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Was ist Plutonium?
Plutonium
ist physikalisch-chemisch gesehen ein Element mit der Kernladungszahl
94 und gehört zu den Actiniden. Es ist ein Schwermetall und
deshalb auch so giftig wie die meisten Schwermetalle. Seine
chemische Toxizität (ohne seine Radioaktivität!) ist der von
Barium oder Beryllium ähnlich, Elementen, die in vielen Labors
und im technischen Alltag gebräuchlich sind. Kernphysikalisch
sind die meisten Pu-Isotope relativ langlebige Atomkerne,
die unter Emission von a-Teilchen
(Heliumkernen) in Uran zerfallen (Ausnahme nur das 241Pu,
was sich unter b--Zerfall
in 241Am wandelt). Das gebräuchlichste Isotop 239Pu
zerfällt mit einer Halbwertszeit von 24110 Jahren unter Aussendung
von a-Teilchen von 5,096 - 5,157
MeV in 235U. Seine spezifische Aktivität beträgt
2000 Bq/µg, also 2000 Bq pro einem Millionstel Gramm. (1 m sind 1/1.000.000).Plutonium
kommt in der Natur vor und wird durch natürliche Prozesse
(natürliche Kernreaktionen mit der Höhenstrahlung) in Uran
ständig gebildet. Auch wenn große Mengen durch Menschenhand
geschaffen wurden, gibt es immerhin rd. 300 Tonnen natürliches
Plutonium im Erdboden über den Planeten verteilt, das durch
diesen natürlichen Prozess erzeugt wurde. Diese relativ große
Menge ist aber eben über die ganze Erde verteilt, und deshalb
kaum nachweisbar. 1971 berichteten amerikanische Wissenschaftler
[Darlenne Hoffman, Nature 234, 132 (1971)] - vom erfolgreichen
Nachweis geringster Mengen des langlebigsten Plutoniumsiotops
Pu-244 (Halbwertszeit 8,26*107 Jahre) in einem
kalifornischen Erz. Dieses Plutonium stammt aus der Zeit der
Elemententstehung in unserem Sonnensystem (wurde also natürlich
gebildet, wie alle anderen Elemente auch). Weiterhin wurden
1972 in Oklo/Gabun geringe Mengen von 239Pu entdeckt.
In diesem prähistorischen natürlichen Kernreaktor wurden vor
etwa 2 Milliarden Jahren durch Einfang von Neutronen, die
aus der Spaltung von 235U und aus der Spontanspaltung
des 238U entstehen, mindestens eine Tonne Plutonium
gebildet. Dieses Plutonium ist bis heute fast völlig radioaktiv
zerfallen. (siehe Oklo - Kernreaktoren und nukleare Endlager: keine Erfindung des
Menschen) 
Das
Plutonium, welches man heute sehr leicht mit empfindlichster
moderner Analysentechnik überall in der Umwelt nachweisen
kann, stammt aber aus oberirdischen Kernwaffenversuchen aus
der Zeit des kalten Krieges, und von Abstürzen zumeist militärischer
Satelliten mit Plutonium-Batterien.
Freisetzung von Plutonium
In der Zeit von Juli 1945 bis Oktober 1980 wurden 423 oberirdische Kernwaffenversuche durchgeführt. Die dabei freigesetzte Plutoniummenge wird weltweit auf 3 bis 5 t (ca. 1016 Bq) geschätzt [W. Koelzer, Plutonium, KfK-Bericht 4516, Kernforschungszentrum Karlsruhe, März 1989]. Bis heute sind zwei schwere Unfälle mit plutoniumhaltigen Bomben bekannt geworden, wobei es nicht zu einer Atomwaffenexplosion kam, jedoch wurde Plutonium in einer Menge von einigen kg freigesetzt. Die betroffenen Böden wurden abgetragen und in Fässer verpackt. Allerdings werden die Restkontaminationen der kontaminierten Flächen auf 30 g bzw. 400 g Plutonium abgeschätzt [C. Keller, Chemiker-Zeitung 103, 139 (1979)]. Auch beim Absturz von Satelliten, die mit 238PuO2-Isotopenbatterie ausgestattet waren, wurde 238Pu freigesetzt. Aus den Atomwaffenlaboratorien wurden g-Mengen von Plutonium durch Unfälle freigesetzt.Der bisher schwerste Kernreaktorunfall ereignete sich am 26. April 1986 in Tschernobyl. Der größte Teil des Plutoniums verblieb - im Gegensatz zu den Spaltprodukten wie Cäsium und Strontium - wegen der geringen Flüchtigkeit entweder im Reaktor selbst oder in der näheren Umgebung des Unfallortes.Durch die Wiederaufarbeitungsanlage in Sellafield / Großbritannien wurden lokal bis zu 1,5 * 1013 Bq Gesamt-a-Aktivität in die Irische See geleitet, wovon sich 90 % des Plutoniums in den Seesedimenten abgelagert hat. [W. Koelzer, Plutonium, KfK-Bericht 4516, Kernforschungszentrum Karlsruhe, März 1989]
