Plutonium komt slechts heel weinig c



Dovnload 137.53 Kb.
Pagina1/4
Datum25.07.2016
Grootte137.53 Kb.
  1   2   3   4
VOORKOMEN

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. 

NAAM

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 Flagstaff (Arizona), 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.

ONTDEKKING

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:

BEREIDING VROEGER


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.

BEREIDING NU

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.

TOEPASSINGEN EN TOELICHTING

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.

 

OVERIGE TOEPASSINGEN



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)

Van plutonium zijn 21 radioactieve isotopen bekend. 244Pu is met een halfwaardetijd van ruim 80 miljoen jaar het meest stabiel. 242Pu en 239Pu hebben een halfwaardetijd van respectievelijk ruim 373 duizend en 24 duizend jaar. Alle overige isotopen halveren in minder dan 7000 jaar.

Ontdekking


In 1940 is plutonium ontdekt door Glenn Seaborg, Edwin McMillan, J. W. Kennedy en A. C. Wahl aan de Universiteit van Californië - Berkeley nadat zij uranium bombardeerden met deuterium in een cyclotron, maar deze ontdekking is geruime tijd geheim gebleven. Voor het Manhattanproject zijn er tijdens WO II kernreactoren gebouwd om het plutonium te produceren dat nodig was voor de eerste atoombommen.

Plutonium is vernoemd naar de dwergplaneet (toen nog een planeet) Pluto. Hiermee werd een traditie voortgezet, want de twee voorafgaande elementen heten uranium naar Uranus en neptunium naar Neptunus. De elementen hebben met de planeten overigens niets te maken.

Toepassingen

Tijdens de Koude Oorlog is er zowel door de Sovjet-Unie (in Majak, Seversk en Zjeleznogorsk) als door de Verenigde Staten naar schatting 300 ton plutonium geproduceerd, hoofdzakelijk voor toepassing in kernwapens. Sinds 1982 is mede als gevolg van non-profilatieverdragen de ontmanteling van deze wapens begonnen en wordt plutonium steeds vaker voor humanere toepassingen gebruikt. De VS en de Russische Federatie zijn onderling overeengekomen om elk 34 ton van hun overtollig geworden kernwapen plutonium te vernietigen. Momenteel lopen proeven om dit te doen door het plutonium als brandstof in gewone kerncentrales te gebruiken. Plutonium is een belangrijk nevenproduct van op uranium werkende kernreactoren. Door het opwerken van afgewerkte splijtstof in speciale chemische fabrieken komt het plutonium voor hergebruik beschikbaar. Zulke opwerkingsfabrieken staan in Engeland, Frankrijk, Rusland en Japan. Het afgescheiden plutonium wordt voor het gebruik gemengd met uranium (MOX brandstof = Mixed OXide). In Europa zijn er 50 kerncentrales die een vergunning voor MOX hebben, in 32 kerncentrales wordt MOX daadwerkelijk gebruikt. Bijvoorbeeld in België is intussen al het plutonium al hergebruikt. België is gestopt met opwerken van splijtstof, zodat er geen nieuw plutonium meer bijkomt.

In ruimtesondes zoals Galileo en Cassini wordt stroom opgewekt door een hoeveelheid plutonium die door natuurlijk verval warmte genereert.

Opmerkelijke eigenschappen

In zuivere vorm is plutonium een zilverwit metaal, maar door oxidatie aan de lucht verandert dat snel in geel. Door spontaan verval met uitstraling van α deeltjes voelt plutonium altijd warmer aan dan de omgeving. In grote hoeveelheden kan dat zelfs water doen koken. In waterige oplossingen kan plutonium als vier verschillende ionen voorkomen: Pu3+ (blauw), Pu4+ (geel bruin), PuO2+ (roze oranje) en PuO+ (roze, maar ion is onstabiel).

Verschijning

Hoewel plutonium in zeer lage concentraties wordt aangetroffen in uraniumerts, wordt deze actinide voornamelijk op kunstmatige wijze geproduceerd. De halfwaardetijd van alle isotopen is vele malen korter dan de levensduur van de aarde, daardoor komen ze van nature (vrijwel) niet meer voor.

