Eventuelle Urheberrechte liegen beim jeweiligen Verfasser.

Themenübersicht:

Chemische Reinigung

Kurzbeschreibung:
In vielen Chemischen Reinigungen wird das Lösungsmittel PER benutzt. PER ist sehr gesundheitsschädlich und gefährdet Mensch und Umwelt. PER kann aus Kleidung ausdünsten, aus den Reinigungsmaschinen austreten und sich in Nahrungsmitteln und im menschlichen Körper anreichern. Die Beseitigung von PER ist problematisch.

Mögliche Experimente:
Filterung und Recycling von chlorierten Kohlenwasserstoffen durch Aktivkohlefilter.

 

 

Altöl und Altölwiederaufarbeitung

Kurzbeschreibung:
Altöl ist ein gefährlicher Abfall und gleichzeitig ein wertvoller Rohstoff. Wenn Altöl ins Wasser gelangt, gibt es große Schäden. Wenn es sachgerecht gesammelt wird, läßt es sich weitgehend wieder aufarbeiten. Jedes Kraftfahrzeug produziert im Jahr einige Liter Altöl.

Mögliche Experimente:
Wiederaufarbeitung von Altöl.

 

 

Klebstoffe

Kurzbeschreibung:
Klebstoffe werden in Haushalt, Handwerk und Industrie in großen Mengen verwendet. Viele Klebstoffe geben dabei gefährliche Stoffe an die Umwelt ab. Erst in letzter Zeit finden sich auf dem Markt harmlosere Produkte.

Mögliche Experimente:
Bestimmung der Lösemittel in verschiedenen Klebstoffen durch Destillation und Analyse des Destillats.
Klebversuche, umweltfreundliche und -feindliche Klebstoffe vergleichen.
"Uhugeruch" synthetisieren.
Einfachen Klebstoff herstellen.
Geruch von Klebstoffen vergleichen.

 

 

Farben, Lacke und Holzschutzmittel

Kurzbeschreibung:
Farben und Lacke werden in Haushalt, Handwerk und Industrie in großen Mengen verwendet. Viele Farben und Lacke geben dabei gefährliche Stoffe an die Umwelt ab. Erst in letzter Zeit finden sich auf dem Markt harmlosere Produkte.
Durch eigenes Verhalten kann ein großer Teil des Risikos vermieden werden.

Mögliche Experimente:
Bestimmung der Lösemittel in verschiedenen Farben und Lacken durch Destillation und Analyse des Destillats.
Vergleich verschiedener Lacke als Anstrich.

 

 

Büromaterialien

Kurzbeschreibung:
Viele Büromaterialien (Filzstifte, Tippex, ...) geben bei der Verwendung gefährliche Dämpfe an die Umgebung ab. Aus Kunststoffen der Gerätegehäuse verdunsten Weichmacher. Folien und Klebebänder enthalten das problematische PVC, bei dessen Verbrennung Dioxin entsteht.

Mögliche Experimente:
Filzstifte untersuchen.
Eigenschaften von Tippex-Verdünner feststellen.
PVC nachweisen.

 

 

Formaldehyd in Wohn- und Arbeitsräumen

Kurzbeschreibung:
Seit einigen Jahren gibt es immer wieder Zeitungsmeldungen über gefährliches, krebserregendes Formaldehyd in der Luft von Wohn- und Arbeitsräumen. Vieles davon stammt aus Spanplatten, ein großer Teil aber auch aus dem Zigarettenrauch.

Mögliche Experimente:
Herstellung eines Formaldehydkunststoffes.
Nachweis von Formaldehyd in Zigarettenrauch.
Nachweis von Aldehyden durch die Silberspiegelreaktion.

 

 

Benzin

Kurzbeschreibung:
Beim Tanken und aus den Benzintanks der Autos verdampft viel Benzin. Im Benzindampf sind gesundheitsgefährdende Substanzen, u. a. das krebsauslösende Benzol, enthalten, der Benzindampf trägt zum Treibhauseffekt bei.

Mögliche Experimente:
Nachweis von Aromaten (Benzol) im Benzin.
Wie dicht ist ein Reservekanister?
Konzentration von Aromaten an der Tankstelle oder vielbefahrener Strasse messen.

 

 

PCP - Pentachlorphenol

Kurzbeschreibung:
PCP wird als Konservierungsmittel für Leder eingesetzt. Es kann aus dem Leder in die Haut gelangen. In Deutschland ist es wegen erwiesener Krebsverursachung verboten, für Importleder gelten strenge Grenzwerte. Trotzdem gelangt immer wieder PCP belastetes Leder in den Handel.
Dieses Thema wird gerade aktuell von den Medien behandelt.
Erstmalig bekannt wurde PCP durch Vergiftungen mit Holzschutzmitteln und die langwierigen Prozesse der Betroffenen gegen die BAYER-Chemie.

Mögliche Experimente:
Modellversuche zur Chromatographie.

