Element 94 · Actinide

Plutonium (Pu)

Plutonium (Pu) is het element met atoomnummer 94, een zilvergrijs radioactief metaal dat vooral bekend is uit kernwapens en kernreactoren. Het isotoop plutonium-239 splijt gemakkelijk en was de springstof van de atoombom op Nagasaki in 1945. Tegelijk levert plutonium-238 jarenlang warmte en stroom aan ruimtesondes zoals Voyager. Plutonium wordt in kernreactoren gemaakt uit uranium-238.

Plutonium in cijfers
SymboolPu
Atoomnummer94
Atoommassa[244] (massagetal langstlevende isotoop)
CategorieActinide
Groep— (f-blok)
Periode7
Blokf-blok
Fase bij 20 °Cvast
Smeltpunt640 °C
Kookpunt3228 °C
Dichtheid19,8 g/cm³
Elektronenconfiguratie[Rn] 5f6 7s2
Elektronen per schil2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Elektronegativiteit (Pauling)1,28
Oxidatiegetallen+4 (ook +3, +5, +6)
Ontdekt1940 door Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Joseph Kennedy en Arthur Wahl
Engelse naamPlutonium

Eigenschappen van plutonium

Plutonium is een van de vreemdste metalen die we kennen. Tussen kamertemperatuur en het smeltpunt van 640 °C heeft het zes verschillende kristalvormen, met sterk wisselende dichtheden. Bij sommige overgangen krimpt het metaal bij verwarming in plaats van uit te zetten. Daarom wordt plutonium voor technische toepassingen vaak gelegeerd met een beetje gallium. Vers metaal glanst zilverig, maar in vochtige lucht wordt het snel dof en fijn plutoniumpoeder kan spontaan ontbranden. Chemisch kent het oxidatietoestanden van +3 tot +7, waarvan +4 het stabielst is, bijvoorbeeld in plutoniumdioxide (PuO2). In oplossing kunnen meerdere toestanden tegelijk naast elkaar bestaan. Een stuk plutonium voelt warm aan door het eigen alfaverval. Plutonium-239 (halfwaardetijd 24 100 jaar) is splijtbaar; plutonium-244 is met ongeveer 80 miljoen jaar het langstlevende isotoop.

Naam. Plutonium is genoemd naar Pluto, destijds de planeet na Neptunus, in navolging van uranium en neptunium.

Atoombouw en plaats in het periodiek systeem

Plutonium staat in periode 7 van het periodiek systeem, in het f-blok.

Een neutraal atoom heeft 94 protonen in de kern en 94 elektronen, verdeeld over 7 schillen: 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2. Het periodenummer (7) is gelijk aan het aantal schillen.

Buren in het systeem: links/ervoor: Neptunium (Np, 93); rechts/erna: Americium (Am, 95).

De andere actiniden: Actinium, Thorium, Protactinium, Uranium, Neptunium, Americium, Curium, Berkelium, Californium, Einsteinium, Fermium, Mendelevium, Nobelium, Lawrencium.

Voorkomen

In de natuur komt plutonium alleen in uiterst kleine sporen voor, bijvoorbeeld in uraniumerts waar uranium-238 neutronen opvangt. Vrijwel al het plutonium is kunstmatig. Het ontstaat in elke kerncentrale: uranium-238 vangt een neutron op en vervalt via neptunium-239 tot plutonium-239. Een deel daarvan splijt meteen weer en levert zo energie. Gebruikte splijtstof bevat ongeveer 1 procent plutonium, dat in opwerkingsfabrieken zoals in La Hague kan worden afgescheiden. Wereldwijd liggen honderden tonnen plutonium opgeslagen, deels uit civiele kernenergie en deels uit kernwapenprogramma's.

Toepassingen

  • Plutonium-239 is de splijtstof in de meeste kernwapens.
  • In MOX-brandstof wordt plutonium gemengd met uranium en opnieuw gebruikt in kerncentrales.
  • Plutonium-238 levert warmte en elektriciteit aan ruimtesondes en marsrovers, zoals Voyager, Cassini, Curiosity en Perseverance.
  • Vroeger werden kleine plutonium-238-batterijen gebruikt in pacemakers, die daardoor tientallen jaren meegingen.

Veelgestelde vragen

Is plutonium het giftigste element ter wereld?

Plutonium wordt vaak zo genoemd, maar dat is overdreven. Chemisch is het niet veel giftiger dan andere zware metalen. Het grote gevaar is de alfastraling als deeltjes in het lichaam terechtkomen, vooral via de longen. Een kleine ingeademde hoeveelheid verhoogt het risico op kanker aanzienlijk.

Hoe wordt plutonium gemaakt?

Plutonium ontstaat in kernreactoren. Uranium-238 vangt daar een neutron op en wordt uranium-239. Dat vervalt binnen een halfuur tot neptunium-239, dat binnen enkele dagen vervalt tot plutonium-239. Door de gebruikte splijtstof chemisch te bewerken kan het plutonium worden afgescheiden.

Waarom gebruiken ruimtesondes plutonium?

Ver van de zon leveren zonnepanelen te weinig energie. Plutonium-238 produceert door zijn verval tientallen jaren lang een gelijkmatige warmte. Thermokoppels zetten die warmte om in elektriciteit. Zo werken de Voyager-sondes al sinds 1977 op plutonium.

Verder lezen