Plutonium

Plutonium
Nummer 94 Tecken Pu Grupp N/A Period 7 Block f
Sm ↑ Pu ↓ Uqh Neptunium ← Plutonium → Americium     [Rn] 5f6 7s2             94Pu                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         Två pellets av plutonium cirka 3 cm i diameter. Emissionsspektrum
Generella egenskaper
Relativ atommassa	244,0642 u
Utseende	Silvrig vit metall
Fysikaliska egenskaper
Densitet	19 816 kg/m³ (273 K)
Aggregationstillstånd	Fast
Smältpunkt	912,5 K (639,5 °C)
Kokpunkt	3 503 K (3 230 °C)
Molvolym	12,29 × 10-6 m³/mol
Smältvärme	2,84 kJ/mol
Ångbildningsvärme	344 kJ/mol
Atomära egenskaper
Atomradie	151 pm
Jonisationspotential	Första: 584,7 kJ/mol (Lista)
Elektronkonfiguration
Elektronkonfiguration	[Rn] 5f6 7s2
e− per skal	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Kemiska egenskaper
Oxidationstillstånd	6, 5, 4, 3 (amfoterisk)
Elektronegativitet	1,28 (Paulingskalan)
Diverse
Ljudhastighet	2 260 m/s
Elektrisk konduktivitet	0,666·106 A/(V × m)
Identifikation
Historia
Stabilaste isotoper
Huvudartikel: Plutoniumisotoper Nuklid NF t1/2 ST SE (MeV) SP 238Pu {syn.} 87,7 år α och SF 5,593 234U 239Pu {syn.} 24 100 år α och SF 5,245 235U 240Pu {syn.} 6 564 år α β och SF 5,256 0,005 236U 240Am 241Pu {syn.} 14,4 år α β och SF 5,14 0,021 237U 241Am 242Pu {syn.} 376 300 år α och SF 4,984 238U 244Pu {syn.} 80,8·106 år α och SF 4,666 240U
Säkerhetsinformation
Övriga faror Radioaktiv
SI-enheter och STP används om inget annat anges.

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

Ytterst små mängder plutonium förekommer i naturen. Små mängder ²³⁹Pu bildas i uranfyndigheter när ²³⁸U fångar in neutroner utsända vid spontan fission av andra ²³⁸U. ²⁴⁴Pu skapas i R-processen i supernovor och har den längsta halveringstiden av alla transuraner, tillräckligt lång för att en del atomer ska klara resan till solsystemet.^[1]

Plutonium är dock i huvudsak en transuran som framställs i kärnreaktorer genom neutronbestrålning av ²³⁸U.

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

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 typerna av taktiska kärnvapen. Man har då en oval bestående av, i huvudsak, plutonium 239 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 faser

Fas	Centrering	System	Densitet (g/cm3)
α	Enkelt	monoklint kristallsystem	19,86
β	Bascentrerat	monoklint kristallsystem	17,70
γ	Ytcentrerat	ortorombiskt kristallsystem	17,14
δ	Ytcentrerat	kubiskt kristallsystem	15,92
δ'	Bascentrerat	tetragonalt kristallsystem	16,00
ε	Ytcentrerat	kubiskt kristallsystem	16,51

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

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

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

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

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

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

Plutonium är en tungmetall som dessutom är radioaktiv. Liksom alla andra tungmetaller är den giftig. Då den radioaktiva strålningen i huvudsak (utom för ²⁴¹Pu) utgörs av alfastrålning, som inte tränger genom huden, är plutoniet farligt i första hand om det hamnar i kroppen, till exempel som damm som kan inandas eller hamna i mat. Död inom kort tid efter inandning av damm kräver ungefär samma dos av ²³⁹Pu som av kadmium (LD₅₀=1,3 mg/kg). Plutonium som samlas i lever, lungor och skelett antas kunna leda till cancer på längre sikt, åtminstone om intaget är relativt stort.^[2][3]

Isotopsammansättning för olika kvaliteter av plutonium^[4]

Kvalitet	Isotop
	238Pu	239Pu	240Pu	241Pu	242Pu
Super-grade	—	0,98	0,02	—	—
Vapenplutonium	0,00012	0,938	0,058	0,0035	0,00022
Reactor-grade	0,013	0,603	0,243	0,091	0,050
MOX-grade	0,019	0,404	0,321	0,178	0,078
FBR blanket	—	0,96	0,04	—	—

Värmeutveckling och spontan fission^[4]

Isotop	Neutroner från spontan fission 1/(g·s)	Värmeutveckling från sönderfall watt/kg
238Pu	2,6×103	560
239Pu	22×10−3	1,9
240Pu	0,91×103	6,8
241Pu	49×10−3	4,2
242Pu	1,7×103	0,1
241Am	1,2	114

Isotopen ²³⁸Pu är kortlivad med en halveringstid av 88 år. Genom den intensiva alfastrålningen blir ett stycke av denna isotop upphettat till vitglödning. Detta utnyttjas i radioisotopgeneratorer som används som källa till elförsörjning i rymdsonder som är så långt från solen att solceller inte kan användas, och behöver energi under så lång tid att bränsleceller, batterier eller andra typer av generatorer inte är användbara. De båda sonderna i Voyagerprogrammet drivs av tre radioisotopgeneratorer som vid starten 1977 genererade en effekt på totalt 500 W vilken år 2022 har sjunkit till 249 W. Cirka 2025 beräknas effekten ha sjunkit till en nivå där den inte längre räcker för att driva de vetenskapliga instrumenten.^[5]

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.

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 % för att det skall vara praktiskt användbart i kärnvapen. Det går att göra kärnladdningar av plutonium med högre halter av ²⁴⁰Pu men dessa blir ineffektiva och får låg sprängkraft.^[4]

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

Plutoniums mest betydelsefulla användning torde vara som klyvbart material i fissionsladdningar.

Dess olika isotoper används även som reaktorbränsle och i radiotermoelektriska generatorer för rymdsonder.^[5]

Försvarets Forskningsanstalt under ledning av Jan Rydberg byggde i början av 1950-talet upp ett plutoniumlaboratorium i Sverige där små mängder plutonium kunde isoleras redan 1954.^[6] Inom ramen för det svenska kärnvapenprogrammet anskaffade Sverige 100 gram plutonium från Storbritannien. När planerna på inhemsk plutoniumframställning övergavs överlämnades detta material till Institutt for Atomenergi (IFA) i Kjeller, Norge.^[7]

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

• Agrell, Wilhelm (2002). Svenska förintelsevapen: utvecklingen av kemiska och nukleära stridsmedel 1928-1970. Lund: Historiska media. Libris 8415678. ISBN 91-89442-49-0 

• Wikimedia Commons har media som rör Plutonium.
  Bilder & media
• WebElements – Plutonium

v • r Periodiska systemet 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18  1  H He  2  Li Be B C N O F Ne  3  Na Mg Al Si P S Cl Ar  4  K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr  5  Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe  6  Cs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn  7  Fr Ra Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Metaller Halvmetall Icke-metaller Okända kemiska egenskaper Alkalimetall Alkalisk jordartsmetall Lantanoid Aktinoid Övergångsmetall Övrig metall Diatomisk icke-metall Polyatomisk icke-metall Ädelgas

Auktoritetsdata • LCCN: sh85103582 • GND: 4136381-4 • NDL: 00569238