Toxicologie en veiligheid


Plutonium en alle plutoniumverbindingen zijn giftig en radioactief. Sommige bronnen (vooral populaire media, en kernwapen- en milieu-activisten) noemen plutonium zelfs de meest giftige stof die de mensheid kent, maar onder veel toxicologen heerst de mening dat er geen reden is om aan te nemen dat de chemische toxiciteit van plutonium groter is dan die van andere zware metalen. Plutonium is wat dat betreft te vergelijken met lood. Zelfs met inachtneming van de stralingstoxiciteit is radium nog giftiger dan plutonium. Enkele complexe organische verbindingen, zoals botuline, zijn zelfs nog giftiger dan radium.

Het gevaar schuilt met name in de stralingstoxiciteit. Ingeademd plutoniumstof zou in de long jarenlang schade kunnen aanrichten en uiteindelijk, na jaren tot tientallen jaren, longkanker kunnen veroorzaken. Bij grotere doses kan directe stralingsziekte een rol gaan spelen. Desalniettemin heeft plutonium een letale dosis van enkele honderden picogrammen per kilogram lichaamsgewicht en dient het met uiterste zorgvuldigheid te worden gehanteerd.


Toxiciteit van plutonium


Plutonium is een alfa-straler. De uitgestraalde deeltjes kunnen al tegengehouden worden door er een stuk papier over te leggen. De (onbeschadigde) huid houdt deze straling ook tegen. Maar als het epitheel dunner is, bestaat de kans dat kleine deeltjes plutonium in het lichaam komen. Het epitheel is dun in darmen en longen. Ingeademd zeer fijn plutoniumstof is gevaarlijk, omdat de deeltjes (beneden 3 micrometer) tot in de longblaasjes en zelfs in de bloedbaan kunnen raken. Het plutonium zal, eenmaal in de bloedbaan, overal waar het passeert straling afgeven en DNA beschadigen. Een van de methodes om zulk fijn verdeeld plutonium te krijgen, is een explosie waarbij plutonium betrokken is.

Door de mond ingenomen veroorzaakt 0,5 gram plutonium binnen korte tijd de dood. De inname van zoveel plutonium mag uitzonderlijk genoemd worden. Ingeademd veroorzaakt 20 milligram (als de deeltjes kleiner zijn dan 3 micrometer) de dood binnen een maand. Een scenario om zoveel kleine deeltjes in te ademen is moeilijk denkbaar.

Maar ook kleinere doses dan de letale verhogen de kans op (long)kanker en op schade in botten en de lever.

Het inademen van 80 µg (microgram) geeft 100% kans op longkanker (uiteraard buiten de kans die er zonder inademing van plutonium al bestaat)

Het inademen van 1 µg geeft 1,2 % kans op kanker.

Het inademen van 0,1 µg geeft 0,12 % kans op kanker.

Er wordt dus een lineair verband verondersteld [1]

Het verstrooien van 200 gram inadembare plutonium boven een stad als München zou (op termijn) 100 tot 1000 extra kankergevallen kunnen veroorzaken. In een explosie is 20 tot 50% van de weggeslingerde plutonium < 3 micrometer en dus inadembaar. Om 200 gram inadembare plutonium te verkrijgen zou dus ca. 600 gram Pu bij een explosie betrokken moeten zijn. Op de grond gevallen deeltjes kunnen nog lang gevaar opleveren door mogelijk opdwarrelen.