Verhalten von Plutonium in der Umwelt
Der Transport auf der Erdoberfläche erfolgt fast ausschließlich durch Resuspension, da die Beweglichkeit (Mobilität) des Plutoniums im Boden außergewöhnlich niedrig ist. Bei Untersuchungen über das Tiefenprofil des Fallout-Plutoniums ergab sich für Stellen, die mindestens 15 Jahre ungestört waren, daß sich in Schichttiefen unterhalb 30 cm weniger als 5 % des Gesamtplutoniums befinden [Hardy, Nucl.Sci.Abstr. 26(10), 1972]. Die langsame Wanderung ist von der Chemie des Plutoniums her verständlich. Das vierwertige Plutonium hydrolysiert und bildet Polymere. Diese werden von Bodenbestandteilen aufgenommen und sind praktisch kaum desorbierbar. Hier besteht eine Abhängigkeit von der Bodenstruktur wobei auch der pH-Wert des Bodens bestimmend ist. Die Menge und Art an Tonmineralien wirkt sich in zweifacher Form aus: als mechanischer Filter und als Ionentauscher. Im Wasser befinden sich nur ein Tausendstel des Plutoniums wie im darunterliegenden Boden. Es wird daher schlecht abtransportiert und somit nur langsam von Pflanzenwurzeln aufgenommen. In Gewässern erfolgt fast ausschließlich Sedimentation. Es sind einige Algen und Muscheln bekannt, die vierwertiges Plutonium anreichern und deshalb als Bioindikatoren für dieses Element dienen.
Plutonium im Menschen
Die Ingestion trägt wenig (etwa 0,1 %) zur Plutonium-Kontamination der Bevölkerung bei, die Hauptaufnahme erfolgt über Inhalation. Für die Anlagerung des inhalierten, mit Plutoniumdioxid (PuO2) beladenen Aerosols ist im Atmungstrakt die Teilchengröße mitbestimmend. Bei relativ feinkörnigen Aerosolen (von 0,1 µm) erreichen etwa 30 % der Aktivität die Lunge, bei 1 µm nur noch 0,03%. Der Aktivitätstransfer zwischen dem Atmungstrakt und der Körperflüssigkeit hängt in komplizierter Weise von der physikalisch-chemischen Beschaffenheit des inhalierten Aerosols ab. Von der in die Körperflüssigkeiten transferierten Plutoniumaktivität werden 50 % im Skelett und 30 % in der Leber abgelagert. Der Rest wird sofort wieder ausgeschieden. Die biologischen Halbwertszeiten betragen im Skelett 50 und in der Leber 20 Jahre [Gesellschaft für Strahlenschutz- und Umweltforschung München, Plutonium, Mensch und Umwelt, 1989]. Eine biochemische, toxische Wirkung des Plutoniums wird erst bei hohen Konzentrationen (LD50 (intravenös) = 1 mg 239Pu / kg Körpergewicht kleiner Nagetiere) im Blut beobachtet. Die Letaldosis beim Menschen beträgt durch Inhalation 0,05 g 239Pu, das sind immerhin 100 Millionen Bq. (Zum Vergleich: die folgende Tabelle! Dioxin - bekannt aus den Medien ist also viel viel giftiger!))
Substanz LD50 |
Verabreichung |
Ethanol 10 000 |
Injektion |
Morphin 900 |
Injektion |
Nikotin 1 |
Injektion |
Plutonium-239 1 |
Injektion |
Plutonium-239 2 |
Inhalation |
Tetradotoxin 0,1 |
Injektion |
Dioxin 0,001 |
Injektion |
Botolinustoxin 0,00001 |
Injektion |
Plutonium wird vom Transferrin gebunden, das für den Eisentransport zuständig ist. Unter der radiotoxischen Wirkung versteht man die Schädigung der Zellen durch die ionisierende -Strahlung, was zum Zelltod führen kann. Als Spätschäden treten Lungenkrebs und Leukämie auf, da es durch die Ionisierung der a-Teilchen an der DNS zu irreparablen Genveränderungen kommen kann.
