Thorium

Dieser Artikel behandelt das chemische Element; zur Band siehe Thorium (Band).

Thorium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Th und der Ordnungszahl 90. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block).

Eigenschaften
[Rn] 6d2 7s2 90Th Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Thorium, Th, 90
Elementkategorie	Actinoide
Gruppe, Periode, Block	Ac, 7, f
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7440-29-1
EG-Nummer	231-139-7
ECHA-InfoCard	100.028.308
Massenanteil an der Erdhülle	11 ppm (40. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse	232,0377(4)[3][4] u
Atomradius	180 pm
Kovalenter Radius	206 pm
Elektronenkonfiguration	[Rn] 6d2 7s2
1. Ionisierungsenergie	6.30670(25) eV[5] ≈ 608.5 kJ/mol[6]
2. Ionisierungsenergie	12.10(20) eV[5] ≈ 1167 kJ/mol[6]
3. Ionisierungsenergie	18.32(5) eV[5] ≈ 1768 kJ/mol[6]
4. Ionisierungsenergie	28.648(25) eV[5] ≈ 2764.1 kJ/mol[6]
5. Ionisierungsenergie	58.0(1,9) eV[5] ≈ 5600 kJ/mol[6]
Physikalisch[7]
Aggregatzustand	fest
Modifikationen	2
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert
Dichte	11,724 g/cm3[8]
Mohshärte	3,0
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 8,4 · 10−5)[9]
Schmelzpunkt	2028[8] K (1755 °C)
Siedepunkt	5061 K[8] (4788 °C)
Molares Volumen	19,80 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	530 kJ·mol−1
Schmelzenthalpie	16 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	2490 m·s−1 bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit	6,67 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	54 W·m−1·K−1
Chemisch[10]
Oxidationszustände	+2, +3, +4
Elektronegativität	1,3 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 227Th in Spuren 18,72 d α 6,146 223Ra 228Th in Spuren 1,9131 a α 5,520 224Ra 229Th {syn.} 7917 a[11] α 5,168 225Ra 230Th in Spuren 75.380 a α 4,770 226Ra SF (10−11 %) 231Th in Spuren 25,52 h β− 0,389 231Pa α (10−8 %) 4,213 227Ra 232Th 100 % 1,405 · 1010 a α 4,083 228Ra SF (10−9 %) 233Th {syn.} 22,3 min β− 1,245 233Pa 234Th in Spuren 24,10 d β− 0,273 234Pa
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Gefahren- und Sicherheitshinweise
Radioaktiv
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung keine Einstufung verfügbar[12]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Es ist ein schwach radioaktives, weiches und duktiles Schwermetall, welches das am häufigsten vorkommende radioaktive Element in der Erdkruste ist. Es wird oft aus Monazit gewonnen. Auf der Erde ist es fast ausschließlich als Thorium-232 zu finden, andere Isotope kommen nur in Spuren vor oder sind komplett synthetisch. Früher wurde die Verbindung Thorium(IV)-oxid aufgrund des hohen Schmelzpunktes in Glühstrümpfen verwendet. Aufgrund der Radioaktivität des Thoriums werden gegenwärtig allerdings andere Materialien verwendet. Heutzutage liegt der Fokus eher auf seiner bisher noch experimentellen Verwendung in Flüssigsalzreaktoren, in denen es das Uran ersetzen soll.

Geschichte

Jöns Jakob Berzelius

Der Name Thorium für ein neues Element wurde erstmals 1818 von Jöns Jakob Berzelius verwendet. Er behauptete, dass er 1815 in einem unbekannten Mineral aus Falun eine unbekannte Erde (Metalloxid) gefunden habe, die er nach der germanischen Gottheit Thor Thorina nannte.^[13][14] 1825 verkündete Berzelius jedoch, dass er sich geirrt habe und sich bei weiteren Untersuchungen herausgestellt habe, dass das Mineral nur Yttriumphosphat enthalte.^[15] Als François Sulpice Beudant 1832 das Mineral genauer beschrieb, nannte er es nach dem griechischen κενός kenós für „vergeblich“, „scheinbar“ und τιμή timé „Wert“, „Preis“ Kenotim, um an den Irrtum von Berzelius zu erinnern. Dieser Name veränderte sich schließlich zu Xenotim.^[16]