Terroristische aanslag en kernproeven


Bij een explosie waarbij plutonium betrokken is, kan gedacht worden aan een terroristische aanslag (een zgn. vuile bom). Er zijn wat betreft plutonium echter zeer veel explosies geweest; de kernproeven. Bij de explosie van een kernbom worden 2 delen plutonium op elkaar geschoten die elk niet de kritieke massa hebben, maar die samen wel (ruim) overschrijden. Bij het overschrijden van de kritieke massa begint de kettingreactie. Maar die kritieke massa wordt al behaald (vlak) vóór het samengaan van de twee delen. Dus de explosie begint al, terwijl de twee delen nog onderweg naar elkaar toe zijn. Dat betekent dat niet alle plutonium bij de reactie betrokken zal zijn. Een zekere hoeveelheid plutonium zal onverbruikt zal worden weggeschoten. Zeker bij de eerste kernproeven werd er veel plutonium "verspild"[2]. Volgens de meeste schattingen is er op deze manier ca. 5 ton plutonium in het milieu terecht gekomen.

Gezondheidsrisico


Extrapolatie van de berekening in het rapport van het Lawrence Livermore National Laboratory[3]leidt tot de slotsom dat er hoogstens 19.000 mensen longkanker hebben gekregen door het inademen van plutoniumstof dat is vrijgekomen bij de bovengrondse kernproeven.

Anders gezegd; gemiddeld zou ieder mens 300 picogram [4] plutonium "binnen" hebben gekregen. Dat lijkt geen probleem: het is minder dan 0,001% van de dodelijke dosis. Maar dit is maar een gemiddelde. Temeer daar een typisch inadembaar deeltje een gewicht heeft van 100 picogram, lijkt het een betere voorstelling van zaken dat een flink aantal mensen niets hebben binnen gekregen en een flink aantal mensen grotere doses dan het gemiddelde. Verder zijn de effecten op lange termijn van blootstelling aan geringe hoeveelheden plutonium ofwel niet onderzocht, (hoewel; in Amerika zijn er processen gevoerd door mensen die tegen hun wil zijn gebruikt in experimenten met radio-actieve stoffen) ofwel zijn de resultaten van deze onderzoeken niet openbaar gemaakt.


Conclusie


De stelling dat de bovengrondse kernproeven ca. 10.000 slachtoffers hebben gekost aan longkanker door ingeademd plutoniumstof is niet ongefundeerd. Gezien de lange periode waarin deze proeven zijn uitgevoerd zal het aantal slachtoffers hiervan in het niet gevallen zijn in de statistieken voor longkanker. Opgemerkt moet nog worden dat door deze proeven niet alleen plutonium in het milieu is gebracht maar ook strontium, caesium en radium.


Referenties

W. G. Sutcliffe, R. H. Condit, W. G. Mansfield, D. S. Myers, D. W. Layton, en P. W. Murphy. web.archive A Perspective on the Dangers of Plutonium Lawrence Livermore National Laboratory 1995

zie: Atoombom bij de eerste kernbommen was het rendement slechts 2% (dus 98% van de plutonium verdween ongebruikt in de atmosfeer), bij de huidige bommen is het ca. 20%

