Thorium ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente (PSE) mit der Ordnungszahl 90 und dem Elementsymbol Th. Es ist in der 7. Reihe (Periode) im f-Block des PSE zu finden. Gemeinsam mit beispielsweise Actinium, Uran, Plutonium und Californium wird Thorium der 15. Elementgruppe, der Actinoide (oder auch Aktiniden), zugeordnet.
Thorium ist ein silbrig-weißes, schwach radioaktives Metall, das an der Luft allmählich matt wird, da es an dieser eine schützende Oxidschicht bildet. Das Element weist eine relative Atommasse von 232,04 u und eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Die Schmelztemperatur von Thorium liegt bei etwa 1.750 °C, der Siedepunkt bei rund 4.790 °C. Da Thorium durch Neutroneneinfang zu spaltbarem Uran-233 umgewandelt werden kann, und somit als brütbarer Kernbrennstoff nutzbar ist, ist das Metall von großem Interesse für technologische und nukleartechnische Anwendungen.
Die physikalischen Eigenschaften von Thorium hängen stark von der Reinheit des Elementes ab. Reines Thorium ist bei Raumtemperatur an der Luft stabil und behält seinen metallischen Glanz für mehrere Monate. Mit der Zeit läuft es jedoch durch Oxidation langsam an und verfärbt sich von grau bis schwarz. Hochreines Thorium ist zudem weich, sehr dehnbar und lässt sich kalt walzen sowie ziehen.
In Wasser und verdünnten Säuren wie Salpetersäure oder Schwefelsäure wird Thorium nur sehr langsam angegriffen, wohingegen es sich in konzentrierter Salzsäure und Königswasser sehr gut löst. Pulverförmiges Thorium oder feine Späne sind an der Luft leicht entzündlich und können sich beim Erhitzen entzünden, wobei sie mit einer weißen, hell leuchtenden Flamme verbrennen.
Thorium befindet sich tatsächlich, natürlich vorkommend, im menschlichen Körper. Die Knochen eines Menschen enthalten zwischen 0,002 und 0,012 mg Thorium pro kg Knochenmasse und auch durch Nahrung und Trinkwasser nimmt ein Erwachsener täglich etwa 0,05 bis 3 Mikrogramm auf, was bei normaler Belastung jedoch als unbedenklich gilt.
Thorium kann außerdem zusammen mit Radon als Wohngift in Innenräumen vorkommen und ist im Tabakrauch enthalten, wodurch es schnell vom menschlichen Körper aufgenommen werden und bei einer erhöhten Belastung gesundheitliche Beschwerden zur Folge haben kann.
Nach der Aufnahme wird das radioaktive Metall im Körper vor allem in der Milz, den Knochen und der Leber gespeichert, wo das Thorium über Jahre hinweg tatsächlich Krebs verursachen kann.
Thorium wird seit über 50 Jahren als Kernbrennstoff erforscht, doch es wird nicht kommerziell genutzt, weil es sich nicht direkt spaltet, sondern erst in Uran umgewandelt werden muss. Das macht den Prozess komplexer und teurer. Trotz Vorteilen wie weniger radioaktivem Abfall gibt es wirtschaftliche und technische Hürden, die den Einsatz bislang verhindern.
Ja, Thorium ist giftig, doch wie gefährlich die Auswirkungen sind, hängt stark von der Dauer und Höhe der Belastung ab. Die natürliche Menge an Thorium, welches über Nahrung und Trinkwasser aufgenommen wird, hat beispielsweise keine Auswirkungen auf den menschlichen Körper und ist ein Teil der natürlichen Strahlenbelastung des Menschen. Auch ein kurzfristiger Kontakt mit geringen Mengen Thorium stellt meist nur ein geringes Risiko dar.
Gefährlich wird es jedoch vor allem, wenn Thorium-Staub oder -Dämpfe über längere Zeit oder in hoher Konzentration eingeatmet werden, wie es zum Beispiel am Arbeitsplatz in bestimmten Industrien vorkommen kann. Dann kann Thorium schwere Lungenkrankheiten, Bauchspeicheldrüsen- oder Lungenkrebs verursachen, das Erbgut schädigen und sich in den Knochen anreichern, was langfristig zu Knochenkrebs führen kann.
Thorium ist zwar weniger toxisch als Uran oder andere radioaktive Elemente, erhöht aber als radioaktives Schwermetall bei Einatmung von Stäuben das Risiko für Lungenkrebs deutlich. Daher ist es vor allem bei dauerhafter oder starker Exposition gesundheitsschädlich und kann in solchen Fällen sogar tödlich sein.
Thorium ist ein natürlich vorkommendes Metall, welches eine hohe Affinität zu Sauerstoff besitzt und daher stabile Oxide und Silikate bildet. Aus diesem Grund reichert es sich bevorzugt in der Erdkruste an, wodurch Thorium auch den lithophilen Elementen zugeordnet wird. Der Anteil in der Erdkruste beläuft sich dabei auf 7 bis 13 mg pro Kilogramm, womit das Element etwa zwei- bis dreimal häufiger als beispielsweise Uran, als vergleichbar nutzbares Element, vertreten ist.
Weitere typische Wirtsminerale für lithophile Elemente sind Mineralien wie Monazit und Thoruit. Dabei befinden sich Thorium-Verbindungen vor allem in Monazitsanden, welche meist 4–12 % Thoriumdioxid (ThO₂) enthalten und als Mischphosphate der Seltenerdmetalle und Thorium beschrieben werden. Auch Mineralien wie Titanit und Zirkon enthalten oft geringe Mengen des Metalls.
Die größten natürlichen Thorium-Vorkommen befinden sich in Indien, Brasilien, Australien und den USA. Da das Element auch beim Abbau seltener Erden anfällt, kommt es zudem in China in größeren Mengen vor. Bedeutende Lagerstätten führen zudem Norwegen, Sri Lanka, Kanada, Lappland und Brasilien. Ein besonders großes, aufgrund wirtschaftlicher und politischer Gegebenheiten bisher kaum genutztes, Thorium-Vorkommen befindet sich mit schätzungsweise 800.000 Tonnen Thoriumdioxid in der Türkei.
Die weltweit förderbaren Reserven an Thorium werden auf insgesamt eine Million Tonnen geschätzt.
Die Entdeckung von Thorium begann 1828, als Hans Morten Esmark auf der norwegischen Insel Løvø ein schwarzes Mineral fand und es seinem Vater, Jens Esmark, übergab. Dieser konnte das Mineral keinem bekannten Stoff zuordnen und schickte es daher an Jöns Jakob Berzelius, der es als neues Mineral identifizierte und das Thorium nach dem Donnergott „Thor“ benannte. 1898 entdeckten Marie Curie und vorher Gerhard Schmidt die Radioaktivität des Elementes doch die Reindarstellung von Thorium gelang erst knapp ein Jahrhundert später den Chemikern Lely und Hamburger.
Thorium wurde ursprünglich aufgrund seiner Eigenschaften, wie ein helles, farbneutrales Glühen beim Erhitzen, ein hoher Brechungsindex (gibt an, wie stark Licht in einem Medium im Vergleich zum Vakuum gebrochen wird) sowie Häufigkeit und Korrosionsbeständigkeit, in verschiedenen Anwendungen wie Glühstrümpfen, Keramik und Kohlebogenlampen eingesetzt.
Doch die Entdeckung seiner Radioaktivität durch Gerhard Carl Schmidt und Marie Curie im Jahr 1896-98 änderte die Situation grundlegend. Die gesundheitlichen Risiken, die mit der chemischen und radiologischen Toxizität von Thorium verbunden waren, führten in den 1930er Jahren dazu, dass das Metall in den USA verboten wurde. Es entstanden zunehmend Bedenken über die potenziellen Gefahren für die Gesundheit, was schließlich die Einstellung seiner Verwendung in vielen Bereichen zur Folge hatte.
Später, im Rahmen des „Atoms for Peace“-Programms der USA, wurde Thorium als potenzieller Brennstoff für Kernreaktoren betrachtet, da es keine waffenfähigen Plutoniumvorräte erzeugte. Dennoch wurde die Forschung in den 1970er Jahren aufgrund technischer Herausforderungen und der Verfügbarkeit von billigeren Alternativen wie Uran weitgehend eingestellt.
Trotz dessen sehen viele Forscher im Einsatz von Thorium zur Energiegewinnung eine zukunftsweisende Rolle, da sich viele Reaktortypen, unter Anderem Flüssigsalzreaktoren, für die Nutzung von Thorium eignen und potenzielle Vorteile bieten: Sie benötigen bei Betrieb keine großen Mengen Kühlwasser und sind weitgehend gegen eine klassische Kernschmelze gefeit, wodurch das Risiko eines unkontrollierten Austritts von Radioaktivität deutlich sinkt. Auf der anderen Seite gibt es jedoch auch zahlreiche Nachteile wie zum Beispiel die Tatsache, dass der bei der Stromerzeugung entstehende radioaktive Müll über lange Zeiträume gekühlt und sicher gelagert werden muss, was die Endlagerung noch komplizierter macht als bei herkömmlichen Uran-Reaktoren.
Weiterhin wird Thorium als Legierungsbestandteil in anderen Metallen zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit beim Bau von Strahltriebwerken und Raketentriebwerken eingesetzt.
Unsere Quellen – hier erfahrt ihr noch mehr zu Thorium:
ScienceDirect: Thorium fuel revisited
Periodensystem online: Thorium
FINANCIAL POST: Könnte Thorium die nächste große Brennstoffquelle der Welt sein?