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Plutonium

Plutonium (Elementsymbol Pu) ist ein radioaktives und gleichzeitig auch chemisch sehr giftiges Schwermetall, welches zu den Transuranen (den Elementen jenseits des Urans) gehört. Es kommt wie die anderen Transurane in der Natur nur in winzigsten Spuren vor, wird aber in Kernreaktoren in erheblichen Mengen erzeugt – teils gewollt, teils als eher unerwünschtes Nebenprodukt. Weltweit wurden bisher über 1000 Tonnen Plutonium erzeugt.

Es gibt eine ganze Reihe unterschiedlicher Isotope des Plutoniums, die sich kernphysikalisch erheblich unterscheiden, obwohl sie allesamt Radionuklide sind. Am bedeutendsten ist das Plutonium 239 (²³⁹Pu), welches leicht spaltbar ist und pro Spaltung etliche Neutronen liefert, somit auch eine besonders geringe kritische Masse für eine Kernspaltungs-Kettenreaktion aufweist. Daher eignet es sich sowohl zur Nutzung in Leichtwasserreaktoren als auch in Atombomben; Plutonium-Bomben können besonders kompakt hergestellt werden, und es wird deutlich weniger spaltbares Material benötigt als bei einer Uran-Bombe. Durch wiederholten Neutroneneinfang entstehen auch schwerere Plutoniumisotope, im Wesentlichen bis zum kurzlebigen Plutonium 243, welches zu Americium 243 zerfällt. Durch Bestrahlung von Uran 235 lassen sich auch leichtere Plutoniumisotope herstellen. Insbesondere das Plutonium 238 hat eine Bedeutung als Grundstoff für Radionuklidbatterien, wie sie in manchen Weltraumsatelliten verwendet werden. Darin erzeugt das Plutonium Wärme, und seine Strahlung lässt sich bereits mit einer dünnen Abschirmung blockieren. Trotzdem ist das Material bei Austritt extrem gefährlich.

Die Halbwertszeiten der Plutonium-Isotope sind extrem unterschiedlich – zwischen ca. 5 Stunden (²⁴³Pu) und 80 Millionen Jahren (²⁴⁴Pu). Das bedeutende Plutonium 239 hat eine Halbwertszeit von 24 110 Jahren.

Die radiologische Gefährlichkeit des Plutoniums 239 entsteht zum Großteil erst, wenn das Material in den Körper gelangt, etwa durch Inhalation oder Verschlucken. Die ganz überwiegend ausgesandte α-Strahlung hat nämlich nur eine sehr kurze Reichweite, richtet aber in den direkt getroffenen Körperzellen große Schäden an. Bereits einige Mikrogramm (Millionstel Gramm) Plutonium in der Lunge können mit hoher Wahrscheinlichkeit die Entstehung von Lungenkrebs auslösen.

Entstehung und Verwendung von Plutonium in der heutigen Kernenergiewirtschaft

In Kernreaktoren, die mit Uran-Kernbrennstoff betrieben werden, entsteht Plutonium zwangsläufig durch Neutroneneinfang, hauptsächlich aus dem schwereren (und mengenmäßig im Reaktor meist dominierenden) Nuklid Uran 238 (mit Uran 239 und Neptunium 239 als Zwischenprodukten).

Ein Teil des entstehenden Plutoniums wird in den Brennstäben wieder gespalten, bevor diese dem Reaktor entnommen werden. Es entstehen dabei zusätzliche Wärmeenergie und ähnliche radioaktive Spaltprodukte wie beim Uran. Ein anderer Teil bleibt bis zur Entnahme der Brennstäbe erhalten. Dieser Anteil an Plutonium 239 zerfällt danach sehr langsam mit der oben genannten Halbwertszeit von 24 110 Jahren, die sehr viel länger ist als die der typischen Spaltprodukte. Deswegen ist der anfängliche Beitrag des Plutoniums zur Radioaktivität der abgebrannten Brennstäbe unbedeutend, aber dafür bleibt er für extrem lange Zeit erhalten und dominiert zusammen mit anderen Transuranen das Langzeit-Gefährdungspotenzial der radioaktiven Abfälle.