Het rapport van het Lawrence Livermore National Laboratory is uitgegeven om onrust in de media weg te nemen, toen in München een pond plutonium gestolen werd. De kranten stonden vol van de rampen-scenario's. Dit rapport laat zien, dat het allemaal zo'n vaart niet zal lopen. Het is dus moeilijk om aan te nemen dat de bedoeling ervan is om de gevaren van plutonium te overdrijven.
De gang van zaken in het rapport is als volgt; van het "gegeven" pond plutonium wordt verondersteld dat 200 gram fijn genoeg is verdeeld om inadembaar te zijn. Er wordt een kubus van 1x1x1 km3 gedacht. In die kubus wordt de 200 gram inadembare plutonium gelijkmatig verdeeld gedacht. De bevolking onder die kubus wordt op 4300 mensen gesteld (zoals bij München het geval was). Dit zou kunnen leiden tot maximaal 960 extra gevallen van kanker.
Is de kolom x keer zo hoog (bij dezelfde 200 gram) dan is daarmee de concentratie x keer zo laag: er zou dan niets veranderen, omdat de “uitregen”-tijd dan x keer zo lang zou zijn en daarmee de tijd van blootstelling.
Is de oppervlakte van de kolom y keer zo groot (bij dezelfde 200 gram) en daarmee de concentratie y keer zo laag, dan zou er ook niets veranderen, als er tenminste y keer zoveel mensen onder die kubus zijn.
De enige variabelen zijn dus de hoeveelheid inadembaar plutonium en de bevolkingsdichtheid.
Oppervlakte aarde: 511 miljoen vierkante km.
Aantal inwoners ten tijde van de kernproeven: ca. 5,11 miljard.
Bevolkingsdichtheid: gemiddeld 10 mensen per vierkante km.
Dat is 0,0023 keer zoveel als bij de oorspronkelijke kubus van 1 kubieke km.
Stel er waren 2000 kernproeven met elk 10 kg plutonium, dat is samen 20 ton. Stel, er is in totaal 5 ton plutonium onverbruikt weggeschoten waarvan 35% = 1750 kg inadembaar. Dat is 8750 keer zoveel als bij de oorspronkelijke kubus van 1 kubieke km.
8750 x 0,0023 = 20
In de oorspronkelijke km3 was sprake van hoogstens 960 gevallen van longkanker. Dus kunnen verwacht worden; weinig onmiddellijke doden en hoogstens 20x960~19.000 extra gevallen van longkanker.

Het inademen (door elk mens) van 1 µg = 10-6gr. geeft 1,2 % = kans op longkanker ofwel 1,2.10-2.5,1.109 = 61.200.000 slachtoffers wereldwijd
Het verband tussen de ingeademde stof en het aantal slachtoffers is lineair.
Er zijn hoogstens 19.000 slachtoffers wereldwijd
Dus gemiddeld is er door elk mens hoogstens ingeademd: (19000 : 61.200.000).10-6gr = 3.10-10gr = 300 picogram



Plutonium

Plutonium is a radioactive, metallic element with atomic number 94. It was discovered in 1940 at the University of California, Berkeley. It has several unique properties which make it both very useful and potentially dangerous to handle.

Because plutonium occurs in nature in only minute amounts, it must be considered for all practical purposes a man-made element (some pitchblende ores, once a main source of uranium and radium, contain one part per trillion natural plutonium).

Plutonium Isotope Half-lives

There are 15 isotopes (another form) of plutonium. Some isotopes of plutonium are fissionable meaning that the atomic nucleus is unstable and will split apart, resulting in the release of large amounts of energy. Pu-239 and Pu-241 are the most abundant of the fissionable isotopes of plutonium.

A half-life is the time in which one half of the atoms of a radioactive substance disintegrates into another nuclear form, hence, the time to halve its radioactive strength. Pu-239 has a half-life of 24,000 years and Pu-241's half-life is 14.4 years. The plutonium isotope with the shortest half-life of 20 minutes is Pu-233. Plutonium-244, which occurs naturally, has the longest half-life of 80,000,000 years.

Source of Plutonium

Plutonium is created by the absorption of neutrons by uranium. Plutonium was first made in large quantities in the World War II Manhattan Project for use in atomic bombs. Because it is fissionable, it also can be used, under different circumstances, as fuel for reactors. Present day light water reactors create plutonium as the uranium fissions (splitting of atoms). Some of the neutrons released during the fissioning of uranium interact with yet other uranium atoms to form, plutonium. Some of this plutonium created in the fuel of the reactor core is itself fissioned thereby helping to sustain the chain reaction of splitting atoms. The plutonium which does not fission by the end of the core’s life remains in the fuel rod.Plutonium-238, in addition to its ability to fission, is self-heating and can be potentially valuable in thermoelectric generators for use in space program instruments and heart pacemakers.



