Woher kommen eigentlich die Radioisotope und warum gibt es kaum noch Plutonium-238 für Raumsonden? In Teil 3 schauen wir uns an, welche möglichen Quellen es für Radioisotope gibt.(Teil 1 hat sich mit der Frage beschäftigt, wozu man Radioistopenbatterien braucht. Teil 2 hat erklärt, woran man ein taugliches Radioisotop für diesen Zweck erkennt.)
Bergbau
In größeren Mengen findet man in der Natur nur Uran und Thorium. Die kürzeste Halbwertszeit der beiden hat Uran-235. Bei einer Halbwertszeit von 700mio Jahren bräuchte man aber 10 Tonnen U-235 um ein Gramm Pu-238 zu ersetzen.
In der Natur kommt auch Radium-226 vor. Ein Zerfallsprodukt von Uran-238, das mit einer Halbwertszeit von 1600 Jahren in jedem Uranerz vorkommt. Wenn man der Wikipedia glauben darf, dann werden heute jedes Jahr ungefähr 100g Radium-226 produziert. Selbst wenn mehr davon produziert würde, ist Radium-226 auf keinen Fall ein guter Kandidat für eine Radioisotopenbatterie.
Radium-226 zerfällt zu Radon-222, ein radioaktives Edelgas mit kurzer Halbwertszeit, an das sich noch eine ganze Kette weiterer sehr instabiler Stoffe anschließen, die in vergleichsweise kurzer Zeit zerfallen. Wenn man unbedingt will, kann man das positiv sehen. Jeder weitere Alpha-Zerfall setzt nochmal 5-6 MeV Energie frei. Bis man schließlich und endlich bei stabilem Blei-206 ankommt. Über die ganze Kette verteilt wird so viel Energie frei, dass die Bilanz sogar besser als bei Americium-241 ist. Allerdings handelt man sich damit eine riesengroße Sauerei ein, wie überall in der Natur wo es Uran- oder Thoriumvorkommen gibt.
Denn das Radon Gas bleibt nicht unbedingt in dem Uranerz oder Radium. Es bleibt aber nur kurze Zeit ein Gas, nach dem nächsten radioaktiven Zerfall wird es wieder zum Metall. (Polonium und Blei zum Beispiel). Die immernoch instabilen, radioaktiven Zerfallsprodukte setzen sich im besten Fall wieder auf dem Radium oder an der Behälterwand ab. Aber ein Teil bildet einen sehr feinen radioaktiven Staub, der im Behälters freigesetzt würde. Deswegen wird Plutonium-238 in der Praxis in eine widerstandsfähige keramische Form gebracht. Auch wenn es beschädigt wird, kann man ein festes Material noch ohne zu große Rückstände einsammeln.
Wenn man andere radioaktive Stoffe in größeren Mengen herstellen möchte, muss man auf Kernreaktoren zurück greifen.
Spaltprodukte
Die Kernspaltung ist die offensichtlichste Methode, in einem Kernreaktor an radioaktives Material heran zu kommen. Ein großes Atom (wie U-235) wird gespalten, es kommen zwei kleinere Atome heraus. Die Spaltung passiert dabei nach dem Zufallsprinzip. Das genaue Ergebnis läßt sich im Einzelfall nicht vorhersagen. Fest steht nur: Meistens wird kein stabiles Atom dabei heraus kommen. Große Atomkerne brauchen viel mehr Neutronen um stabil zu sein als kleine Atomkerne. Diese Form von radioaktivem Abfall ist bei der Kernspaltung unvermeidlich. Probleme mit dem Nachschub wird man also nicht haben.
Wenn man ein großes Atom in zwei kleine zerteilt, haben die zu viele Neutronen für ihre Größe um stabil zu sein. Ein paar Neutronen stoßen die kleinen Atomkerne direkt ab, aber die meisten überschüssigen Neutronen im Kern verwandeln sich im Lauf der Zeit zu einem Proton und ein Elektron. Wegen dem zusätzlichen Proton verwandelt sich das Atom in ein Element mit einer um 1 höheren Ordungszahl im Periodensystem. Diesen unvermeidlichen Prozess nennt man Beta-Zerfall und daraus könnte man Energie beziehen, mit allen Problemen die ich dazu schon im letzten Beitrag beschrieben habe. (Übrigens: Beim Alpha-Zerfall verliert ein Atom zwei Protonen und zwei Neutronen und wird ein Element mit einer um zwei niedrigeren Ordungszahl.)
In der englischen Wikipedia gibt es eine gute Darstellung der Spaltprodukte:
Wir sehen die Halbwertszeit in der Spalte links und die Spaltprodukte entsprechend ihrer Häufigkeit rechts. Wie man sieht entstehen bei der Kernspaltung nur Stoffe mit Halbwertszeiten zwischen 4 und 97 Jahren, sowie zwischen 210.000 Jahren und 15mio Jahren. (Es gibt noch Stoffe mit kürzeren Halbwertszeiten die schneller zu stabilen Stoffen werden. Aber die sind weder für Radioisotopenbatterien noch für langfristige Atommülllagerung interessant, weshalb sie in der Tabelle auch nicht auftauchen.)
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