Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird seit mehr als 40 Jahren intensiv zur Chemie von Actiniden geforscht, einschließlich des herausfordernden Elements Plutonium. [KIT] berichtet, dass die fortschreitenden Untersuchungen dieses radioaktiven Elements in Zusammenarbeit mit dem Joint Research Centre Karlsruhe stattgefunden haben. Besonders im Fokus steht das Verhalten gelöster Plutoniumverbindungen, das unter verschiedenen pH-Werten erforscht wurde.

In wässrigen Lösungen dominieren dabei Komplexe, die aus drei Plutoniumatomen bestehen. Die Forschenden haben festgestellt, dass sich unter stark alkalischen Bedingungen innerhalb weniger Tage kleine Kristalle bilden. Die Struktur dieser Kristalle konnte nun aufgeklärt werden. In der Studie wurden zwei verschiedene Kristallarten identifiziert, die aus kugelförmigen Käfigeinheiten bestehen, in denen 60 Plutoniumatome über Sauerstoff verknüpft sind. Diese sogenannten Pu60-Cluster sind die größten bekannten Käfigverbindungen von Plutonium und ihre Geometrie entspricht einem Dodekaederstumpf, was in der Strukturchemie als sehr selten gilt.

Fortschritte in der Plutoniumforschung

Die Ergebnisse dieser Forschungen liefern wichtige Einblicke in die Chemie der Actiniden und lösen ein jahrzehntelanges Rätsel. Interessanterweise wurden ähnliche Kristalle bereits während des Manhattan-Projekts beobachtet, jedoch konnte ihre Struktur damals nicht bestimmt werden. Die Fortschritte am KIT ebnen nun den Weg für ein besseres Verständnis und für die Entwicklung sicherer Entsorgungsmethoden radioaktiver Abfälle.

Plutonium ist ein relativ neues Element im Periodensystem, das im Dezember 1941 von G.T. Seaborg und seinem Team an der Universität von Kalifornien in Berkeley isoliert wurde. [Kernchemie] beschreibt Plutonium als ein silberfarbenes Metall mit der Kernladungszahl 94, das an Luft oxidiert und seine Farbe verändert. Es hat bemerkenswerte physikalische Eigenschaften, darunter einen Schmelzpunkt von 640 °C und einen Siedepunkt von 3327 °C. Darüber hinaus zeigt Plutonium bei unterschiedlichen Temperaturen ungewöhnliche Verhaltensweisen und besitzt insgesamt sechs verschiedene Kristallstrukturen.

Ein weiteres wichtiges Thema sind die Schwermetallbestände in Deutschland. [BGE] berichtet, dass am 31. Dezember 2022 über 130.000 Kubikmeter schwach- und mittelradioaktive Abfälle in Zwischenlagern lagern. Ein Großteil dieser Abfälle wurde bereits endlagergerecht verarbeitet und verpackt, doch nur ein kleiner Teil hat die erforderlichen Prüfverfahren für die Endlagerung durchlaufen. In den Zwischenlagern befinden sich zahlreiche Behälter wie Castoren, die hochradioaktive Abfälle enthalten.

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Die Zukunft der Plutoniumentsorgung

Die Herausforderungen im Umgang mit Plutonium sind nicht nur wissenschaftlicher, sondern auch gesellschaftlicher Natur. Nach dem Kalten Krieg verlagerte sich die Forschung auf die sichere Beseitigung von Waffen-Plutonium und dessen sichere Lagerung. Dies führte zur Schließung vieler Labore und Fabriken, die sich mit Plutonium beschäftigten, was einen Mangel an ausgebildetem Nachwuchs zur Folge hat.

Historisch betrachtet wurden in Deutschland bis Ende 2016 rund 15.000 Tonnen Schwermetall in Form von abgebrannten Brennelementen aus verschiedenen Kernkraftwerken erzeugt. Ein erheblicher Teil wurde zur Aufarbeitung in Einrichtungen in Frankreich und Großbritannien transportiert. Die restlichen Materialien sind in speziellen Behältern für unterschiedliche Abfallarten untergebracht.

Angesichts der Strahlung und der Wärmeentwicklung hochradioaktiver Stoffe ist die Entwicklung von Transport- und Lagerbehältern von entscheidender Bedeutung für die Sicherheit, sowohl während der Lagerung als auch beim eventualen Transport dieser gefährlichen Materialien. Die fortlaufenden Forschungen werden daher essenziell sein, um die Herausforderungen rund um die Plutoniumentsorgung effektiv zu bewältigen.