Pathways in the Body

The most common form of plutonium is plutonium oxide which is virtually insoluble. The behavior of plutonium oxide in the body varies with the way in which it is taken. If one drinks or eats it, a very large percentage of it will be eliminated from the body quite rapidly in body wastes. If plutonium oxide is inhaled, part of it, usually between 20 and 60 percent depending upon such things as the size of the particles, is retained in the lung. The rest is eliminated from the body within several days. Of that which remains in the lungs, about half will be removed each year, some to be excreted, some to lodge in the lymph nodes, and a very small amount will be deposited in other organs, mainly bone. If plutonium enters the body through an open wound, depending on its form, it may move directly into body organs, mainly bone and liver. The next most common form of plutonium is plutonium nitrate-a chemical that is somewhat more soluble than the oxide. Plutonium nitrate’s behavior in the body is similar to plutonium oxide, however, it moves out of the lung more rapidly.



Radiological Considerations

Since plutonium was discovered in 1940, it was not a part of the extensive radiological experience of the pre-World War II decades. By the time it was evident that plutonium would be available in substantial quantities, the scientific community was well aware that highly radioactive material could be hazardous. In some ways, plutonium was less hazardous than some other radioactive materials then in use. Plutonium does not produce strong, penetrating radiation nor is it hard to contain. But it is a long-lived alpha emitting material that, if it gets inside the body, could deposit in the bones or in lungs and possibly increase an individual cancer risk. Therefore, very low limits were established for exposure to plutonium.



Toxicity

Recent research with one of the least radioactive isotopes of plutonium (plutonium-242, which has a halflife of 376,000 years) indicates that plutonium in the body may contribute to the development of tumors. In general, however, plutonium isotopic mixtures that are commonly encountered in the nuclear fuel cycle, nuclear weapons programs, or thermoelectric generator applications exhibit much higher radiological toxicity than chemical toxicity.



Production and Disposition

Over 1500 metric tons of plutonium have been produced world wide, some for weapons use, and most of the rest as a by-product of electricity production. It is important to note that the plutonium produced as a by-product in a nuclear power reactor is created in its many isotopic forms, including Pu-239, Pu-240, Pu-241, and Pu-242. This is known as Areactor-grade@ plutonium. In contrast, Aweapons-grade@ plutonium contains almost pure (over 90%) Pu-239. Plutonium-239 is created in a reactor that is specially designed and operated to produce Pu-239 from uranium.

With the end of the Cold War, the United States and the former Soviet Union began dismantling thousands of nuclear weapons which has resulted in a surplus of highly enriched uranium and plutonium. To dispose of this surplus and protect against it falling into the wrong hands, the U.S. has plans to mix the plutonium with uranium to make mixed oxide (MOX) fuel for power reactors. The intent of the MOX fuel program is to irradiate the so called Aweapons-grade@ plutonium, converting it to Areactor-grade,@ which will make the plutonium no longer suitable for use in advanced nuclear weapons. There would be no reprocessing or subsequent reuse of the MOX spent fuel. The fuel would be disposed of in a waste repository along with other high-level nuclear waste.

October 2003



Neutron Cross-sections of U-235 and U-238 at high energies


Important Radiological Properties of Plutonium Isotopes




Pu-238

Pu-239

Pu-240

Pu-241

Pu-242

Half-life (in years)

87.74

24,110

6,537

14.4

376,000

Specific activity (curies/gram)

17.3

0.063

0.23

104

0.004

Principal decay mode

alpha

alpha

alpha and some spontaneous fission1

beta

alpha

Decay energy (MeV)

5.593

5.244

5.255

0.021

4.983

Radiological hazards

alpha and weak gamma

alpha and weak gamma

alpha and weak gamma

beta and weak gamma2

alpha and weak gamma

How isotope is produced

nuclear reactors

nuclear reactors

nuclear reactors

nuclear reactors

nuclear reactors

Main uses

Production of thermoelectric power used in nuclear weapons, satellites, and heart pacemakers

Fissile material for nuclear weapons, and for the production of energy

none

none

none

Source: CRC Handbook of Chemistry and Physics, 1990-1991. Various sources give slightly different figures for half-lives and energies.

1Source of neutrons causing added radiation dose to workers in nuclear facilities.
2Plutonium-241 decays into Americium-241, which is an intense gamma emitter.


  1   2   3   4


De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina