Nucleaire batterij
Het isotoop 238Pu levert al in kleine hoeveelheden relatief veel warmte als resultaat van het radioactieve verval. De warmte is via een thermo-elektrisch-element (bijvoorbeeld met lood en telluur) om te zetten in elektrische energie. Het is een stabiele en zeer betrouwbare cel, die wordt gebruikt in satellieten. Deze cel diende ook als voeding bij het Apollo-project en voor seismische apparatuur in meetstations op de maan.
Gloeiende plutoniumpellet
Aanvankelijk werd deze batterij ook toegepast in pacemakers, waarvoor slechts 200 mg van een 238Pu-verbinding voldoende was. Tegenwoordig vind je daar vooral lithium-jood batterijen.
238Pu wordt nog wel toegepast als warmtebron in een verwarmingselement voor speciale diepzeeduikersuitrustingen.
Kernreactorbrandstof
Hiervoor wordt meestal plutoniumoxide (PuO2) gebruikt, eventueel in combinatie met uraanoxide. Ook andere verbindingen zoals carbiden, nitriden en carbonitriden zijn bruikbaar. Vanwege het lage smeltpunt is metallisch plutonium ongeschikt voor kernreactoren. Met name de isotopen 239Pu en 241Pu zijn geschikte 'brandstoffen' voor een gecontroleerde kernreactie.
Atoombom
Voor een atoombom met 239Pu bedraagt de kritieke massa ongeveer 5,6 kg - een bol van slechts 8,2 cm doorsnede. De kernexplosie van dit materiaal kan een effect hebben vergelijkbaar met dat van ruim honderd miljoen kilo springstof (TNT).
De atoombom die in 9 augustus boven de Japanse stad Nagasaki tot ontploffing werd gebracht (foto) bevatte een bolvormige kern van 239Pu van ongeveer 6,2 kilo (9 cm doorsnede). Hiervan werd minder dan twintig procent benut. De kracht van de kernexplosie bedroeg ongeveer 21 miljoen ton TNT.
Na de Tweede Wereldoorlog is op grote schaal (vele honderden tonnen) plutonium geproduceerd voor gebruik in kernwapens.
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.
238
92U + 2
1H --> 238
93Np + 2n
238
93Np --> 238
94Pu + 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 microgramschaal 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.
238
92U + n --> 239
92U
239
92U --> 239
93Np + e
239
93Np --> 239
94Pup + 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.