Was
bedeutet das für den Umgang mit Plutonium?
Die
Abbildungen zeigen einige Verbindungen des vierwertigen Plutoniums
in Lösungen: Hier zeigt sich die Farbenvielfalt der verschiedenen
Oxidationsstufen des Plutoniums.
[Foto: Los Alamos National Laboratory, USA]
Die Strahlung des Plutoniums reicht in der Luft nur einige Zentimeter weit und wird zum Beispiel schon von einem Blatt Papier oder von Stoffhandschuhen vollständig zurückgehalten. Der Kreis von Personen, die beruflich mit Plutonium zu tun haben (etwa in Forschungszentren), wird besonders sorgfältigen Kontrollen und Schutzvorkehrungen unterzogen. So befindet sich das Plutonium während der gesamten Bearbeitung immer in einsehbaren, abgeschlossenen Behältnissen, in dem der Mitarbeiter durch Fernhantierung oder fest installierte Gummihandschuhe (Handschuhkasten, Foto folgt) sicher und ohne jeden direkten Kontakt mit dem Stoff arbeiten kann. zudem gibt es ein getrenntes Lüftungssystem mit Unterdruck, so daß keine Luft aus dem Behältnis in die Atemluft eindringen kann.
Möglichkeiten des Nachweises
Für die umweltrelevanten Plutoniumisotope dominiert der a-Zerfall. Nachweisen kann man deshalb Plutonium durch a-Spektrometrie, einer gängigen radiochemischen Analysenmethode. Weitere spurenanalytische Verfahren sind verschiedene Methoden der Massenspektroskopie, wobei die Resonanz-Ionisationsmassenspektroskopie (RIMS) heute mit Nachweisgrenzen von 106 Atomen die erfolgreichste darstellt.Als weitere Bestimmungsverfahren für 239Pu seien noch die Messung b-verzögerter Neutronen nach neutroneninduzierter Spaltung und die Spaltspurmethode erwähnt. Die a-Spektroskopie ist um 3 Größenordnungen unempfindlicher, weil sie durch die lange Halbwertszeit von 239Pu beschränkt ist. Die Messung der b-verzögerten Neutronen ist für Routineuntersuchungen (hohe Anzahl von Proben) zu empfehlen.
Abb.: RIMS-Spektrum von Plutonium einer “normalen” Meerwasserprobe mit 33 mBq/m3 239Pu (244Pu ist als bekannte Konzentration zur Bestimmung der chemischen Ausbeute - “Spike” - zugesetzt)Die Abbildung zeigt ein RIMS-Spektrum mit Plutonium-Isotopen aus einer Meerwasserprobe. Neben dem großen Signalpeak für das Isotop 244, was der Analytiker zur Bestimmung selbst zusetzt (also in der Umweltprobe nicht vorhanden ist) zeigt sich vorrangig das Plutoniumisotop 239 und wenig mit der Massenzahl 240. Die Probe ist also Plutonium, wie es aus Atombombentests freigesetzt wird. Da Reaktorplutonium eine völlig andere Isotopensignatur zeigen würde, kann man sehr genau auf die Herkunft von Plutoniumkontaminationen schließen.
Kommentar zum Nutzen
Über den Nutzen von Plutonium kann man trefflich streiten. Für einen nüchternen Naturwissenschaftler gibt es dabei nur zwei Fakten. Plutonium entsteht bei der Nutzung der Kernenergie, wenn man dafür Uran einsetzt (anders ist das bei Thorium), da Uran zum wesentlichen Teil aus dem Isotop mit der Massenzahl 238 besteht. Der sichere Umgang mit diesem Stoff ist demonstriert wurden und die Gefährlichkeit ist nicht größer, als bei manch anderen chemischen Giftstoffen. Da Plutonium nun einmal anfällt, kann man es im Sinne einer Ressourcenschonung sinnvoll zur Energiegewinnung wieder einsetzen, anstatt es in der Erde zu vergraben. Die Ressourcenschonung wird für die Zukunft unseres Planeten noch eine bedeutende Rolle spielen.Weitere Informationen
Lesen
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Watt Pu-238 Quelle, wie sie in einer Raumfahrtmission 1970
verwendet worden ist. Die Quelle ist 250g schwer und ungefähr
3 cm im Durchmesser.
[Foto: Los Alamos National Laboratory, U.S.A]