 

Konkrete Versuche:

Trennung von Lösemittelgemischen durch Destillation

Verschiedene miteinander vermischte Lösungsmittel lassen sich durch Destillation voneinander trennen. Eine einfache Destillationsanlage (wie beim Rotwein) kann aber nur Substanzen mit stark unterschiedlichen Siedepunkten voneinander trennen. In dieser Versuchsreihe wird eine bessere Destillationsanlage entwickelt.

Die Qualität der Destillation kann man mit einem Thermometer vor dem Eingang des Kühlers beurteilen, wenn man in einer Kurve den Temperaturverlauf gegen die Zeit aufträgt. Je "stufiger" die Kurve, desto besser die Destillation.

Chemikalien und Geräte:

Lösungsmittelgemisch (vom Lehrer angemischt)

Schliffgerätesatz

Heizpilz

Schliffett

Millimeterpapier

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille

Abfälle beim Lehrer abgeben!

Durchführung:

Die Destillationsanlage wird aufgebaut (dabei VORHER den Lehrer nach dem Umgang mit dem Schliffgerät fragen!) und später schrittweise erweitert.

Zuerst wird eine einfache Apparatur benutzt:

Der Destillationskolben wird zu 1/3 mit dem Lösungsmittelgemisch gefüllt, drei Siedesteinchen dazugegeben, die Anlage verschlossen, die Kühlung angestellt und die Heizung eingeschaltet. In Minutenabständen wird die Temperatur abgelesen und in das Diagramm eingetragen.

Jedesmal, wenn sich eine Stufe in der Temperaturkurve zeigt, wird an der Spinne ein neues Kölbchen eingeschwenkt. Der Inhalt der Kölbchen wird getrennt gesammelt.

Wenn der größte Teil des Lösungsmittels überdestilliert ist, wird die Heizung abgeschaltet. ES MUSS FLÜSSIGKEIT IM DESTILLATIONSKOLBEN ZURÜCKBLEIBEN!!!!

Der gleiche Versuch wird dann mit einem zwischen Kolben und Vorstoß eingebauten Zylinder wiederholt.

Als Letztes wird der Zylinder mit Glasringen (Raschigringe) gefüllt und noch einmal destilliert.

Auswertung:

Vergleicht die Temperaturkurven und die Reinheit der einzelnen Fraktionen (Dazu Lehrer fragen).

Theorie:

Als Beispiel dient hier ein Gemisch aus zwei verschiedenen Substanzen A und B. B hat dabei den höheren Siedepunkt.

Im Kolben sind 50% A und 50% B. Das Gemisch verdampft, im Dampf ist der Anteil von A größer als der von B, sagen wir etwa 70% zu 30%.
Bei einer einfachen Destille gelangt dieser Dampf in den Kühler, kondensiert und läuft in die Vorlage. Die erste Fraktion enthält also noch 30% B.

Wenn man zwischen Kolben und Kühler ein Glasrohr setzt, kondensiert der Dampf schon an der Glaswand. Hier kann das Gemisch jedoch wieder verdampfen, und jetzt ist dem Dampf der Anteil an A wieder größer als in der Flüssigkeit (z.B. 80% A : 20% B). Je größer die Oberfläche des Rohres ist, desto öfter läuft dieser Schritt ab und desto besser werden die Komponenten getrennt. Durch die Raschigringe wird die Oberfläche im Rohr stark vergrößert.

Weitere Informationen finden sich in den Chemienachschlagewerken unter dem Stichwort "Destillation"

 

Nachweis von Formaldehyd in Filzstiften

Chemikalien und Geräte:

fuchsinschwefelige Säure
konz. Salzsäure
Filzstift
Saugfinger (starkes Reagenzglas mit seitlichem Ansatz)
durchbohrter Stopfen
gewinkeltes Glasrohr
kurzes Schlauchstück
Wasserstrahlpumpe mit Druckschlauch

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille!

Abfälle nicht in den Ausguß, sondern beim Lehrer abgeben!

Durchführung:

Der Saugfinger wird mit etwas kaltem Wasser gefüllt und die Apparatur zusammengebaut.
Der Filzstift wird an beiden Enden geöffnet und und in das Schlauchende gesteckt. Mit der Wasserstrahlpumpe wird Luft durch den Filzstift gesaugt.

Nach dem man die Wasserstrahlpumpe abgestellt hat, gibt man etwas fuchsinschwefelige Säure in den Saugfinger. Wenn sich Formaldehyd im Wasser gelöst hat, färbt sich die Lösung nach einiger Zeit purpurrot. Die Zugabe von konz. Salzsäure führt dann zu einer stabilen Blaufärbung.

Auswertung:

Siehe "Nachweis von Formaldehyd".

 

Herstellung von Indikatorpapier zum Nachweis von Formaldehyd in der Luft

Chemikalien und Geräte:

Filterpapier
Fuchsinschwefelige Säure
Tropfpipette
großes Uhrglas
Schere
Schnappdeckelgläser oder Marmeladengläser

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Handschuhe, Schutzbrille!

