Entdeckung von Plutonium

Entdeckung des Isotop 238

Am 23. Februar 1941 gelang im Raum 307 einem radiochemischen Labor („Radiation Laboratory“) im Gebäude Gilman Hall, Berkeley, Glenn T. Seaborg und Arthur C. Wahl der Nachweis von Mikromengen (sogenannte Tracer) des später Plutonium genannten Elements.^[4][5][6][7] Es handelte sich zunächst um das Isotop ²³⁸Pu, welches durch den Beschuss eines Urandioxid-Target U mit Deuteronen D, die durch ein Zyklotron beschleunigt wurden, gebildet wurde:

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{1}^{2}D\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ +\ 2\ _{0}^{1}n} }$

Dabei wurden zwei Neutronen n freigesetzt, das Zwischenprodukt Neptunium-238 wandelte sich durch Betazerfall in das Plutonium um:

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 93}Np\ {\xrightarrow[{2,1\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} ~(+~\alpha )}$

Zunächst wurde bemerkt, dass dem Np-238 ein α-Strahler „nachwuchs“. Um das Element 94 nachzuweisen, wurde ausgenutzt, dass sich die Elemente 93 und 94 hinsichtlich ihrer Oxidation unterscheiden. Verwendet wurden Kaliumthiosulfat und Silberionen als Reduktionsagenten. Der Schlüssel ist, dass sich Plutonium dabei als schwieriger zu oxidieren zeigte als Neptunium.

Zu den beteiligten Wissenschaftlern gehörten anfänglich auch Edwin M. McMillan, sowie Joseph W. Kennedy u. a., welche ebenfalls im Frühjahr 1941, zusammen mit Emilio Segrè, das Plutoniumisotop 239 entdeckten.^[8]

Spaltbarkeit des Isotops 239

Am 28. März 1941 wurde die Spaltbarkeit des Isotops 239 durch thermische Neutronen nachgewiesen, sie war etwa 1,7-fach so groß wie bei Uran-235. Im Mai 1941 konnte der Wirkungsquerschnitt für diese Kernreaktion angegeben werden.^[8] Das Isotop emittiert bei Spaltung statistisch mehr als zwei Neutronen, was eine nukleare Kettenreaktion ermöglicht, da stets mindestens ein zu einer Spaltung führendes Neutron zur Kettenreaktion benötigt. Es wurde auf seine spontane Spaltung untersucht und eine lange Halbwertszeit (${\displaystyle \approx }$ 24.100 Jahre) festgestellt, wodurch das Material als Kernbrennstoff eingestuft wurde.

Die Originalprobe dieser Messungen wurde im Jahr 1966 der Smithsonian Institution übergeben.^[9]

Spurenprobe von 1941

Für die Analyse des neuen Elements 94 wurden mikroskopische Mengen auf Platinscheiben aufgebracht. In dem nebenstehenden Foto sind auf einer nachträglichen Notiz vom 13. Juli 1941 Daten von einer Alphastrahlungsmessung zu lesen („α's counted in a magnet field (MF) chamber with a dist. of 2.5 cm. B = 0.025 uCi ...“). Die Werte geben die zurückgelegte Strecke der Heliumkerne in Luft an. Nach einer approximativen Formel von Geiger (vgl. auch die Bethe-Formel) gilt in Luft näherungsweise ein einfacher Zusammenhang zwischen der Energie der Alphateilchen und ihrer Reichweite: ${\displaystyle R_{a}=0,324\cdot E_{\alpha }^{3/2}}$, d. h. für 3,6 cm ergeben sich ${\displaystyle \alpha \approx 5}$ MeV. Plutonium ist ein starker α-Strahler.

Erste Isolation

Zwischen dem 18. und 20. August 1942 gelang es Burris B. Cunningham und Louis B. Werner eine erste prinzipiell sichtbare (unter dem Mikroskop) Menge des neuen Elements 94 durch Fällung darzustellen.^[10] An den Arbeiten war auch der Mikrochemiker Michael Cefola beteiligt.^[11] Dies geschah im Raum 405 des George Herbert Jones Chemical Laboratory, der University of Chicago. Die Chemiker übernahmen das Gebäude und die Einrichtung des Jones Chemical Laboratory, Teil des Metallurgical Laboratory („Met Lab“) unter der Leitung von Seaborg.

Im September erhielten Cunningham und Werner eine neue bestrahlte Probe aus Berkeley (von 1941 bis 1949 unter Leitung von Wendell M. Latimer als Dekan des College of Chemistry). Dabei wurden mit dem 60-Zoll-Zyklotron des Crocker Laboratory^[12] die 12 MeV-Deuteronen auf ein Beryllium-Target mittels (d,n)-Reaktion zur Freisetzung von Neutronen verwendet, welche in rund 5 kg Uranylnitrat-Hexahydrat (UNH), mit der chemischen Formel UO₂(NO₃)₂·6 H₂O, etwa 1 μg Plutonium-239 produzierten. Dabei findet die folgende (n,γ)−Kernreaktion statt:

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,3\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$.

Diese Probe aus Berkeley wurde von Uran, Neptunium und Spaltprodukten gereinigt. Im Raum 405 wurde am 20. August 1942 in mehrfachen analytischen Reinigungs-, Oxidations- und Reduktions-Schritten mittels Mitfällung (genauer mit dem Lanthanfluorid-Trägerverfahren)^[13][14] schlussendlich ein Plutoniumfluorid-Niederschlag (Plutonium in den Hauptvalenzzuständen Pu(III) und Pu(IV)) gewonnen.

Erste Wägung

Am 10. September 1942 wurde eine weitere Probe als Plutoniumhydroxid gefällt. Das Plutoniumoxid PuO₂ wurde zu 2,77 μg gewogen. Es war das erste gewogene Plutonium in Reinform.^[15]

Zu dieser Zeit wurden weitere kleine Mengen analytisch dargestellt. Erst später wurden am Los Alamos Scientific Laboratory (LASL) der University of California erste Grammmengen (>> 10 g) hergestellt.^[16] Darüber hinaus wurde in Chalk River in Kanada sehr früh mit der Erforschung von Plutonium und Kernbrennstoffen als Teil der Kerntechnik begonnen.^[17] In Frankreich wurde das neue Kernmaterial erstmals in den 1950er Jahren dargestellt.^[18]

Metall und weitere Eigenschaften

Ende 1943 gelang es anderen Wissenschaftlern des „Met Lab“, metallisches Plutonium (etwa 3 μg) darzustellen.^[19] Dabei reagierten rund 35 μg PuF₄ mit metallischem Barium bei 1.400 °C. Die Dichte der dabei entstandenen Plutonium-Kügelchen wurde als rund 16 g/cm³ bestimmt.

Etwa ab diesem Zeitpunkt wurden Produktionskapazitäten in Hanford errichtet. Später untersuchten Seaborg und seine Mitarbeiter auch das natürliche Vorkommen von Plutonium.^[20] Erst ab Mitte der 1950er Jahre wurde der technische PUREX-Prozess aufgebaut. Dieser ist heute der Stand der Technik für den nuklearen Brennstoffkreislauf zur Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen.