Plutonium-244 ( <sup>244</sup> Pu ) ist ein Plutoniumisotop mit einer Halbwertszeit von 81,3 Millionen Jahren. Diese ist länger als die aller anderen Plutoniumisotope und auch länger als die aller anderen bekannten Isotope anderer Elemente außer Bismut, mit Ausnahme der drei natürlich vorkommenden: Uran-235 (704 Millionen Jahre), Uran-238 (4,463 Milliarden Jahre) und Thorium-232 (14,0 Milliarden Jahre). Angesichts der Halbwertszeit von <sup>244</sup> Pu dürfte noch eine extrem geringe Menge auf der Erde vorhanden sein, was Plutonium zu einem wahrscheinlichen, aber noch nicht bewiesenen Kandidaten für das kurzlebigste Urelement macht .

Natürliches Vorkommen

Präzise Messungen, die Anfang der 1970er Jahre begannen, schienen primordiales Plutonium-244 nachzuweisen [ 4 ] , was es zum kurzlebigsten primordialen Nuklid macht . Da das Alter der Erde etwa 56 Halbwertszeiten von <sup>244</sup> Pu entspricht, dürfte die verbleibende Menge an <sup>244 </sup>Pu sehr gering sein; Hoffman et al. schätzten seinen Gehalt im Seltenerdmineral Bastnäsit auf c<sub> 244</sub>  = 1,0 × 10<sup> −18</sup>  g/g, was einem Gehalt in der Erdkruste von nur 3 × 10<sup> −25</sup>  g/g entspricht [ 4 ] (d. h. die Gesamtmasse von Plutonium-244 in der Erdkruste beträgt etwa 9 g). Da 244Pu in der Umgebung von Uranerzen mit niedriger Neutronenaktivität nicht ohne Weiteres durch natürlichen Neutroneneinfang erzeugt werden kann (siehe unten), lässt sich sein Vorhandensein plausibel nur durch eine Entstehung mittels r-Prozess -Nukleosynthese in Supernovae oder Neutronensternverschmelzungen erklären .

Die 1971 erfolgte Entdeckung von primordialem <sup>244</sup> Pu konnte jedoch durch neuere, empfindlichere Messungen [ 5 ] mittels Beschleuniger-Massenspektrometrie nicht bestätigt werden . In einer Studie aus dem Jahr 2012 wurden in Bastnäsitproben ( aus demselben Bergwerk wie in der früheren Studie) keine Spuren von <sup>244</sup> Pu gefunden, sodass lediglich eine obere Grenze für den <sup>244</sup> Pu-Gehalt ermittelt werden konnte: c<sup> 244</sup>  < 1,5 × 10 <sup>−19  </sup> g/g: 370 (oder weniger) Atome pro Gramm Probe, mindestens siebenmal niedriger als die von Hoffman et al. [ 5 ] gemessene Häufigkeit . Eine weitere Studie aus dem Jahr 2022, die ebenfalls Beschleuniger-Massenspektrometrie einsetzte, konnte in Bayan-Obo- Bastnäsit kein <sup>244</sup> Pu nachweisen und fand eine obere Grenze von < 2,1 × 10 <sup>−20</sup>  g/g (etwa siebenmal niedriger als in der Studie von 2012). Die 1971 erfolgte Detektion kann daher kein Signal für primordiales <sup>244</sup> Pu gewesen sein. Unter Berücksichtigung des wahrscheinlichen Häufigkeitsverhältnisses von <sup>244</sup> Pu zu <sup>238</sup> U im frühen Sonnensystem (~0,008) [ 5 ] ist diese Obergrenze immer noch 18-mal höher als der erwartete heutige <sup>244</sup> Pu-Gehalt in der Bastnäsitprobe (1,2 × 10 <sup>−21  </sup> g/g). [ 6 ]

Lebendes interstellares Plutonium-244 wurde in Meteoritenstaub in marinen Sedimenten nachgewiesen, allerdings sind die gemessenen Konzentrationen deutlich geringer als aufgrund aktueller Modelle des Eintrags aus dem interstellaren Medium zu erwarten wäre . [ 7 ] Spuren von <sup>244</sup> Pu wurden auch in Gesteinen aus dem Pazifik von einem japanischen Ölkonzern gefunden . [ 8 ] Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass das Plutonium-244, um ein primordiales Nuklid zu sein – dessen Ursprung im sonnenumlaufenden Amalgam liegt, aus dem sich schließlich die Erde bildete –, aus dem solaren Nebel stammen muss und nicht durch extrasolaren Meteoritenstaub nachgeliefert worden sein darf.

Als erloschenes Radionuklid

Ein Vergleich der relativen Ausbeuten an fissiogenem Xenon in den Meteoriten Pasamonte und Kapoeta mit denen einer Laborprobe von Plutonium-244. [ 9 ]

Plutonium-244 ist eines von mehreren ausgestorbenen Radionukliden , die vor der Entstehung des Sonnensystems existierten. Seine Halbwertszeit von 81,3 Millionen Jahren gewährleistete seine Zirkulation im gesamten Sonnensystem vor seinem Erlöschen [ 10 ] , weshalb Spuren davon auch im gesamten Sonnensystem zu finden sein sollten [ 11 ] . Radionuklide wie <sup> 244</sup> Pu zerfallen und erzeugen spaltbare Xenon- Isotope, die zur Datierung der Ereignisse im frühen Sonnensystem verwendet werden können. Tatsächlich lässt sich durch die Analyse von Daten aus dem Erdmantel, die darauf hindeuten, dass etwa 30 % des vorhandenen spaltbaren Xenons aus dem Zerfall von <sup>244</sup> Pu stammen, schließen, dass die Erde etwa 50–70 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems entstand [ 12 ] .

Vor der Analyse massenspektrometrischer Daten aus Meteoritenproben war es bestenfalls eine Vermutung, dass <sup> 244</sup> Pu das für das gefundene spaltbare Xenon verantwortliche Nuklid war. Die Analyse einer Laborprobe von <sup>244</sup> Pu im Vergleich zu spaltbarem Xenon aus den Meteoriten Pasamonte und Kapoeta ergab jedoch übereinstimmende Spektren, die sofort Zweifel an der Quelle der Xenon-Isotopenanomalien aufkommen ließen. Spektrendaten eines weiteren Aktinidenisotops, <sup> 244</sup> Cm , wurden zwar erhoben, erwiesen sich aber als widersprüchlich und beseitigten weitere Zweifel daran, dass die Spaltung korrekterweise <sup> 244 </sup>Pu zuzuordnen war . [ 9 ]

Both the examination of spectra data and study of fission tracks led to several findings of plutonium-244. In Western Australia, the analysis of the mass spectrum of xenon in 4.1–4.2-billion-year-old zircons was met with findings of diverse levels of 244Pu fission.[10] Presence of 244Pu fission tracks can be established by using the initial ratio of 244Pu to 238U (Pu/U)0 at a time T0 = 4.58×109 years, when Xe formation first began in meteorites, and by considering how the ratio of Pu/U fission tracks varies over time. Examination of a whitlockite crystal within a lunar rock specimen brought by Apollo 14, established proportions of Pu/U fission tracks consistent with the (Pu/U)0 time dependence.[11]

Plutonium-244 is not detected from its decay products, as other extinct radionuclides are, as it would have become thorium-232, the only primordial isotope of its elements and so undetectable from isotopic analysis.

Production

Unlike plutonium-238, plutonium-239, plutonium-240, plutonium-241, and plutonium-242, plutonium-244 is not produced in quantity by the nuclear fuel cycle, because further neutron capture on plutonium-242 produces plutonium-243 which has a short half-life (~5 hours) and quickly beta decays to americium-243 before having much opportunity to further capture neutrons in any but very high neutron flux environments.[13] The global inventory of 244Pu is about 20 grams.[14] Plutonium-244 is also a minor constituent of thermonuclear fallout, with a global 244Pu/239Pu fallout ratio of (5.7 ± 1.0) × 10−5.[15]

Applications

Plutonium-244 is used as an internal standard for isotope dilution mass spectrometry analysis of plutonium.[14]

References

  1. ^ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). „Die NUBASE2020-Bewertung nuklearer Eigenschaften“ (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
  2. ^ Wang, M.; Audi, G.; Kondev, FG; Huang, WJ; Naimi, S.; Xu, X. (2017). „Die AME2016-Atommassenbewertung (II). Tabellen, Grafiken und Referenzen“. Chinese Physics C . 41 (3) 030003. doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030003 .
  3. ^ Nationales Nukleardatenzentrum . „NuDat 3.0-Datenbank“ . Brookhaven National Laboratory .
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