|  | ||||||
Plutonium komt slechts heel weinig (ca. 2.10-19 %) voor in de natuur. Het wordt in uiterst kleine hoeveelheden aangetroffen in een aantal uraanertsen, waarin het kan ontstaan als 238U neutronen invangt. De totale natuurlijke hoeveelheid wordt geschat op enkele grammen. Plutonium is ook gevonden in materiaal afkomstig van meteorieten.
Tengevolge van kernproeven in de atmosfeer en ongelukken met kernreactoren is er ongeveer 3 ton plutonium vrijgekomen.
De naam is afgeleid van de planeet Pluto, die genoemd is naar de Griekse god van de rijkdommen van het binnenste der aarde, later vooral de god van de onderwereld. De planeet kreeg die naam omdat de twee eerste letters overeenkwamen met de initialen van de stichter van de sterrenwacht te Flagstoff, Percival Lowell, waar deze planeet werd ontdekt.
De naam voor het element werd gekozen omdat de planeet Pluto na Neptunus komt en plutonium als element volgt op neptunium. De naam plutonium was in 1816 door E.D. Clarke ook voorgesteld voor het element barium.
Plutonium werd in 1940 ontdekt door G. T. Seaborg, A. C. Wahl, E. M. MacMillan en J. W. Kennedy (Berkeley Universiteit - Californië) als vervalproduct van het eerder ontdekte element neptunium. Zij konden dit element bereiden door uraan in een cyclotron met neutronen of deuteronen te bombarderen:
Door verdere invang van neutronen ontstaan ook 240Pu en 241Pu.
of:
In de Tweede Wereldoorlog werd plutonium bereid door grote hoeveelheden uraan te bombarderen met neutronen. Dit vond plaats bij de ontwikkeling van de atoombom in het zogenoemde Manhattan-project, waarin veel geleerden samenwerkten. Het plutonium kon van het neptunium gescheiden worden vanwege het verschil in eigenschappen bij de oxidatie met bromaat. In 1942 werd plutonium geïsoleerd op microgramschaal. Een schaalvergroting van 1010 was noodzakelijk om de vereiste hoeveelheid plutonium voor de eerste atoombom te bereiden.
Na de bouw van de eerste kernreactor kon plutonium in grotere hoeveelheden worden verkregen door opwerking van de gebruikte splijtstofstaven.
Plutonium (vnl. 239Pu) wordt gewonnen uit gebruikte splijtstofelementen van kernreactoren. Een gemiddelde kernreactor levert jaarlijks ongeveer 200 kg 239Pu op. Het plutonium kan uit de splijtstofelementen worden geïsoleerd doordat plutoniumnitraat complexe verbindingen vormt met tributylfosfaat, waarmee de staven worden geëxtraheerd.
De verkregen splijtstof is geschikt voor kernreactoren, maar vanwege de verontreiniging met andere plutoniumisotopen ongeschikt voor atoombommen. De splijtstof moet in dat geval eerst worden verrijkt of er moet direct zeer zuiver 239Pu gemaakt worden met behulp van zogenoemde zwaar-water-kweekreactoren (zie ook 92 - Uraan).
In dit type reactoren wordt meer splijtstof (bijvoorbeeld 239Pu) gewonnen dan er wordt verbruikt. In kernreactoren ontstaat jaarlijks ongeveer 20 ton plutonium.
Het metaal kan worden bereid door het tri- of tetrafluoride te reduceren met natrium of calcium.
Er zijn inmiddels 15 isotopen van plutonium bekend, met een massagetal van 232 - 247 en halveringstijden van 20,9 min. tot 8,3. 107 jaar.
Nucleaire batterij (ruimtevaart)
Het isotoop 238Pu (gevormd door
) levert in kleine hoeveelheden zoveel warmte, dat via een thermo-elektrisch-element (Pb/Te) elektrische energie kan worden geleverd. 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.
Aanvankelijk werd deze batterij ook toegepast in pacemakers (er was slechts 200 mg van een 238Pu-verbinding nodig!), maar ze wordt tegenwoordig niet meer voor dit doel gebruikt, vanwege de gevaren van plutonium.
238Pu wordt nog wel toegepast als warmtebron in een verwarmingselement voor speciale diepzeeduikersuitrustingen.
Kernreactorbrandstof
Metallisch plutonium is ongeschikt voor kernreactoren, vanwege het lage smeltpunt van het metaal. Daarom wordt meestal plutoniumoxide (PuO2) gebruikt, eventueel in combinatie met uraanoxide. Ook andere verbindingen zoals carbiden, nitriden en carbonitriden zijn bruikbaar. 239Pu wordt op grotere schaal bereid in snelle kweekreactoren.
atoombom (239Pu; de kritieke massa is ca. 5,6 kg, wat overeen komt met een bol plutonium met een doorsnede van 8,2 cm; de kritieke massa veroorzaakt een explosie met het effect van ruim 100.000.000 kg TNT)
ouderdomsbepalingen, o.a. van meteorieten (verbindingen van 244Pu)