Wie wir wissen, sind extrem lange Halbwertszeiten schlecht für die Leistung der Radioisotopenbatterie. Es bleibt also nur der Blick auf den oberen Teil der Tabelle. Cadmium-113m und Zinn-121m entstehen in zu kleinen Mengen. Europium-155 und Samarium-153 entstehen zwar bei der Kernspaltung, absorbieren die reichlich vorhanden Neutronen im Reaktor aber so gut, dass sie vollständig zu andere Stoffe verwandelt (“transmutiert”) werden. Krypton-85 ist als Edelgas ungeeignet.
Es bleiben hier nur noch Strontium-90 und Caesium-137 zur Auswahl, die ich schon besprochen habe. Beide können bei der Aufarbeitung von Brennstäben aus Kernreaktoren gewonnen werden. Tatsächlicht erlangte Sr-90 beim Einsatz in Radioisotopenbatterien traurige Berühmtheit. Nicht in der Raumfahrt, sondern beim Einsatz als Energiequelle für Leuchttürme an der sibirischen Küste. Durch den vollständigen Kollaps der Wirtschaft nach dem Zerfall der Sovietunion wurden diese nun ganz sich selbst überlassen und teilweise auch von Plünderern beschädigt.
“Soviet RTG” (Finnmark regional government – CC)
Actinide
Actinide werden auch Transurane oder Aktivierungsprodukte genannt. Sie entstehen im Betrieb eines Reaktors aus dem Uran der Brennstäbe, das nicht gespalten wird. Zum einen werden nur 88% der Uran-235 Atome tatsächlich gespalten, wenn sie ein Neutron einfangen. Daraus entsteht das eher uninteressante Uran-236. Aus Uran-236 kann durch ein weiteres eingefangenes Neutron und einen Beta-Zerfall auch eine kleine Menge Neptunium-237 entstehen.
Die meisten Actinide entstehen, wenn das nicht spaltbare Uran-238 langsame Neutronen einfängt. Uran-238 macht dn größten Teil des Urans in einem Brennstab aus. Daraus entsteht zunächst das spaltbare Plutonium-239. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa 24000 Jahren zu Uran-235, was aber zu lang für eine Radioisotopenbatterie ist. Wenn Pu-239 ein (langsames) Neutron einfängt, wird es in 2 von 3 Fällen gespalten. Wenn nicht, entsteht das nächst höhere Isotop, das mit langsamen Neutronen nicht spaltbar ist: Pu-240.
Je nach Reaktor ist knapp die Hälfte aller im Betrieb gespaltenen Atome ein Pu-239 Atom. Damit ist klar, das auch viel Pu-240 vorhanden sein wird. Das ist auch gut so, denn Plutonium mit großem Pu-240 Anteil ist nicht mehr für Atombomben geeignet. Aber beim Bau von Radioisotopenbatterien bringt uns auch das nicht weiter. Pu-240 hat eine Halbwertszeit von knapp 10.000 Jahren, was immernoch zu lang ist.
Um so länger ein Brennstab im Reaktor bleibt, um so mehr Pu-240 bildet sich und um so mehr Pu-240 Atome haben Zeit, noch ein weiteres Neutron einzufangen. Dabei entsteht wieder das nächst höhere Isotop: Pu-241. Das ist zwar spaltbar, aber wegen der großen Mengen Pu-240 in den Brennstäben entsteht das Pu-241 zunächst viel schneller als es Neutronen einfangen oder gespalten werden kann. Am Ende sieht der Plutonium-Gehalt der Brennstäbe ungefähr so aus:
Und hier wird es interessant, weil Pu-241 ein Beta-Strahler mit knapp 15 Jahren Halbwertszeit ist. Dabei entsteht ein Isotop des nächsthöheren Elements – Americium-241. Das kennen wir schon, daraus möchte die ESA ihre Radioisotopenbatterien bauen. Besonders reines Americium-241 erhält man, wenn man wartet bis es von allein im Plutonium aus den Wiederaufarbeitungsanlagen entsteht.
Nun mag man sich fragen: Ok, wir wissen wie man Pu-239 erzeugt und so ziemlich jedes höhere Plutonium-Isotop. Wie um alles in der Welt kommen wir zu Pu-238?
Transmutation
Plutonium ist das nächsthöhere Element nach Neptunium. Ein Beta-Zerfall kann aus einem Neptunium-Isotop ein Plutonium-Isotop machen. Aus Uran-238 kann nur deswegen durch einen Neutroneneinfang ein Plutonium-239 Atom entstehen, weil Uran-239 ein sehr instabiler Beta-Strahler ist und zu Neptunium-239 wird. Das ist genauso instabil. Und so erhalten wir Plutonium-239.
Die Herstellung von reinem Plutonium-238 funktioniert so ähnlich. Neptunium-238 ist ein sehr instabiler Beta-Strahler, der sich in Pu-238 verwandelt. Neptunium-237 hingegen ist relativ stabil, mit einer Halbwertszeit von einer halben Million Jahren. Man muss also nur eine Probe aus reinem Np-237 den Neutronen eines Kernreaktors aussetzen und es entsteht Pu-238.
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