1828 fand Morten Thrane Esmark auf der norwegischen Insel Løvøya (Løvø) in der Nähe der Ortschaft Brevik ein schwarzes Mineral. Über seinen Vater Jens Esmark gelangte das Mineral zu Berzelius. Dieser untersuchte es und entdeckte ein unbekanntes Element in dem Mineral. Er konnte verschiedene Salze des neuen Elementes und auch unreines metallisches Thorium darstellen. Letzteres gelang durch Reduktion sowohl von Thoriumchlorid als auch von Kaliumpentafluorothorat(IV) mit Kalium. Für die Benennung des Elementes behielt er seine alte Namensgebung nach Thor bei und nannte das neue Element Thorium und das Mineral Thorit.^[17][18] Reines Thorium konnte 1914 durch Reaktion von Thoriumchlorid mit Natrium im Vakuum bei 500 °C hergestellt werden.^[19]

Erstmals verwendet wurde Thorium 1890 von Carl Auer von Welsbach. Er hatte bei der Trennung von Thoriumerzen bemerkt, dass Lösungen, die Thorium und geringe Mengen Cer enthalten, durch eine Flamme stark leuchten können. Daraus entwickelte er einen Glühstrumpf für die Gasbeleuchtung, der etwa 99 % Thorium- und 1 % Cer(IV)-oxid enthielt.^[20]

Die Radioaktivität von Thorium wurde 1898 unabhängig voneinander sowohl von Gerhard Carl Schmidt^[21] als auch kurze Zeit später von Marie Curie^[22] entdeckt.^[23] Ab 1899 erforschte Ernest Rutherford den radioaktiven Zerfall des Thoriums. Dabei fand er, dass die Strahlung im Gegensatz zu der des Urans nicht konstant war, sondern schwankte und dass dies von einem radioaktiven Gas verursacht wurde, das er Emanation nannte. Rutherford hatte damit das Radon entdeckt.^[24][25] Er erforschte in der folgenden Zeit auch zusammen mit Otto Hahn die Zerfallskette des Thoriums, die Thorium-Reihe. Dabei fand Hahn Radiothor und Mesothor, die zeitweise für eigene Elemente gehalten wurden. Radiothor erwies sich als das Thoriumisotop ²²⁸Th und Mesothor als ²²⁸Ra.^[23][26]

Im Rahmen des Manhattan-Projektes fand Glenn Seaborg, dass durch Bestrahlung von ²³²Th mit langsamen Neutronen das Uranisotop ²³³U entsteht, das sich in weiteren Experimenten als spaltbar herausstellte. Die schon 1942 gemachte Entdeckung wurde 1947 veröffentlicht.^[27] Dies kann in Brutreaktoren (Thermischer Brüter) ausgenutzt werden und wurde unter anderem im Kernkraftwerk THTR-300 in Hamm mit einer Mischung aus Thorium und hochangereichertem Uran als Brennstoff erprobt.^[28]

Vorkommen

Monazitsand

Thoriumverbindungen finden sich häufig in Monazitsanden (Ce, La, Nd, Th) [PO₄] + 4...12% ThO₂, im mit Zirkon isomorphen Mineral Thorit ThSiO₄ sowie in Thorianit (Th,U)O₂. Auch Titanit und Zirkon selbst enthalten geringere Mengen Thorium.