Durchführung:

Während der Herstellung des Indikatorpapieres darf nicht mit Formaldehyd gearbeitet werden, weil sich sonst das Papier gleich verfärbt.

Mit der Tropfpipette gibt man soviel Fuchsinschwefelige Säure auf das Filerpapier, daß es gut angefeuchtet ist, läßt ein wenig antrocknen und tropft nochmals auf. Nachdem das Papier getrocknet ist, wird es in Streifen zerschnitten und einzel luftdicht in den Gläsern untergebracht.

Auswertung:

Siehe "Nachweis von Formaldehyd in der Luft"

 

Nachweis von Formaldehyd in Zigarettenrauch

Chemikalien und Geräte:

fuchsinschwefelige Säure
konz. Salzsäure
Zigarette
Saugfinger (starkes Reagenzglas mit seitlichem Ansatz)
durchbohrter Stopfen
gewinkeltes Glasrohr
kurzes Schlauchstück
Wasserstrahlpumpe mit Druckschlauch

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille!

Abfälle nicht in den Ausguß, sondern beim Lehrer abgeben!

Durchführung:

Der Saugfinger wird mit etwas kaltem Wasser gefüllt und die Apparatur entsprechend der Abb. zusammengebaut. Die Zigarette wird angezündet, in das Schlauchende gesteckt und der Rauch mit der Wasserstrahlpumpe durch das Wasser gesaugt. (Bitte nicht den Schlauch ansengen.)

Nach dem Abbrennen der Zigarette gibt man etwas fuchsinschwefelige Säure in den Saugfinger. Wenn sich Formaldehyd im Wasser gelöst hat, färbt sich die Lösung nach einiger Zeit purpurrot. Die Zugabe von konz. Salzsäure führt dann zu einer stabilen Blaufärbung.

Auswertung:

Siehe "Nachweis von Formaldehyd".

 

Lösungsmittel aus Klebstoff oder Lack herausdestillieren

Chemikalien und Geräte:

1 großes Reagenzglas

1 Reagenzglas

1 durchbohrter Stopfen

1 2-fach gewinkeltes Glasrohr

1 Becherglas

1 Tempotaschentuch

Eis

Klebstoff oder Lack

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Im Abzug oder am offenen Fenster arbeiten

Destillat nicht in den Abfluß! Auf Halogene untersuchen und entsprechend entsorgen.

Durchführung:

Enstprechend der Abbildung wird eine einfache Destillationsapparatur aufgebaut. (Man benutzt hier keine "richtige" Destille, weil die Reste des Lackes/Klebstoffes nur sehr schwer aus dem Gefäß zu entfernen sind.)

Der Klebstoff oder Lack wird in das große Reagenzglas gefüllt, das Tempotaschentuch als Kühlung mit kaltem Wasser angefeuchtet und die Vorlage mit Eis gekühlt.

Der Inhalt des großen Reagenzglases wird nun von oben beginnend mit der Bunsenbrennerflamme vorsichtig erhitzt. (Wenn mann unten anfängt, gibt es große Blasen.) Klebstoff kann man auch zuerst im Wasserbad erhitzen.

 

Nachweis von Alkoholen

Chemikalien und Geräte:

Cerammoniumnitrat-Reagenz
Dioxan
Reagenzgläser
Pipetten
Pelleusball (Pipettierhilfe)

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Die Flüssigkeiten nicht mit dem Mund in die Pipette saugen, dazu den Pelleusball benutzen. (Hilfe vom Lehrer )

Schutzbrille! Handschuhe!

Abfälle nicht in den Ausguß, beim Lehrer abgeben!

Durchführung:

1 ml Cerammoniumnitrat-Reagenz werden mit 6 ml Dioxan und anschließend soviel Wasser versetzt, daß eine klare Lösung entsteht. Dazu wird eine Mischung aus 1 ml Probe und 1 ml Dioxan gegeben.

Auswertung:

Alkohole und Phenole ergeben eine Rotfärbung.

 

Nachweis von Aromaten

Chemikalien und Geräte:

Aluminiumchlorid, wasserfrei
Trichlormethan ( = Chloroform)
Reagenzgläser

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Im Abzug arbeiten, Schutzbrille und Schutzhandschuhe benutzen.

Lösemittelabfälle ins Sammelgefäß "Chlorhaltige Kohlenwasserstoffe"!

Das Reagenzglas mit dem Aluminiumchlorid im Abzug vorsichtig mit Wasser füllen. Dabei entsteht ätzendes Chlorwasserstoffgas (HCl)! Dann in den Abfluß im Abzug kippen und Wasser nachlaufen lassen.

Durchführung:

In einem Reagenzglas wird eine Spatelspitze Aluminumchlorid über dem Bunsenbrenner erhitzt. Das Aluminiumchlorid sublimiert und schlägt sich als gelber Ring an der kalten Glaswand nieder.

In einem zweiten Reagenzglas werden gleiche (kleine) Mengen des zu prüfenden Lösemittels mit Trichlormethan gemischt. Einige Tropfen der Mischung werden dann vorsichtig auf den gelben Ring getropft.

