Plutonium-Batterien

Kernenergie läßt sich bei drei Prozessen gewinnen:

a)      beim radioaktiven Zerfall, z. B.

²³⁸Pu -->  ²³⁴U + a + DE

b)    über den Aufbau schwerer Kerne aus leichten Kernen (Kernfusion), z. B.

D + T --> ⁴He + n+DE

c)      Ã¼ber die Spaltung schwerer Kerne (Kernspaltung), z. B.

²³⁵U + n -->  2 Spaltprodukte + 2-3 Neutronen + DE

Kernfusion und Kernspaltung lassen sich als Kettenreaktion führen; allerdings wurde bisher nur bei der Kernspaltung eine kontrollierte Kettenreaktion verwirklicht. Eine massenkontrollierte Fusionsreaktion liefert die Wärme unseres Zentralgestirns, eine unkontrollierte Kernfusions-Kettenreaktion erfolgt bei der Explosion einer Wasserstoffbombe. Im Jahr 1991 wurde am Joint European Torus (JET) in Culham/England erstmals auch unter irdischen Bedingungennachgewiesen, dass sich eine (D₂ + T₂)-Mischung auch thermisch in kontrollierter Form „zünden“ lässt.

Die bei Kernprozessen freiwerdende Energie DE tritt – wie dies auch bei chemischen Reaktionen der Fall ist – als Massendifferenz zwischen Anfangs- und Endzustand des Systems in Erscheinung (Massendefekt). Dieser Massendefekt Dm ist über die Einstein-Beziehung DE = Dm×c²einer Energie gleich; wobei der Masse 1u die Energie 931,5 MeV entspricht. Die relativen Massendefekte Dm/m sind für chemische Reaktionen verschwindend klein. Hier wird meist nur die Bindungsenergie der chemischen Bindungen im Bereich von einigen (3-5) keV frei. Nach den chemischen Reaktionen weisen die radioaktiven Zerfallsprozesse die geringsten Massendefekte auf (Dm/m in der Größenordnung von 10^-10; 10 Milliardstel), während der Massenverlust bei Kernfusion und Kernspaltung (Dm/m in der Größenordnung von 10^-3; Tausendstel) mit einer guten Waage bestimmt werden könnte. Eine vollständige Massenvernichtung (Dm/m=1!) tritt bei Teilchen-Antiteilchen-Reaktionen auf, z. B. bei der Wechselwirkung von Positronen mit Negatronen (Paarvernichtung).

Wird die von einem Radionuklid emittierte Strahlung in der Probe absorbiert, so führt dies in den meisten Fällen zu deren Aufheizung (Ausnahme: (a,n)-, (g,n)-Kernreaktionen oder g-Wechselwirkung) In den Radionuklid- oder Isotopenbatterien nutzt man den sich somit ausbildenden Temperaturunterschied zur Umgebung aus. Bei den heute in Betrieb befindlichen Isotopenbatterien wird diese Wärmeenergie über die thermoelektrische Konversion (Seebeck-Effekt) mit einem Wirkungsgrad von maximal 3 bis 5 % in elektrische Energie umgewandelt. Eine höhere Ausbeute an elektrischer Energie von 8 bis 10 % liefert die thermoionische Anordnung, deren Technologie aber noch nicht genügend entwickelt ist.

Die bei radioaktiven Zerfallsprozessen freiwerdende Energie ist mit weniger als 100 keV/u relativ gering.

Für Isotopenbatterien mit konstanter, hoher Leistung, aber kleinem Volumen und Gewicht werden Radionuklide benötigt, die eine relativ lange Halbwertszeit besitzen, beim Zerfall möglichst viel Energie in Freiheit setzen und keine oder nur eine sehr geringe Abschirmung benötigen, um eine Strahlenbelastung der Umgebung auszuschließen.

Vorteilhaft sind daher a-strahlende Nuklide wie ²³⁸Pu, ²⁴⁴Cm und ²¹⁰Po. b-aktive Nuklide wie ¹⁴⁴Ce und ⁹⁰Sr sind zwar als Abfallprodukte der Kernspaltung billiger, bedürfen aber einer relativ dicken Abschirmung.

Das wichtigste Nuklid für Isotopenbatterien ist ²³⁸Pu, da es mit einer Halbwertszeit von 86,4 Jahren beim Zerfall nur a-Strahlen emittiert und die Zahl der Spontanspaltneutronen wegen der langen Spontanspalthalbwertszeit von ²³⁸Pu niedrig ist. ²³⁸Pu wird heute in kg-Mengen über die Reaktionen

²³⁷Np (n,g) ²³⁸Np -(b^-)--> ²³⁸Pu

und in geringeren Mengen über:

²⁴¹Am (n,g) ²⁴²Am -(b^-)--> ²⁴²Cm-(a)--> ²³⁸Pu

gewonnen.

Durch ²³⁷Np-Bestrahlung erzeugtes ²³⁸Pu besteht zu etwa 80 bis 85 % aus ²³⁸Pu, zu 10 bis 15 % aus ²³⁹Pu und zu 3 bis 5 % aus höheren Pu-Isotopen. Sämtliche im Rahmen des Apollo-Mondlandungsprogramms benutzten Isotopenbatterien enthielten ²³⁸PuO₂  als Energiequelle (SNAP-27 mit ca. 4 kg ²³⁸PuO₂ lieferte bei 1480 W_th  eine elektrische Leistung von ca. 60 W).

Seit 1968 beim Absturz nach dem Fehlstart einer Rakete eine ungeschütze Pu-Isotopenbatterie in der Erdatmosphäre verglühte, wurde eine Wiederholung einer solchen Freisetzung durch entsprechend angebrachte Hitzeschilde ausgeschlossen. Für die Erforschung der äußeren Planeten unseres Sonnensystems sind Pu-Isotopenbatterien die bisher einzige, zuverlässige Energiequelle.

Als Nebenprodukt der Neptuniumbestahlung entsteht durch Neutronen höherer Energie (über 6,27 MeV) auch ²³⁶Pu, in dessen Zerfallskette ein starker Gammastrahler (²⁰⁸Tl) auftritt. Das durch Bestrahlung von ²⁴¹Am aktiv erzeugte,bzw. durch Zerfall aus dem bei der Wiederaufarbeitung abgetrennten Curium entstehende  ²³⁸Pu enthält kein störendes ²³⁶ Pu, der aufwendigeren Herstellung wegen ist es aber auch wesentlich teurer. Daher wird es nur für spezielle Zwecke (z. B. für nukleare Herzschrittmacher mit ca. 150 mg ²³⁸PuO₂ pro Einheit) eingesetzt. Zur weiteren Absenkung der Umgebungsstrahlung wird das Oxid mit reinem ¹⁶O hergestellt. Damit vermindert man die bei der a,n-Wechselwirkung auftretenden Neutronen auf ein fünftel.

100 Watt Pu-238 Quelle, wie sie in einer Raumfahrtmission 1970 verwendet worden ist. Die Quelle ist 250g schwer und ungefähr 3 cm im Durchmesser.

[mit freundlicher Genehmigung vom
Los Alamos National Laboratory, U.S.A]