In der Erdkruste kommt Thorium mit einer Häufigkeit von 7 bis 13 mg pro kg vor; damit ist es doppelt bis dreimal so häufig wie Uran. Generell ist das Element aufgrund seines lithophilen Charakters in geringen Mengen in fast allen silikatischen Gesteinen vertreten.^[29]

Die weltweit jährlich für die Stromerzeugung verwendete Kohle enthält unter anderem etwa 10.000 t Uran und 25.000 t Thorium, die entweder in die Umwelt gelangen oder sich in Kraftwerksasche und Filterstäuben anreichern.^[30]

Das radioaktive Mineral wird in Australien, Norwegen, Sri Lanka, Kanada, USA, Indien, Lappland und Brasilien abgebaut, wobei bei diesen Monazit-Förderungen Thorium nur als Nebenprodukt gewonnen wird. Die größten bekannten Thoriumressourcen befinden sich derzeit in Indien (ca. 850.000 Tonnen), Brasilien (630.000 Tonnen), Australien und den USA (je 600.000 Tonnen). Die globalen Thoriumressourcen werden auf 6,4 Millionen Tonnen Thorium geschätzt.^[31] Menschliche Knochen enthalten zwischen 2 und 12 µg Thorium pro kg Knochenmasse. Durch Nahrung und Wasser werden täglich zwischen 0,05 und 3 µg aufgenommen.^[32]

Ein für ganz Europa signifikant hohes Thoriumvorkommen befindet sich im Karawanken-Granitpluton in Eisenkappel-Vellach.

Darstellung

Erzverarbeitung

Thorium kommt in primären und sekundären Lagerstätten vor. Bei der Erzaufbereitung werden die Erze der primären Lagerstätte gebrochen und gemahlen. Die Anreicherung geschieht in der Regel durch Flotation. Begleitende Erdalkalikarbonate werden durch eine Salzsäure-Behandlung gelöst. Bei den sekundären Lagerstätten wird in der Regel zuerst eine Schwerkrafttrennung der Mineralfraktionen durchgeführt, gefolgt von einer magnetischen Separation. Der Monazit kann durch seinen Paramagnetismus so von den ferromagnetischen Mineralien und unmagnetischen Mineralien getrennt werden.

Durch Eindickung, Filtration und Kalzinierung wird dann ein Konzentrat aus Thorium- und Seltene-Erden-Verbindungen erzeugt.

Erzaufschluss und Thoriumgewinnung

Monazit ist ein halbwegs inertes Mineral. Das einfachste Verfahren ist der Aufschluss mit heißer Schwefelsäure bei über 200 °C mit anschließender Fällung durch Verdünnung mit Wasser. Die Probleme des Verfahrens sind dabei die langsame Lösung der Körner sowie die Komplexierung der gelösten Metall-Ionen durch Phosphate und Sulfate und die damit verbundenen kleinen Prozessfenster. Daher wurde ein alkalischer Aufschluss mit heißer Natronlauge entwickelt, der eine Abtrennung der Phosphat-Ionen erlaubt. Allerdings setzte sich dieser Prozess nicht durch.

Ab etwa 1950 stieg das Interesse an Thorium höherer Reinheit (Nuclear Grade). Dies führte zu einer Erweiterung des Schwefelsäure-Prozesses um eine Fällung mit Oxalaten, die im Anschluss zu Thorium-Hydroxid umgesetzt werden. Dieses ist noch mit Seltenen Erden verunreinigt. Daher wurden die Hydroxide mit Salpetersäure in Form von Nitraten gelöst. Aus der Lösung wurde mittels Lösemittelextraktion – Tri-n-butyl-phosphat (TBP) in Kerosin – das Thorium extrahiert, zur Funktionsweise siehe auch PUREX-Prozess.^{[33][34][35][36]}

Reduktion

Da Thorium eine geringe Elektronegativität besitzt, kann eine direkte Reduktion seiner Verbindungen nicht mit Hilfe von Kohlenstoff oder Wasserstoff erfolgen, es würden sich z. B. hochschmelzende Thoriumcarbide oder -hydride bilden.

Eine Möglichkeit ist die Elektrolyse von Thorium-Haliden in Salzschmelzen, üblich sind z. B.:^[37]

• KThF₅ in NaCl
• ThF₄ in NaCl – KCl
• ThCl₄ in NaCl – KCl

bzw. die Umsetzung mit unedlen Metallen:

• ThO₂ mit Ca
• ThCl₄ mit Mg (Kroll-Prozess)
• ThF₄ mit Ca

oder über einen Gasphasentransport:

• thermische Zersetzung von ThI₄ (Van-Arkel-de-Boer-Verfahren)

Das so gewonnene Pulver oder der Metallschwamm werden unter Schutzgas oder im Vakuum zu massivem Material umgeschmolzen.