Auswertung:

Eine Verfärbung zeigt die Anwesenheit von aromatischen Verbindungen an. Die Farbe hängt von der Art des Aromaten ab.

Theorie:

Aromatische Verbindungen reagieren mit Trichlormethan zu Triphenylmethan-Farbstoffen. Dabei wirkt Aluminiumchlorid als Katalysator.

 

Nachweis von Carbonsäureestern

Chemikalien und Geräte:

Methanol

methanolische Natronlauge (NaOH in CH3OH gelöst)

Phenolphtaleinlösung

Reagenzgläser

Tropfpipette

Becherglas

Heizplatte (keinen Bunsenbrenner!)

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille tragen!

Im Abzug arbeiten!

Abfälle nicht in den Ausguß, beim Lehrer abgeben!

Durchführung:

1 ml der Probe und 3 ml Methanol werden zusammen mit einigen Tropfen Phenolphtaleinlösung in ein Reagenzglas gegeben. Dann wird solange methanolische Natronlauge zugetropft, bis sich eine leichte Rotfärbung zeigt.

Das Reagenzglas wird für 5 - 10 Minuten in das Becherglas mit warmen Wasser gestellt.

Auswertung:

Wenn die Rotfärbung verschwunden ist, sind Carbonsäureester im Lösungsmittel enthalten.

Theorie:

Phenolphtalein ist ein Indikator für Basen. Daher färbt sich das Gemisch nach der Zugabe von methanolischer Natronlauge rot.
Ester sind Verbindungen zwischen einer organischen Säure und einem Alkohol. In der Wärme kann diese Verbindung wieder gespalten werden. Die freiwerdende Säure neutralisiert die Natronlauge, die Lösung ist nicht mehr basisch, die rote Farbe verschwindet.

 

Nachweis von Formaldehyd mit Fuchsinschwefeliger Säure

Chemikalien und Geräte:

Reagenzgläser

Fuchsinschwefelige Säure

konz. Salzsäure

Formaldehydlösung, max. 25%

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille, Handschuhe, Abzug

Reste nicht in den Ausguß, sondern beim Lehrer abgeben.

Durchführung:

Zu etwas Formaldehydlösung wird Fuchsinschwefelige Säure gegeben. Es bildet sich eine rote Färbung.
Wenn man etwas konz. Salzsäure zusetzt, bildet sich eine über längere Zeit stabile Blaufärbung aus.

Auswertung:

Fuchsinschwefelige Säure ist eine farblose Verbindung aus dem roten Farbstoff Fuchsin und dem Sulfition SO3-. Das Formaldehyd spaltet das Sulfition aus der Verbindung ab, es bleibt der rote Farbstoff zurück. Der genaue Mechanismus ist nicht bekannt.

 

Nachweis von Halogenkohlenwasserstoffen
(Beilsteinprobe)

Chemikalien und Geräte:

Kupferblech oder Pfennig

Tiegelzange

Bunsenbrenner

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille! Nur kleine Mengen verwenden! Abzug!

Durchführung:

Das Kupferblech wird in der Flamme gründlich ausgeglüht. Die Flamme darf sich nicht mehr grün färben.

Ein Tropfen der Probe wird auf das heiße Kupferblech getropft. Das Blech wird dann wieder in der Flamme ausgeglüht.

Auswertung:

Wenn sich die Flamme grün färbt, sind in dem Lösungsmittel Halogenkohlenwasserstoffen enthalten.

Theorie:

Die Elemente Fluor, Chlor, Brom und Iod werden Halogene genannt. In Halogenkohlenwasserstoffen sind einige Wasserstoffatome durch Halogenatome ersetzt. Diese Halogen verbinden sich mit dem heißen Kupfer zu z. B. Kupferchlorid. Diese Verbindungen verdampfen leicht und färben die Flamme grün.

 

Sauerstoffnachweis in Lösemitteln

Chemikalien und Geräte:

Magnesiumspäne
Sand
Reagenzglas
Durchbohrter Stopfen
gewinkeltes Glasrohr
Stativ

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille! Im Abzug arbeiten!

Der Versuch darf nicht mit halogenhaltigen Lösemitteln durchgeführt werden. daher vorher die Beilsteinprobe durchführen!

Abfälle nicht in den Ausguß, sondern beim Lehrer abgeben!

Durchführung:

Gieße in ein Reagenzglas etwa 1 cm hoch der Flüssigkeit und gib etwa 3 cm hoch trockenen Sand dazu. Der Sand sollte feucht aber nicht naß sein.
Spanne das Reagenzglas an der Mündung waagerecht in ein Stativ ein und gib zwei Spatel Magnesiumspäne in die Mitte des Reagenzglases. Verschließe das Reagenzglas mit einem durchbohrten Stopfen, in dem eine gewinkelte Glasspitze steckt.

