Plutonium

Plutonium
Tecken Pu Atomnr. 94 Grupp 3 Period 7 Block f
Allmänt
Ämnesklass	aktinider
Densitet	19816 kg/m3 (273 K)
Utseende	Silvrig vit metall
Atomens egenskaper
Atommassa	244,0642 u
Atomradie (beräknad)	151 pm
Elektronkonfiguration	[Rn]7s25f6
e– per skal	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Oxidationstillstånd (O)	6, 5, 4, 3 (amfoterisk)
Ämnets fysiska egenskaper
Aggregationstillstånd	fast (s)
Smältpunkt	912,5 K (639,5 °C)
Kokpunkt	3503 K (3230 °C)
Molvolym	12,29 ·10-6 m3/mol
Ångbildningsvärme	344 kJ/mol
Smältvärme	2,84 kJ/mol
Ljudhastighet	2260 m/s vid 293,15 K
Diverse
Elektronegativitet	1,28 (Paulingskalan)
Värmekapacitet	130 J/(kg·K)
Elektrisk ledningsförmåga	0,666·106 S/m (Ω−1·m−1)
Värmeledningsförmåga	6,74 W/(m·K)
1a jonisationspotential	584,7 kJ/mol
Stabilaste isotoper
Isotop F % Halv.tid Typ Energi (MeV) Prod. 238Pu syntetisk 87,7 år α och SF 5,593 234U 239Pu syntetisk 24,1·10³ år α och SF 5,245 235U 240Pu syntetisk 6564 år α β och SF 5,256 0,005 236U 240Am 241Pu syntetisk 14,4 år α β och SF 5,14 0,021 237U 241Am 242Pu syntetisk 376300 år α och SF 4,984 238U 244Pu syntetisk 80,8·106 år α och SF 4,666 240U
SI-enheter & STP används om ej annat angivits.

Plutonium (Pu) är ett radioaktivt grundämne som tillhör aktinoiderna och är en silvervit metall.

Förekomst

Plutonium i lösning har olika färger beroende på oxidationstal (vänster) och ligander (höger).

Ytterst små mängder plutonium förekommer i naturen. ²³⁹Plutonium bildas genom spontan fission och ²⁴⁴plutonium är en rest från solsystemets materias tillkomst i supernovor. Plutonium är dock i huvudsak en transuran som framställs i kärnreaktorer ur ²³⁸U.

Egenskaper

Allmänna egenskaper

Plutonium är i ren form silvervit, men oxiderar snabbt och blir då matt grå eller eventuellt gult eller olivgrönt. Till skillnad mot de flesta material så ökar plutonium sin densitet med cirka 2,5 procent när det smälter. Resistansen för plutonium är hög i jämförelse med andra metaller vid rumstempratur, och dess resistans ökar då temperaturen sjunker ända till 100 K, då resistansen snabbt sjunker fram till cirka 20 K, då den ånyo ökar. En legering av plutonium, kobolt och gallium, PuCoGa₅, har visat sig vara supraledande under 18,5 K.

Allotropi

Plutonium är ett allotropiskt material. Normalt har plutonium sex allotropiska tillstånd, men det kan bildas ytterligare en fas, ζ, vid hög temperatur och under ett begränsat tryck. Plutoniums allotropiska egenskaper utnyttjas vid konstruktionen av några av de allra minsta taktiska kärnvapen. Man har då en oval bestående av, i huvudsak, ²³⁹plutonium som befinner sig i δ fas. Genom en linjär implosion bildas en sfär, och samtidigt övergår det till α fas. Således ökas densiteten från 15,92 g/cm³ till 19,86 g/cm³. Sammantaget leder det till att kedjereaktionen inleds, och vapnet detonerar.

Plutoniums α fas

Plutoniums α fas är ett enkelt monoklint kristallsystem vars densitet är 19,86 g/cm³.

Plutoniums β fas

Plutoniums β fas är ett bascentrerat monoklint kristallsystem vars densitet är 17,70 g/cm³.

Plutoniums γ fas

Plutoniums γ fas är ett ytcentrerat ortorombiskt kristallsystem vars densitet är 17,14 g/cm³.

Plutoniums δ fas

Plutoniums δ fas är ett ytcentrerat kubiskt kristallsystem vars densitet är 15,92 g/cm³.

Plutoniums δ' fas

Plutoniums δ' fas är ett bascentrerat tetragonalt kristallsystem vars densitet är 16,00 g/cm³.

Plutoniums ε fas

Plutoniums ε fas är ett ytcentrerat kubiskt kristallsystem vars densitet är 16,51 g/cm³.

Hälsoaspekter

Plutonium är genom sin alfastrålning mycket farlig att hantera och det är även mycket giftigt. Damm som inandas ger stor risk för lungcancer.

Plutoniumisotoper

Isotopsammansättning för olika kvaliteter av plutonium

Grad	Isotope
	Pu-238	Pu-239	Pu-240	Pu-241	Pu-242
Super-grade	—	.98	.02	—	—
Vapenplutonium	.00012	.938	.058	.0035	.00022
Reactor-grade	.013	.603	.243	.091	.050
MOX-grade	.019	.404	.321	.178	.078
FBR blanket	—	.96	.04	—	—

Värmeutveckling och spontan fission

Isotop	Neutroner från spontan fission 1/(g·s)	Värmeutveckling från sönderfall watt/kg
Pu-238	2.6x103	560
Pu-239	22x10−3	1.9
Pu-240	0.91x103	6.8
Pu-241	49x10−3	4.2
Pu-242	1.7x103	0.1
Am-241	1.2	114

Plutonium 238

Isotopen ²³⁸Pu är kortlivad med en halveringstid av 88 år. Genom den extremt intensiva alfastrålningen blir ett stycke av denna isotop upphettat till vitglödning, vilket utnyttjas i radioisotopgeneratorer som används för att driva rymdsonder som behöver energi under för lång tid för att bränsleceller, batterier och generatorer ska vara användbara och där solceller inte kan användas. De båda sonderna i Voyagerprogrammet drivs tre radioisotopgeneratorer var som vid starten 1977 generade en effekt på 500 W vilket har sjunkit till 315 W år 2015.

Plutonium 239

Isotopen ²³⁹Pu framställs genom transmutation då neutroner som bildas vid fission av ²³⁵U absorberas av ²³⁸U. De bildade ²³⁹U-kärnorna övergår via två betasönderfall först till ²³⁹Np och sedan till ²³⁹Pu. Isotopen har en halveringstid av 24 110 år. Kärnvapen innehåller vanligen minst cirka 6 kg av denna isotop.

Plutonium 240

Isotopen ²⁴⁰Pu framställs genom transmutation då neutroner som bildas vid fission av ²³⁵U absorberas av ²³⁹Pu. Då isotopen producerar cirka 40 000 gånger mer neutroner på grund av spontan fission än ²³⁹Pu så räknas isotopen som en förorening i vapenplutonium och halten ²⁴⁰Pu får inte överstiga 5,8 % i vapenplutonium för att det skall vara praktiskt användbart i kärnvapen. Det går att göra kärnladdningar av plutonium med mycket högre halter av ²⁴⁰Pu men dessa blir mycket ineffektiva och får mycket låg sprängkraft.

Plutonium 244

Isotopen ²⁴⁴Pu är den mest långlivade med en halveringstid av 80 miljoner år. Denna förekommer i mycket liten mängd naturligt i jordskorpan.

Användning

Plutoniums betydesefullaste användning torde vara som klyvbart material i fissionsladdningar.

Dess olika isotoper används även som reaktorbränsle och i radiotermoelektriska generatorer för rymdsonder.

Sveriges innehav av plutonium

Inom ramen för det svenska kärnvapenprogrammet anskaffade Sverige 100g plutonium från Storbritannien, detta utfördes senare till Norge, se svenska kärnvapenprogrammet.

Det finns även stora mängder plutonium i lagret av använt kärnbränsle, men detta plutonium är dock inte separerat från det andra övrigt material i bränslet, dvs. fissionsprodukter, urandioxid och transuraner.

Externa länkar

Bilder & media