Eigenschaften

Dünnes Thorium-Blechstück unter Argon in einer Glasampulle, ca. 0,1 g

Reines Thorium ist ein silberweißes Metall, das an der Luft bei Raumtemperatur stabil ist und seinen Glanz einige Monate behält. Ist es mit seinem Oxid verunreinigt, läuft es langsam an der Luft an und wird grau und schließlich schwarz.

Die physikalischen Eigenschaften von Thorium hängen stark von seinem Gehalt an seinem Oxid ab. Viele „reine“ Sorten enthalten oft einige Promille Thoriumdioxid. Es ist aber auch hochreines Thorium verfügbar. Reines Thorium ist weich und sehr dehnbar, es kann kalt gewalzt und gezogen werden.

Thorium ist polymorph mit zwei bekannten Modifikationen. Bei über 1400 °C wandelt es sich von einer kubisch-flächenzentrierten zu einer kubisch-raumzentrierten Struktur um.

Von Wasser wird Thorium nur sehr langsam angegriffen, es löst sich auch in den meisten verdünnten Säuren (Flusssäure, Salpetersäure, Schwefelsäure) und in konzentrierter Salz- und Phosphorsäure nur langsam. In rauchender Salpetersäure und Königswasser löst es sich gut. Pulverförmiges Thorium ist bei feiner Verteilung pyrophor. Thorium verbrennt an der Luft mit weißer, hell leuchtender Flamme.

Isotope

Alle Isotope von Thorium sind radioaktiv. Natürliches Thorium besteht ausschließlich aus ²³²Th, einem primordialen Nuklid mit einer Halbwertszeit von 14 Milliarden Jahren. Sein Zerfall über Zwischenschritte hin zu ²⁰⁸Pb (Thorium-Reihe) trägt zur Erdwärme bei. Alle anderen Isotope sind weit kurzlebiger und kommen nur als Zwischenprodukte dieser und anderer Zerfallsreihen in winzigen Spuren natürlich vor.

Verwendung

Glühlicht

Messung von Strahlung an Glühkörpern

Thorium wurde in Form seines Oxides für die Herstellung von Glühstrümpfen verwendet. Dazu wurde Stoffgewebe mit einer Lösung aus 99 % Thoriumnitrat und 1 % Cernitrat getränkt. Beim ersten Anzünden verbrannte das organische Gewebe, und das Thoriumnitrat zersetzte sich in Thorium(IV)-oxid und nitrose Gase. Hierbei blieb eine zerbrechliche Struktur zurück, die in der Gasflamme ein weißes Licht abgab. Dieses Leuchten hatte nichts mit der sehr schwachen Radioaktivität des Thoriums zu tun, sondern ist gewöhnliches Glühen durch die Hitze der Gasflamme. Aufgrund der Radioaktivität ist man inzwischen zu anderen Materialien übergegangen.

Kernenergie

Thorium kann zur Herstellung des spaltbaren Uranisotops ²³³U verwendet werden. Anders als im Uran-Plutonium-Brutreaktor (dem schnellen Brüter) ist dies auch in einem Reaktor möglich, in dem die Kernspaltung durch thermische Neutronen erfolgt. Das liegt am besonders hohen Wirkungsquerschnitt von ²³²Th für den Einfang eines thermischen Neutrons. Die erreichbaren Brutraten sind bei einem solchen thermischen Brüter aber geringer als beim schnellen Brüter.

Aus Thorium ²³²Th wird durch Neutronenbestrahlung ²³³Th erbrütet; dieses zerfällt über Protactinium ²³³Pa in Uran ²³³U.

${\displaystyle \mathrm {^{232}_{\ 90}Th\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 90}^{233}Th\ {\xrightarrow[{22,3\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 91}^{233}Pa\ {\xrightarrow[{26,967\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 92}^{233}U} }$

Die Zeitangaben sind Halbwertszeiten.

Versuche mit Thorium in MOX-Brennelementen waren schon in den 1970er Jahren in Lingen durchgeführt worden.^[38] Als thermischer Brüter war der Leichtwasserreaktor Shippingport von 1977 bis 1982 in Betrieb. Die frühen Hochtemperaturreaktoren (HTR) mit Thoriumverwendung, z. B. der THTR-300, erbrüteten weniger ²³³U als sie an Spaltstoff verbrauchten, waren also keine Brutreaktoren. Nur etwa 4 % des Thoriuminventars konnten zur Energieerzeugung genutzt werden. Diese HTR waren neben Thoriumzugabe also auf ständige Spaltstoffzufuhr in hochangereicherter, waffenfähiger Form (93 % ²³⁵U) angewiesen, was sich aus Gründen der Proliferationssicherheit bald als inakzeptabel erwies, sodass neuere HTR-Konzepte sich auf den klassischen U/Pu-Zyklus mit niedrig angereichertem Uran, d. h. ohne Thorium, konzentrieren. Der deutsche THTR-300 wurde nach 423 Tagen Volllastbetrieb und vielen Problemen 1989 stillgelegt. 2002 fanden in Obrigheim^[39] Tests mit Thorium statt. Eine neue, auf fünf Jahre angelegte Versuchsreihe zur Verwendung von Thorium in MOX-Brennelementen läuft seit April 2013 im norwegischen Forschungsreaktor Halden. Ziel ist es, das Verfahren in kommerziellen Kernkraftwerken anzuwenden und auch das Plutonium abzubauen.^[40][41] Als aktuelles Konzept für einen thermischen Brüter auf Thoriumbasis ist der Flüssigsalzreaktor zu nennen.^[42] Ein solcher thermischer Brüter zeigt aber Sicherheitsprobleme; deshalb wird das Konzept eines schnellen Flüssigsalzbrüters diskutiert. Auch das Konzept des beschleunigergetriebenen Rubbiatron-Reaktors basiert auf Thorium.

Da Thorium in größeren Mengen als Uran vorhanden ist, könnte es nach der zu erwartenden Abnahme der weltweiten Uranvorräte möglicherweise in Zukunft eine wichtige Energiequelle sein.^[43] Speziell im angelsächsischen Raum gab es Anfang der 2010er Jahre eine intensive Kampagne für eine Thoriumnutzung zur angeblichen Lösung fast aller Energieprobleme.^[44][45] Kritiker dieser Kampagne sprechen von Thorium-Hype^[46] oder sogar von Astroturfing. Studien für die norwegische und die britische Regierung warnen vor hohen Erwartungen bzgl. Thoriumnutzung.^[47][48] Neuere Studien weisen zudem darauf hin, dass eine Nukleartechnik unter Einbeziehung von Thorium erhebliche Proliferationsrisiken birgt.^[49] Ein weiterer sicherheitstechnischer Nachteil der Thoriumanwendung besteht darin, dass bei der Spaltung von Uran-233 um etwa 60 % weniger verzögerte Neutronen entstehen als bei der Uran-235-Spaltung;^[50] das erhöht das Risiko von Kritikalitätsstörfällen.

Zurzeit wird vor allem in Indien Forschung zur Nutzung von Thorium in Kernkraftwerken betrieben, da in diesem Land die weltweit größten Thoriumvorkommen zu finden sind. Mit der Fertigstellung des Prototype Fast Breeder Reactor (Prototyp schneller Brutreaktor, PFBR) sei nach mehreren Verschiebungen bis Ende 2025 zu rechnen.^[51]

2025 verkündete China den erfolgreichen Betrieb eines experimentellen Thorium Flüssigsalzreaktors.^[52]

Der Reaktorsicherheitsexperte Rainer Moormann veröffentlichte 2018 eine kritische Stellungnahme zur Thoriumnutzung und wies vor allem auf erhöhte Proliferationsrisiken durch den auch für Terroristen leicht möglichen Bau einer Atombombe aus ²³³U hin.^[53]