Mit der rauschenden Bunsenbrennerflamme wird kurz der Sand erwärmt, anschließend die Magnesiumspäne kräftig erhitzt. Der aus der Glasspitze austretende Dampf wird angezündet.
Sobald das Magnesium zu glühen anfängt, wird nur noch der Sand vorsichtig erwärmt. Die Flamme sollte nicht größer als 5 cm werden.

Auswertung:

Wenn sich Magnesiumoxid bildet, ist Sauerstoff in der Verbindung enthalten.

 

Nachweis von Formaldehyd in der Luft

Chemikalien und Geräte:

Glas mit Indikatorpapier
(Herstellung s. andere Anleitung)

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Indikatorpapier nicht anfassen, nach Gebrauch in anderes Papier wickeln und in den Papierkorb geben.

Durchführung:

Im zu untersuchenden Raum wird der Deckel vom Gefäß entfernt und das Papier mit einigen Tropen Wasser angefeuchtet.

Auswertung:

Wenn sich das Papier innerhalb von 30 Minuten rötlich färbt, ist Formaldehyd in der Luft enthalten. Nach dieser Zeit kann die Färbung auch durch Luftsauerstoff hervorgerufen werden.

 

PVC identifizieren
( Beilsteinprobe )

Chemikalien und Geräte:

Kupferblech oder Pfennig

Tiegelzange

Bunsenbrenner

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille! Nur kleine Mengen verwenden! Abzug!

Durchführung:

Das Kupferblech wird in der Flamme gründlich ausgeglüht. Die Flamme darf sich nicht mehr grün färben.

Etwas Kunststoff wird auf dem heißen Kupferblech geschmolzen (Nase weg! Gefährliche Dämpfe!). Das Blech wird dann wieder in der Flamme ausgeglüht.

Auswertung:

Wenn sich die Flamme grün färbt, handelt es sich bei dem Kunststoff um PVC.

Theorie:

In PVC sind große Mengen Cjlor enthalten. Das Clor verbindet sich mit dem heißen Kupfer zu Kupferchlorid. Diese Verbindung verdampft leicht und färbt die Flamme grün.

Ausarbeitung zum Thema

Tritium

 

Radiologische Auswirkungen eines Fusionsreaktors auf die Umwelt

 

Inhaltsverzeichnis

Kurze Einführung zur Fusion

Vorkommen von Tritium (Natürliches Vorkommen und künstliche Darstellung)

HT und HTO, Formen des Tritium und biologische Wirksamkeit

Normalbetrieb des Reaktors

Störfall - Ein Rechenmodell

Abschließende Betrachtungen

 

 

Kurze Einführung zur Fusion

Obwohl die wirtschaftliche Nutzung eines Fusionsreaktors erst in einiger Zukunft zu erwarten ist, steht doch mit ziemlicher Sicherheit fest, daß die verwendete Fusionsreaktion die Verschmelzung von Deuterium und Tritium sein wird. Bei dieser Reaktion kann die größte Energieausbeute bei niedrigster Plasmatemperatur und größtem Wirkungsquerschnitt erzielt werden; das bedeutet, daß diese Reaktion technisch am einfachsten zu realisieren sein dürfte.

Es gibt dabei allerdings einen großen Nachteil, der in den Reaktanden selbst begründet liegt: Tritium ist radioaktiv. Deswegen gibt es bereits heute einige Studien und Rechenmodelle, die sich mit der Strahlenbelastung beim Normalbetrieb bzw. bei einem Störfall des Reaktors beschäftigen. Dazu später mehr.

 

Vorkommen von Tritium (Natürliches Vorkommen und künstliche Darstellung)

Im normalen Alltag stellt Tritium keine Belastung dar, da es in der Natur nur in winzigen Mengen vorkommt (nur eines von 10¹⁸ Wasserstoffatomen ist ein Tritiumatom)

Natürliches Tritium wird in der Natur in der oberen Atmosphäre gebildet durch Neutronen, die aus dem Weltraum einfallen; sie reagieren dabei mit dem Stickstoff der Luft:

Das Tritium hat eine Halbwertszeit von 12,35 Jahren und zerfällt als niederenergetischer ß- Strahler in Helium (He-3)

Tritium kommt in der Natur (im Gegensatz zum Deuterium) nicht in Mengen vor, die groß genug wären, um als Rohstoffgrundlage für die Versorgung eines Reaktors zu dienen. Daher wird Tritium künstlich hergestellt. Das geschieht bereits heute (größtenteils als Grundlage für Wasserstoffbomben) in Spaltungsreaktoren. Man nutzt dabei die thermischen Neutronen, die in solchen Reaktoren frei werden. Diese werden auf Lithium-Kapseln geschossen, wo sie nach folgender Reaktion Tritium bilden:

Anmerkung: eine ähnliche Reaktion ist auch mit Li-7 möglich, nur müssen hier Neutronen mit höherer Energie verwendet werden.

Die selbe Reaktion wird man auch im Fusionsreaktor nutzen können, denn bei der Fusion von Deuterium mit Tritium werden ebenfalls Neutronen freigesetzt. Man ordnet dazu um das Plasma herum einen sogenannten Brutmantel an, der Lithium enthält.

