Pu/Plutonium

Naam

De naam plutonium is afgeleid van de planeet Pluto, die weer vernoemd is naar de gelijknamige Griekse god. Het was de god van de rijkdommen van het binnenste der aarde, later vooral de god van de onderwe­reld. Opmerkelijk detail is dat die naam ook werd gekozen omdat de eerste twee eerste letters overeenkomen met de initialen van Percival Lowell – de stichter van de sterrenwacht waar de planeet ontdekt werd (in Flagstaff, Verenigde Staten). Het element werd vooral naar Pluto vernoemd omdat die planeet achter Neptunus staat, net zoals in het periodiek systeem plutonium als element op neptunium volgt.

Dat de afkorting nu Pu is in plaats van Pl schijnt een grap te zijn van één van de ontdekkers, Glenn Seaborg. De Engelse uitspraak van p-u (pie-joe) komt overeen met de kreet van kinderen die iets vies zien of ruiken (vergelijk het Nederlandse ‘gatsie’). Seaborg had verwacht het nodige commentaar te zullen oogsten, maar de afkorting werd zomaar geaccepteerd.

Ontdekking

Op 14 december 1940 maakten de Amerikaanse wetenschappers Glenn Seaborg, Arthur C. Wahl, Edwin M. MacMillan en Joseph. W. Kenne­dy plutonium in het cyclotron van de Universiteit van Californië in Berkeley (foto). Zij bombardeerden uranium met deute­ronen en neutronen, wat tot de vorming van neptunium-238 leidde. Het verval van dat isotoop leidde tot plutonium-238, dat ze vervolgens isoleerden en op 23 februari 1943 chemisch karakteriseerden.

${}_{92}{}^{238}\mathrm{U} + {}_1{}^2\mathrm{H} \to {}_{93}{}^{238}\mathrm{Np} + 2\mathrm{n}$

.

${}_{93}{}^{238}\mathrm{Np} \to {}_{94}{}^{238}\mathrm{Pu} + \mathrm{e}$

Voorkomen

Er is bijzonder weinig plutonium van natuurlijke oorsprong. Het is in uiterst kleine hoe­veel­heden aanwezig in een aantal uraanertsen, waarin het kan ontstaan als ²³⁸U neutronen invangt. De totale natuurlijke hoeveelheid wordt geschat op enkele grammen. Op het gewicht van de aardkorst is dat een minuscule  2.10^-19 %.

De totale hoeveelheid door mensen geproduceerd plutonium is aanzienlijk groter. Het ontstaat als bijproduct tijdens reguliere kernsplijting, maar werd jarenlang in speciale ‘productiereactoren’ gemaakt, voor gebruik in kernwapens. Zo hebben de Verenigde Staten nog ongeveer 100 ton plutonium ‘op voorraad’.

Door het testen van atoombommen is er tussen 1940 en 1980 naar schatting 10 ton plutonium in de atmosfeer terechtgekomen.

Plutonium is ook gevonden in materiaal afkomstig van meteorieten.

Vroeger

In de Tweede Wereldoorlog maakten de Amerikanen het eerste plutoni­um door grote hoeveelheden uranium met neutronen te bombarde­ren. Dit gebeurde bij de ontwikkeling van de atoombom in het zogenoem­de Manhattan-project, waarin veel geleerden samenwerkten. Het bombardement resulteerde in de vorming van zowel neptuni­um als plutonium. Deze zijn van elkaar te scheiden door het verschil in eigen­schappen bij de oxidatie met bromaat.

In 1942 was plutonium nog slechts op microgram schaal te isoleren. Voor de grootschaliger productie van het element werden in 1943 verschillende kernreactoren in gebruik genomen. In de eerste plutonium-atoombom (afgeworpen boven Nagasaki) werd uiteindelijk ruim zes kilo toegepast.

Tegenwoordig

Plutonium (met name ²³⁹Pu) wordt nu gewonnen uit gebruikte splijtstofelementen van kernreactoren. Een gemiddelde kernreactor levert jaarlijks ongeveer 200 kg ²³⁹Pu op.

${}_{92}{}^{238}\mathrm{U} + \mathrm{n} \to {}_{93}{}^{239}\mathrm{Np} + \mathrm{e}$

.

${}_{92}{}^{239}\mathrm{U} \to {}_{93}{}^{239}\mathrm{Np} + \mathrm{e}$

.

${}_{93}{}^{238}\mathrm{Np} \to {}_{94}{}^{238}\mathrm{Pu} + \mathrm{e}$

Het plutonium is uit de splijtstofelementen te isoleren via een reactie met tributylfosfaat, waarmee de staven worden geëxtraheerd.

Het verkregen plutonium is niet direct geschikt voor atoom­bommen. Daarvoor zijn teveel verstorende isotopen aanwezig, zoals ²⁴⁰Pu. Voor gebruik in kernwapens moet het plutonium eerst worden verrijkt. Een andere manier om zuiver ²³⁹Pu te maken is met behulp van zogenoemde zwaar-water-kweekreacto­ren (zie ook 92 – Uraan).

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