Es erscheint von daher auf den ersten Blick attraktiv, das Plutonium im Rahmen der Wiederaufarbeitung aus den abgebrannten Brennstäben zu extrahieren und dieses Reaktorplutonium in Form von Mischoxid-Brennelementen wieder der Nutzung zuzuführen: Das Plutonium wird dann zum größeren Teil gespalten, erzeugt damit nutzbare Energie und wird in Spaltprodukte umgewandelt. Diese strahlen zwar für Jahrhunderte sehr viel stärker, dafür aber langfristig in viel geringerem Umfang. Jedoch hat die Wiederaufarbeitung etliche schwerwiegende Nachteile, die diesen Nutzen relativieren: hohe Kosten, bedeutende Risiken der Prozesse und der Handhabung des Plutoniums, nicht zuletzt auch die Begünstigung einer Nutzung von Plutonium für Atombomben. Aus solchen Gründen wird die Wiederaufarbeitung bis heute nur in recht begrenztem Umfang betrieben und ist eindeutig unwirtschaftlich.

Plutoniumwirtschaft

Plutonium würde sogar eine zentrale Rolle in der Kernenergienutzung spielen, wenn diese stark auf Brutreaktoren gestützt würde. Dieses Konzept einer Plutoniumwirtschaft würde beinhalten, dass Plutonium in großem Umfang aus Uran 238 erbrütet wird, wofür entsprechend optimierte Brutreaktoren benötigt werden. In der Folge würde Plutonium das dominierende spaltbare Material, und ein Großteil auch des Uran 238 könnte energetisch genutzt werden. Hiermit würde die Reichweite der Uranvorräte drastisch verlängert; die Kernenergienutzung wäre auf diesem Wege für etliche Jahrtausende möglich, also weitaus länger als mit dem heute praktizierten System. Vor längerer Zeit wurde der Einstieg in eine solche Plutoniumwirtschaft ernsthaft erwogen, aber die Realisierung ist über erste Anfänge nicht hinausgekommen. Dies liegt hauptsächlich an den sehr negativen Erfahrungen mit Brutreaktoren in diversen Ländern (einschließlich den USA, Russland und Japan), die nirgends annähernd zuverlässig und wirtschaftlich betrieben werden konnten, und auch an den extrem hohen Kosten der Handhabung von Plutonium. Die Realisierung einer Plutoniumwirtschaft dürfte deswegen auf absehbare Zeit nicht erfolgen; unter den heute noch geplanten Kernreaktoren gibt es fast keine Brutreaktoren.

Entsorgung von Plutonium

Da die USA und Russland aufgrund von Abrüstungsvereinbarungen in den nächsten Jahren jeweils Dutzende von Tonnen von Plutonium aus Atomwaffen entfernen müssen, stellt sich hier die Frage, wie dies gefahrlos erfolgen kann. Im Prinzip wäre Plutonium ein Wertstoff, der z. B. in Form von Mischoxid-Brennelementen in Kernkraftwerken eingesetzt werden kann, um dort Uran zu ersetzen. Jedoch wird diese Nutzung durch die extrem hohen Kosten infrage gestellt. Deswegen werden auch andere Methoden der Entsorgung geprüft (beispielsweise das Vergraben in tiefen Stollen), die keine Nutzwirkung haben, aber insgesamt geringere Kosten. Es zeichnet sich aber ab, dass die USA mit welcher Methode auch immer in den nächsten Jahren mindestens ca. 10 Milliarden Dollar werden aufwenden müssen, um einige Dutzend Tonnen Plutonium zu beseitigen. Es dürfte kaum einen anderen Stoff geben, dessen möglichst gefahrlose Beseitigung pro Kilogramm dermaßen hohe Kosten verursacht.

Plutonium bei Reaktorunfällen

Bei schweren Reaktorunfällen besteht die Gefahr, dass Plutonium aus beschädigten Brennstäben austritt und schließlich ins Freie gelangt. Da das Plutonium kaum flüchtig ist, verbreitet es sich nicht ohne Weiteres über große Distanzen, wenn es nicht durch massive Explosionen verteilt wird. Jedoch kann es im Umkreis von einigen Kilometern der betroffenen Anlage zu sehr problematischen Kontaminationen kommen.

Plutonium aus Atombombentests

Vor allem in den 1950er und 1960er Jahren wurden einige Tonnen von Plutonium durch atmosphärische Atombombentests über die gesamte Erdoberfläche verteilt, da die extrem starken Explosionen das Material in sehr große Höhen brachten, von wo es durch Winde weiter verteilt wurde. Wegen der stark zunehmenden Strahlenbelastung durch diese Tests wurden dann 1963 zumindest die atmosphärischen Tests, die den Großteil der Belastung erzeugten, vertraglich verboten. Noch heute lässt sich das damals freigesetzte Plutonium ohne Weiteres nachweisen.

Siehe auch: Uran, Kernspaltung, Kernenergie, Radioaktivität, Radionuklidbatterie, Brutreaktor, radioaktiver Abfall, Halbwertszeit