Man nimmt heute an, das ein Reaktor mit 6 GW thermischer Leistung etwa 35 g Tritium pro Stunde umsetzen wird (das sind gut 100 kg im Jahr), und durch die Erbrütung des Tritiums im Brutmantel wird sichergestellt, daß ständig einige Kilogramm Tritium in der Reaktoranlage vorhanden sein werden. Die Annahmen über die Verteilung des Tritiums auf die verschiedenen Teile der Reaktoranlage sind heute noch sehr unsicher, aber es werden ständig wohl zwischen 3 und 5 kg ständig vorhanden sein. Hier eine Abschätzung über die Verteilung:

Tritiuminventar eines 1 GW (thermisch) Reaktors
	10e4 TBq	g
Brutmantel	57	1600
Speicher	68	1900
Vakuumpumpen	8,9	250
Brennstoffzufuhr	2,9	80
Brennstoffreinigung	11	300
Tritiumexktraktion	16	450
Summe	163,8	4580

Dazu eine Graphik:

 

HT und HTO, Formen des Tritium und biologische Wirksamkeit

Fragt man nach der biologischen Wirksamkeit des Tritiums, so muß man wissen, daß es eine wesentliche Rolle spielt, in welcher chemischen Form das Tritium freigesetzt wird.

Es gibt zwei Formen die in diesem Zusammenhang wichtig sind:

Gasförmige Form (reduzierte Form, d.h. Oxidationsstufe 0): HT, DT und T₂

Tritiertes Wasser (oxidierte Form, d.h. Oxidationsstufe -1): HTO, DTO und T₂O

Zwei Unfälle in einer Nuklearanlage in Savannah River (USA) haben gezeigt, das die oxidierte Form um etwa einen Faktor 25.000 toxischer ist als die reduzierte Form.

 

 

Dafür gibt es im wesentlichen zwei Gründe:

HT DT T₂ werden zwar mit der Atemluft eingeatmet, aber in der Lunge nicht weiter umgesetzt. Der größte Teil wird einfach wieder ausgeatmet.

Da der menschliche Körper zu einem großen Anteil aus Wasser besteht, ist die Durchlässigkeit für HTO weitaus größer. Die Atemwege (Schleimhäute) sind feucht, das HTO der Luftfeuchte vermischt sich mit dem Körperwasser, denn die oxidierte Form verhält sich chemisch exakt wie normales Wasser und nimmt daher an allen Umsetzungen im Körper, ebenso wie in der Atmosphäre und dem Boden, teil.

Wie bereits erwähnt wurde, ist Tritium ein niederenergetischer ß- Strahler. Da die Reichweite in Luft sehr begrenzt ist - im Gegensatz zu Gammastrahlung - ist für die Abschätzung der biologischen Schädigung nur die interne Exposition wichtig, d.h. das Tritium, das in den Körper hinein gelangt. Je größer dabei die Strahlenintensität ist, desto größer ist das Krebsrisiko, da die ß-Teilchen (Elektronen), das Zellmaterial in ihrer Umgebung statistisch schädigen. Dies reicht von Zellzerstörungen bis hin zu Veränderungen an der DNA (Erbgut). Wird dabei zufällig das Gen zerstört, das das Zellwachstum hemmt, kommt es zum Krebs. Dazu einige Werte, die die Strahlenbelastung verdeutlichen sollen:

natürliche Strahlenbelastung	0,001 Sv / a
Höchstgrenze Strahlenschutzverordnung (für Personen, die berufsmäßig mit Strahlen konfrontiert sind)	0,050 Sv / a
Gefährdungsdosis	0,250 Sv
geringe Schäden, „Röntgenkater"	0,500 Sv
kritische subletale Dosis	1 Sv
zu 0,5 % tödlich	1,25 Sv
zu 50 % tödlich	4 Sv
zu 100 % tödlich	> 5 Sv

Diese Äquivalenzdosis berechnet sich nach , dabei ist Q der RBW-Faktor (=Relative biologische Wirksamkeit), der für ß-Strahlung einen Wert von 1 hat (zum Vergleich Q(a )=20) dW/dm ist die absorbierte Energie je Masse.

Die Wege, wie das Tritium in den Körper gelangen kann, sind folgende:

über die Atemluft

über die Haut

über die Nahrung

und über das Trinkwasser

Bei der Aufnahme mit der Atemluft ist die Tritiumkonzentration in der Atmosphäre entscheidend, bei der Aufnahme mit der Nahrung muß man dagegen wissen, wie das Tritium in der Natur umgesetzt wird.