Thorotrast

Thorotrastpackung und -flasche

→ Hauptartikel: Thorotrast

Eine stabilisierte Suspension von kolloidalem Thoriumdioxid wurde von 1931 beginnend unter diesem Handelsnamen bis Ende der 1940er Jahre als Röntgenkontrastmittel für die Angiografie verwendet. Es reichert sich jedoch im retikulohistiozytären System an und kann aufgrund örtlich erhöhter Strahlenbelastung zu Krebs führen. Klare Assoziationen bestehen zwischen Thorotrast und dem Gallengangskarzinom; außerdem kann ein Angiosarkom der Leber, ein sonst sehr seltener bösartiger Tumor der Leber, durch Thorotrast induziert sein. Karzinome der Nasennebenhöhlen nach der Verabreichung von Thorotrast sind beschrieben. Typischerweise treten die Erkrankungen 30–35 Jahre nach der Exposition auf.

An Stelle von Thorotrast werden heute Bariumsulfat und deutlich verbesserte aromatische Iodderivate als Röntgenkontrastmittel verwendet.

Andere Anwendungen

Zur Verbesserung der Zündeigenschaften der beim Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen) eingesetzten Elektroden wurde Thoriumdioxid in der Größenordnung von 1 bis 4 % beigemischt. Diese Verwendung ist inzwischen wegen der Strahlenbelastung durch Dämpfe und Schleifstaub nahezu eingestellt worden. Moderne WIG-Elektroden arbeiten mit Cer-Zusätzen.

Als Glühelektrodenwerkstoff eingesetzter Wolframdraht wird zur Verringerung der Elektronen-Austrittsarbeit mit 1 bis 3 % Thoriumdioxid dotiert. Dies ermöglicht die Reduzierung der zu einer vergleichbaren Emission notwendigen Temperatur in Elektronenröhren und verbessert das Startverhalten von Entladungslampen. Im Lampenbau wird Thorium ferner als Getter in Form von Thoriumdioxid-Pillen oder Thoriumfolie eingesetzt.

Gelbstichiges Objektiv mit thoriumhaltigem Glas (links), Gelbstich durch UV-Bestrahlung teilweise entfernt (Mitte), nicht-thoriumhaltiges Objektiv (rechts)

Thoriumdioxid wurde dem Glas für hochwertige optische Linsen zugesetzt, um Linsen mit sehr großem optischen Brechungsindex bei kleiner optischer Dispersion zu produzieren.^[54] Optische Geräte aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs (z. B. das Aero-Ektar von Kodak) bzw. der frühen Nachkriegsjahre (z. B. einige Summicron-Objektive von Leitz) enthalten gelegentlich Thoriumglas. Thoriumhaltige Linsen haben einen leichten, sich mit der Zeit verstärkenden Gelbstich, der durch intensive Bestrahlung mit UV-Licht zumindest teilweise entfernt werden kann. Wegen der vom Thorium ausgehenden Strahlung wird thoriumhaltiges Glas heute nicht mehr kommerziell hergestellt. Lanthan-haltige Gläser (z. B. LaK9) können Thoriumglas ersetzen.^[55]

Als Legierung mit Magnesium (Mag-Thor) kam Thorium in der militärischen Luftfahrt und Triebswerkstechnik zum Einsatz. Thorium verleiht der Legierung eine höhere Festigkeit und erhöhte Temperaturbeständigkeit und wurde insbesondere in Kompressorstufen von Triebwerken verwendet. Neben der Drohne Lockheed D-21 und der Boden-Luft Rakete Bomarc CIM-10 kam Mag-Thor auch in erheblichen Mengen (3 kg je Flugzeug) im Triebwerk Snecma Atar 9C zum Einsatz, welches in der Dassault Mirage III verbaut wurde.

Das Isotop ²²⁹Th hat die einzigartige Eigenschaft, dass sein Atomkern nur 8,355733554021(8) eV über dem Grundzustand einen langlebigen angeregten Zustand (Kernisomer) besitzt. Dies entspricht ultraviolettem Licht der Vakuum-Wellenlänge von 148,38218288272(14) nm.^[56] Nach jahrelangen Experimenten zur genauen Bestimmung der Anregungsenergie gelang 2023 die Anregung dieses Zustands mit Laserlicht.^[57] Dies könnte den Bau einer Atomkernuhr ermöglichen.^[58]

Sicherheitshinweise

Einstufungen nach der CLP-Verordnung liegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen, die eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf der Radioaktivität beruhenden Gefahren spielt. Auch Letzteres gilt nur, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt.

Chemische Toxizität

Die akute chemische Toxizität von Thorium wird als gering eingeschätzt und im Wesentlichen auf die Radioaktivität zurückgeführt. Dies hängt mit der schlechten Wasserlöslichkeit von 0,0001 μg pro Liter (10⁻¹⁰) des reinen Metalls sowie des meist vorkommenden Thoriumdioxids zusammen. Lediglich in sehr saurem Milieu ab einem pH-Wert von 4 löst sich Thorium besser. Auch Oxalate und andere Komplexbildner erhöhen die Wasserlöslichkeit.^[29]

Radiotoxizität

Das Thoriumisotop ²³²Th ist mit seiner Halbwertszeit von 14,05 Mrd. Jahren noch wesentlich schwächer radioaktiv (geringere Dosisleistung) als Uran-238, da durch die längere Halbwertszeit weniger Zerfälle pro Sekunde stattfinden und auch die Konzentration der kurzlebigen Zerfallsprodukte geringer bleibt. Thorium ist ein α-Strahler und aufgrund dieser Strahlungsart gefährlich bei Inhalation und Ingestion. Metall-Stäube und vor allem -Oxide sind aufgrund ihrer Lungengängigkeit radiotoxisch besonders gefährlich und können Krebs verursachen. Beim Lagern von und Umgang mit Thorium und seinen Verbindungen ist auch die dauernde Anwesenheit der Elemente aus der Zerfallsreihe zu beachten. Besonders gefährlich sind starke Beta- und die mit einem hohen 2,6-MeV-Anteil sehr energiereichen und durchdringungsfähigen Gammastrahlen. Ferner entsteht in der Zerfallsreihe als Ergebnis eines Alphazerfalls das auch als Thoron bekannte Radonisotop ²²⁰Rn, das wiederum in einem Alphazerfall zu Polonium-216 und Blei-212 zerfällt.^[59] Bei gleicher Aktivitätskonzentration ergibt sich aus den Thoron-Folgeprodukten eine 14-fach höhere Strahlenbelastung als aus den Folgeprodukten des ²²²Rn.^[60]

Thoriumverbindungen

In Übereinstimmung mit seiner Stellung im Periodensystem tritt Thorium in seinen Verbindungen normalerweise in der Oxidationsstufe +4 auf; Thorium(III)- und Thorium(II)-Verbindungen sind seltener. Eine Besonderheit bilden die Carbide der Actinoide ohne feste Stöchiometrie.

• Thoriumdioxid, Thorium(IV)-oxid (ThO₂) hat mit 3300 °C einen der höchsten Schmelzpunkte aller Metalloxide. Nur einige wenige Metalle, wie Wolfram, und einige Verbindungen, wie Tantalcarbid, besitzen höhere Schmelzpunkte.
• Thoriumnitrat, Thorium(IV)-nitrat (Th(NO₃)₄) ist eine farblose, leicht in Wasser und Alkohol lösliche Verbindung. Das Nitrat ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Darstellung von Thorium(IV)-oxid sowie von Thoriummetall und wird auch bei der Erzeugung von Gasglühkörpern eingesetzt.
• Thoriumnitrid, Thorium(IV)-nitrid (Th₃N₄) entsteht beim Glühen von Thorium in Stickstoffatmosphäre und hat einen messingfarbenen Glanz. Thoriumnitrid ist hygroskopisch und zerfällt innerhalb weniger Stunden durch Luftfeuchte.
• Thoriumcarbid, ThC₂ bildet gelbe, monokline Kristalle mit einem Schmelzpunkt von 2655 °C. Das Carbid wird bei etwa 9 K supraleitend. In Form des Mischcarbids (Th, U)C₂ wird Thoriumcarbid als Brennstoff in gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren eingesetzt. Die Darstellung des Carbidgemisches erfolgt durch Umsetzung der Thorium- und Uranoxide mit Kohlenstoff bei 1600 bis 2000 °C.
• Thorium(IV)-chlorid, ist ein weißer, hygroskopischer, kristalliner Feststoff. Jöns Jakob Berzelius stellte durch dessen Reduktion mit Kalium zum ersten Mal metallisches Thorium her.^[61]

Historische Bezeichnungen

„Thorium-G“

Bei der auch als Weltvernichtungsmaschine titulierten „Cobalt-Thorium-G“-Bombe in Stanley Kubricks Film Dr. Seltsam oder: Wie ich lernte, die Bombe zu lieben handelt es sich in erster Linie um eine Kobaltbombe. Verwendet man im Bombendesign Thorium (möglicherweise anstelle von Uran in der Fissionsstufe oder im Mantel), so entsteht bei der Explosion u. a. radioaktives, giftiges und langlebiges Protactinium-231, was das Kontaminationspotential des Fallouts beträchtlich steigern würde. Die Halbwertszeit von Protactinium-231 beträgt allerdings 32760 Jahre und weicht somit von der im Film genannten (93,7 bzw. 100 Jahre) deutlich ab.

„Thorium-X“

Unter der Bezeichnung Thorium-X wurden vor allem in der 1. Hälfte des 20. Jahrhunderts verschiedene Lösungen gehandelt, die Thorium- und andere radioaktive Nuklide enthielten. In den USA kam z. B. eine Tinktur dieses Namens bis etwa 1960 in der Strahlentherapie von Hautkrankheiten zur Anwendung. In Deutschland gab es um 1930 Badezusätze und Ekzemsalben der Marke „Thorium-X“, die wegen der offenkundigen Gesundheitsgefahren allerdings kurz darauf aus dem Handel genommen wurden. Des Weiteren gab es eine Thorium-X-haltige Zahnpasta mit dem Namen Doramad. Ferner wurde in den 1960ern in der Universitätsklinik Münster (Hüfferstiftung) Thorium-X bei Morbus-Bechterew-Patienten gegen eine weitere Versteifung der Wirbelsäule eingesetzt. Der Patient erhielt während eines circa dreimonatigen stationären Aufenthaltes einmal pro Woche eine Thorium-X-Injektion. Die fortschreitende Versteifung wurde dadurch für ca. 15 Jahre weitgehend gestoppt.

„Ionium“

Als Ionium wurde in der Kernphysik das Isotop 230-Th bezeichnet. In der Altersdatierung wird der Begriff Ionium-Methode immer noch für die 230-Th/232-Th-Datierung verwendet.

Literatur

• Mathias S. Wickleder, Blandine Fourest, Peter K. Dorhout: Thorium. In: Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Springer Netherlands, Dordrecht 2008, ISBN 978-1-4020-3555-5, Thorium, S. 52–160, doi:10.1007/1-4020-3598-5_3 (radchem.nevada.edu [PDF]).
• Robert J. Schwankner, Alexander Brummeisl, Christian Feigl, Peter Schöffl: Frühe Verwendungsgeschichte von Thorium. In: Geowissenschaften. 12, 3, 1994, S. 66–73. doi:10.2312/geowissenschaften.1994.12.66.

Weblinks

Commons: Thorium – Sammlung von Bildern und Audiodateien

Wiktionary: Thorium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Eintrag zu Thorium. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.
• Seth H. Grae: Thorium, Chemical & Engineering News, 2003
• International Thorium Energy Organisation
• USA: Nutzung von Thorium soll strahlenden Müll reduzieren, heise.de
• Thorium: Human Health Fact Sheet (Memento vom 9. Februar 2012 im Internet Archive) (PDF; 49 KB) (englisch)
• Erich Aschwanden: Skandale von der Beschaffung bis zur Entsorgung: Radioaktive Triebwerke der Mirage-Kampfjets sorgen für Probleme. In: nzz.ch, 10. September 2022, abgerufen am 15. September 2022