstoff Plutonium-239. Um es zu gewinnen, wird der Brennstoff chemisch aufbereitet (Wiederaufarbeitung), wobei das Plutonium vom restlichen Material getrennt wird. **Zusammengefasst:** Plutonium-239 entsteht durch Neutroneneinfang und anschließende Beta-Zerfälle aus Uran-238 im Kernreaktor. Die Gewinnung erfolgt durch chemische Trennung nach der Reaktorbestrahlung. Weitere Informationen findest du z.B. bei der [World Nuclear Association](https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/plutonium.aspx).

Die Gefährlichkeit einer Atombombe hängt nicht nur vom verwendeten Material ab, sondern auch von der Konstruktion und der Menge des spaltbaren Materials. Sowohl Uran-235 als auch Plutonium-239 können in Atombomben verwendet werden, und beide haben ihre eigenen Eigenschaften: 1. **Uran-235**: Uranbasierte Bomben, wie die "Little Boy", die über Hiroshima abgeworfen wurde, verwenden Uran-235. Diese Bomben sind technisch einfacher zu konstruieren, da Uran-235 eine niedrigere kritische Masse hat und weniger Neutronenreflektoren benötigt. 2. **Plutonium-239**: Plutoniumbasierte Bomben, wie die "Fat Man", die über Nagasaki abgeworfen wurde, verwenden Plutonium-239. Diese Bomben sind technisch anspruchsvoller, da Plutonium-239 eine höhere Neutronenemission aufweist, was eine Implosionsmethode erfordert, um eine vorzeitige Detonation zu verhindern. Plutoniumbomben können jedoch effizienter sein und eine größere Sprengkraft bei gleicher Materialmenge erzeugen. Insgesamt hängt die Gefährlichkeit also von der spezifischen Konstruktion und dem Einsatzszenario ab, nicht nur vom Material selbst. Beide Materialien sind in der Lage, verheerende Zerstörung anzurichten.

Um die Anzahl der Atome in 10 kg Plutonium zu berechnen, benötigst du die molare Masse von Plutonium und die Avogadro-Konstante. Plutonium hat eine molare Masse von etwa 244 g/mol (abhängig vom Isotop, aber wir nehmen hier einen Durchschnittswert). Die Avogadro-Konstante beträgt \(6,022 \times 10^{23}\) Atome/mol. 1. Zuerst berechnest du die Anzahl der Mol in 10 kg Plutonium: \[ \text{Anzahl der Mol} = \frac{10.000 \, \text{g}}{244 \, \text{g/mol}} \approx 40,98 \, \text{mol} \] 2. Dann multiplizierst du die Anzahl der Mol mit der Avogadro-Konstante, um die Anzahl der Atome zu erhalten: \[ \text{Anzahl der Atome} = 40,98 \, \text{mol} \times 6,022 \times 10^{23} \, \text{Atome/mol} \approx 2,47 \times 10^{25} \, \text{Atome} \] Also hat 10 kg Plutonium ungefähr \(2,47 \times 10^{25}\) Atome.

Die Menge an Plutonium, die für eine Atombombe benötigt wird, hängt von der Konstruktion und dem Design der Bombe ab. In der Regel benötigt man mehrere Kilogramm Plutonium, um eine kritische Masse zu erreichen, die für eine nukleare Explosion erforderlich ist. Typischerweise liegt diese Menge bei etwa 10 Kilogramm oder mehr, abhängig von der Effizienz des Designs. Es ist wichtig zu betonen, dass der Bau und Besitz von Atomwaffen streng reguliert und international kontrolliert wird.

Die Halbwertszeit von Plutonium-244 (Pu-244) wurde durch verschiedene experimentelle Methoden bestimmt, die auf der Messung der radioaktiven Zerfallsraten basieren. Eine gängige Methode ist die Radiometrie, bei der die Anzahl der Zerfälle eines radioaktiven Isotops über einen bestimmten Zeitraum gemessen wird. Wissenschaftler verwenden Proben von Plutonium-244 und beobachten, wie viele Atome in einer bestimmten Zeitspanne zerfallen. Durch die Analyse der Zerfallsdaten und die Anwendung der mathematischen Formeln, die den radioaktiven Zerfall beschreiben, kann die Halbwertszeit berechnet werden. Zusätzlich können auch andere Techniken wie Massenspektrometrie eingesetzt werden, um die Isotopenverhältnisse zu bestimmen und so die Eigenschaften von Pu-244 genauer zu untersuchen. Diese Methoden haben es ermöglicht, die Halbwertszeit von Plutonium-244 auf etwa 80 Millionen Jahre zu schätzen.

Plutonium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Pu und der Ordnungszahl 94. Es gehört zur Gruppe der actiniden im Periodensystem und ist ein radioaktives, silberglänzendes Metall. Plutonium wird hauptsächlich in der Kerntechnik verwendet, insbesondere in Kernreaktoren und für die Herstellung von Atomwaffen. Es hat mehrere Isotope, von denen Plutonium-239 das bekannteste ist, da es spaltbar ist und in der Nukleartechnik eine wichtige Rolle spielt. Plutonium kommt in der Natur nur in sehr geringen Mengen vor und wird hauptsächlich durch Kernreaktionen in Kernkraftwerken oder durch die Bestrahlung von Uran-238 in speziellen Reaktoren erzeugt. Aufgrund seiner Radioaktivität und Toxizität ist der Umgang mit Plutonium stark reguliert.

Ein Wort, das sowohl "Plutonium" als auch "Reaktor" enthält, ist "Plutoniumreaktor".