Zum ersten nimmt eine Pflanze HTO mit der Luftfeuchte über die Blätter auf, entscheidender ist aber die Aufnahme aus dem Bodenwasser. Das Tritium liegt in der Pflanze größtenteils als freies Wasser vor, nur ein geringer Teil wird in die organische Struktur integriert. Dieses integrierte Tritium nennt man auch OBT (= „organic bound tritium"). Handelt es sich bei der Pflanze um eine Futterpflanze, so wird das Tritium in den Körper des Tieres aufgenommen. Allerdings werden nur etwa 10% des OBT zur Synthese tierischen Gewebes verwendet. Der Rest wird wieder mit dem Stoffwechsel ausgeschieden. In der Milch bzw. im Fleisch des Tieres stellt sich somit im Laufe der Zeit ein H/T-Verhältnis ein, wie es auch im Futter und im Trinkwasser vorliegt.

Wenn OBT mit der Nahrung bzw. HTO mit dem Trinkwasser vom Menschen aufgenommen, so wird das Radionuklid fast vollständig vom Magen-Darm-Trakt in das Blut aufgenommen. Danach vermischt es sich mit dem Körperwasser und unterliegt somit auch allen biochemischen Umsetzungen, denen normales Wasser auch unterliegt. Ein kleiner Teil des HTO wird auch vom Menschen in seine organische Struktur integriert (OBT beim Menschen).

Für die Verweildauer im menschlichen Körper ergibt sich nach Berechnungen eine Halbwertszeit zwischen 4 und 20 Tagen, im Mittel etwa 10; beim Kleinkind liegt diese bei 3. Für das OBT ist diese Zeit natürlich größer, da es „tiefer" in die Struktur des Menschen eingebaut wurde. Hier ergibt sich eine Halbwertszeit von einigen Tagen bis zu wenigen Monaten, im Mittel etwa 40 Tage; beim Kleinkind etwa 10 Tage.

Es wird angenommen, das die Tritiumkonzentration im Körper nirgendwo größer sein kann als in den zugeführten Nahrungsmitteln. Da sich HTO wie normales Wasser verhält, ist diese Annahme hier gerechtfertigt.

Anmerkung: Vorsicht! Dies ist nicht bei allen Isotopen so. Beispielsweise reichert sich ein Jodisotop in bestimmten Körperteilen an. Dies kann in der Medizin verwendet werden, um die Funktion einiger Organe zu kontrollieren.

 

Normalbetrieb des Reaktors

Im folgenden möchte ich auf den Normalbetrieb eines Fusionsreaktors eingehen.

Bei den Abschätzungen über die radiologische Belastung beim Normalbetrieb wird angenommen, daß alles Tritium in Form von HTO freigesetzt wird. Aufgrund des schon gesagten ist dies eine Annahme zur vorsichtigen Seite hin.

Obwohl es noch keine detaillierte Planung gibt, legt man eine Emission von 7,5 * 10¹⁴ Bq/a als Dosisleistung fest, die über das ganze Jahr gleichmäßig verteilt freigesetzt werden soll. Dies entspricht einer Menge von 2 Gramm. Wegen der als gleichmäßig angenommen Emission kann man annehmen, daß sich im Laufe der Zeit ein konstantes Wasserstoff/Tritium Verhältnis in der Natur einstellen wird.

Zur Abschätzung der Schädigung verwendet man ein Modell, das in der Strahlenschutzverordnung beschrieben wird: Man geht hier von einer Anlage aus, die über einen 100 m hohen Kamin emittiert, und die Anlage soll von einem Zaun umgeben sein, der 500 m, 1000 m bzw. 2000 m vom Kamin entfernt ist. Es wird nun die Strahlenexposition auf eine Person berechnet, die sich ständig am Anlagenzaun aufhält und auch ihre gesamte Nahrung von dort bezieht. Da für die Belastung der Nahrung die Belastung der Pflanzen eine große Rolle spielt, zuerst etwas dazu:

Bei der Berechnung der Aktivität in den Pflanzen geht man davon aus, daß Tritium im gleichen Verhältnis zu Wasserstoff aufgenommen wird (bzw. HTO / H₂O), wie es in der Luft bzw. im Bodenwasser vorliegt. Man setzt an, daß 30% des HTO über die Luftfeuchte und 70% über die Wurzeln aus dem Bodenwasser aufgenommen werden.

Bei der Berechnung der Aktivität in der Nahrung, d.h. Milch und Fleisch eines Tieres, welches diese kontaminierten Pflanzen frißt, wird eine Futtermenge von 65 kg Pflanzenmasse je Tag angesetzt. Beim Menschen setzt man vorsichtigerweise an, daß der Erwachsene 500 kg pflanzliche Produkte, 330 kg Milch und 150 kg Fleisch (das sind fast 500 g Fleisch pro Tag, zum Vergleich ein dickes Steak hat maximal 400 g, ein Kotelett ca. 200g). Beim Kleinkind setzt man 60 kg pflanzliche Produkte, 200 kg Milch und 20 kg Fleisch an.

 

Aus diesen Werten erhält man folgende Werte im Abhängigkeit vom Zaunabstand: effektive Äquivalenzdosisleistung in µSv/a

Zaunabstand	Erwachsener	Kleinkind
x = 1000 m
Ingestion	7	9
Inhalation	0,5	0,5
Hautaufnahme	0,3	1
Gesamtdosis	8	11
x = 500 m
Gesamtdosis	12	16
x = 2000 m
Gesamtdosis	4	6

 

 

Störfall - Ein Rechenmodell

Bei der Störfall Berechnung geht man davon aus, daß kurzfristig etwa 10 Gramm Tritium freigesetzt werden. Man verwendet hier ein Rechenmodell, daß die Anlagengeometrie und die klimatischen Verhältnisse berücksichtigt. Aus diesem Modell erhält man die Tritiumkonzentration in der Luft am Anlagenzaun zu

wobei Q die emittierte Aktivität darstellt, c ein Kurzzeitausbreitungsfaktor, in den überwiegend klimatische Faktoren eingehen, und t_q die Emissionsdauer darstellt.

 

Weiterhin ergibt sich die deponierte Tritiumaktivität, die durch Luft- und Bodenfeuchte verursacht wird zu

wobei v_g die Ausbreitungsgeschwindigkeit darstellt. Und schließlich die durch den Niederschlag deponierte Tritiumaktivität

mit W als „Washout"-Faktor, in den wiederum klimatische Gegebenheiten wie Windrichtung und Regenwahrscheinlichkeit eingehen.

Man nimmt weiter an, daß das über die Luftfeuchte und Niederschlag deponierte Tritium sich mit dem Bodenwasser vermischt und somit den Pflanzen zur Verfügung steht. Durch den Wasserumsatz im Boden nimmt die Tritiumkonzentration im Boden wieder ab. Man setzt hierfür eine Halbwertszeit von etwa 7 Tagen an. Damit ergibt sich für die Tritiumkonzentration im Bodenwasser:

Wie schon vorher beschrieben, soll ein Anteil des Tritiums von den Pflanzen über die Luft (etwa 30%) und ein Teil über das Bodenwasser (etwa 70%) aufgenommen werden. Diese Anteile heißen f_L und f_B. Während der Freisetzung nimmt die Tritiumkonzentration in der Pflanze der der Luftfeuchte. Ist die Wolke (der Tritiumtransporter) erst einmal vorbeigezogen, erfolgt eine exponentielle Abnahme mit einer schnellen und einer langsamen Komponente:

Dabei sind und Konstanten, die die Geschwindigkeit des Austausches beschreiben und a1 und a1 stellen ihre Anteile dar, wobei sich a1=99% und a2=1% ergibt. Hl ist hier die mittlere relative Luftfeuchte (Hl=9g/m^3)

Nun kann man den Transfer zum Menschen betrachten. Der Transfer über das Fleisch spielt aber nur eine untergeordnete Rolle. Wichtiger ist der Transfer über die Milch. Man setzt dabei an, das die Konzentration in der Milch proportional zu der in der Pflanze ist.

mit l als Transferfaktor und F als Futtermenge je Tag (65 kg / Tag für eine Kuh)

Die Dosis, die der Mensch durch die Ingestion der Nahrung erhält, berechnet sich zu:

wobei V_p und V_m die Verzehrmengen von pflanzlichen Produkten bzw. Milchprodukten sind. g ist ein Dosisfaktor, der berücksichtigt, ob die Person z.B. ein Kind oder ein Erwachsener ist.

mit I als Inhalationsrate (2,3*10^-4 m³/s) und a als Aufnahmerate der Haut (0,01 m³/min).

Daraus ergeben sich folgende Dosen:

Zaunabstand x	Erwachsener	Kleinkind
x = 1000 m
Ingestion	23	32
Inhalation	1	1
Hautaufnahme	1	3
Gesamtdosis	25	36
x = 500 m
Gesamtdosis	43	62
x = 2000 m
Gesamtdosis	13	19

 

 

Nun muß man sich natürlich noch die Frage stellen, was von diesen Werten überhaupt zu halten ist.

Die Werte für den Normalbetrieb liegen in der Größenordnung von etwa 10 µSv je Jahr, wenn man sich ständig am Anlagenzaun aufhält und auch seine gesamte Nahrung von dort bezieht. Dieser Wert liegt in der gleichen Größenordnung wie bei einem Spaltungsreaktor oder auch bei einem großen Kohlekraftwerk, daß einfach natürliche Radionuklid freisetzt, und liegt weit unter dem zulässigen Grenzwert von 300 µSv je Jahr.

Für die Größe der Tritiumkonzentration bei einem Unfall existieren bisher nur grobe Annahmen (hier ein Rechenbeispiel mit 10 g Tritium). Es sind aber zwischen 3 und 5 Kilogramm in der Anlage vorhanden, allerdings zum allergrößten Teil in nicht flüchtiger Form. Die Dosen liegen im Bereich bis 62 mSv, wobei die größte Belastung durch kontaminierte Nahrung verursacht wird. Der Grenzwert liegt hier bei 50 mSv. Es muß also erst noch sichergestellt werden, daß die Menge emittiertes Tritium so begrenzt wird, daß dieser Wert nicht überschritten wird.