Eventuelle Urheberrechte liegen beim jeweiligen Verfasser.

Themen�bersicht:

Chemische Reinigung

Kurzbeschreibung:
In vielen Chemischen Reinigungen wird das L�sungsmittel PER benutzt. PER ist sehr gesundheitssch�dlich und gef�hrdet Mensch und Umwelt. PER kann aus Kleidung ausd�nsten, aus den Reinigungsmaschinen austreten und sich in Nahrungsmitteln und im menschlichen K�rper anreichern. Die Beseitigung von PER ist problematisch.

M�gliche Experimente:
Filterung und Recycling von chlorierten Kohlenwasserstoffen durch Aktivkohlefilter.

 

 

Alt�l und Alt�lwiederaufarbeitung

Kurzbeschreibung:
Alt�l ist ein gef�hrlicher Abfall und gleichzeitig ein wertvoller Rohstoff. Wenn Alt�l ins Wasser gelangt, gibt es gro�e Sch�den. Wenn es sachgerecht gesammelt wird, l��t es sich weitgehend wieder aufarbeiten. Jedes Kraftfahrzeug produziert im Jahr einige Liter Alt�l.

M�gliche Experimente:
Wiederaufarbeitung von Alt�l.

 

 

Klebstoffe

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

M�gliche Experimente:
Bestimmung der L�semittel 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 gro�en Mengen verwendet. Viele Farben und Lacke geben dabei gef�hrliche Stoffe an die Umwelt ab. Erst in letzter Zeit finden sich auf dem Markt harmlosere Produkte.
Durch eigenes Verhalten kann ein gro�er Teil des Risikos vermieden werden.

M�gliche Experimente:
Bestimmung der L�semittel in verschiedenen Farben und Lacken durch Destillation und Analyse des Destillats.
Vergleich verschiedener Lacke als Anstrich.

 

 

B�romaterialien

Kurzbeschreibung:
Viele B�romaterialien (Filzstifte, Tippex, ...) geben bei der Verwendung gef�hrliche D�mpfe an die Umgebung ab. Aus Kunststoffen der Ger�tegeh�use verdunsten Weichmacher. Folien und Klebeb�nder enthalten das problematische PVC, bei dessen Verbrennung Dioxin entsteht.

M�gliche Experimente:
Filzstifte untersuchen.
Eigenschaften von Tippex-Verd�nner feststellen.
PVC nachweisen.

 

 

Formaldehyd in Wohn- und Arbeitsr�umen

Kurzbeschreibung:
Seit einigen Jahren gibt es immer wieder Zeitungsmeldungen �ber gef�hrliches, krebserregendes Formaldehyd in der Luft von Wohn- und Arbeitsr�umen. Vieles davon stammt aus Spanplatten, ein gro�er Teil aber auch aus dem Zigarettenrauch.

M�gliche 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 gesundheitsgef�hrdende Substanzen, u. a. das krebsausl�sende Benzol, enthalten, der Benzindampf tr�gt zum Treibhauseffekt bei.

M�gliche 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 f�r Leder eingesetzt. Es kann aus dem Leder in die Haut gelangen. In Deutschland ist es wegen erwiesener Krebsverursachung verboten, f�r 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.

M�gliche Experimente:
Modellversuche zur Chromatographie.

 

Konkrete Versuche:

Trennung von L�semittelgemischen durch Destillation

Verschiedene miteinander vermischte L�sungsmittel 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 Qualit�t der Destillation kann man mit einem Thermometer vor dem Eingang des K�hlers beurteilen, wenn man in einer Kurve den Temperaturverlauf gegen die Zeit auftr�gt. Je "stufiger" die Kurve, desto besser die Destillation.

Chemikalien und Ger�te:

L�sungsmittelgemisch (vom Lehrer angemischt)

Schliffger�tesatz

Heizpilz

Schliffett

Millimeterpapier

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille

Abf�lle beim Lehrer abgeben!

Durchf�hrung:

Die Destillationsanlage wird aufgebaut (dabei VORHER den Lehrer nach dem Umgang mit dem Schliffger�t fragen!) und sp�ter schrittweise erweitert.

Zuerst wird eine einfache Apparatur benutzt:

Der Destillationskolben wird zu 1/3 mit dem L�sungsmittelgemisch gef�llt, drei Siedesteinchen dazugegeben, die Anlage verschlossen, die K�hlung angestellt und die Heizung eingeschaltet. In Minutenabst�nden wird die Temperatur abgelesen und in das Diagramm eingetragen.

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

Wenn der gr��te Teil des L�sungsmittels �berdestilliert ist, wird die Heizung abgeschaltet. ES MUSS FL�SSIGKEIT IM DESTILLATIONSKOLBEN ZUR�CKBLEIBEN!!!!

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

Als Letztes wird der Zylinder mit Glasringen (Raschigringe) gef�llt 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 h�heren Siedepunkt.

Im Kolben sind 50% A und 50% B. Das Gemisch verdampft, im Dampf ist der Anteil von A gr��er als der von B, sagen wir etwa 70% zu 30%.
Bei einer einfachen Destille gelangt dieser Dampf in den K�hler, kondensiert und l�uft in die Vorlage. Die erste Fraktion enth�lt also noch 30% B.

Wenn man zwischen Kolben und K�hler 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 gr��er als in der Fl�ssigkeit (z.B. 80% A : 20% B). Je gr��er die Oberfl�che des Rohres ist, desto �fter l�uft dieser Schritt ab und desto besser werden die Komponenten getrennt. Durch die Raschigringe wird die Oberfl�che im Rohr stark vergr��ert.

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

 

Nachweis von Formaldehyd in Filzstiften

Chemikalien und Ger�te:

fuchsinschwefelige S�ure
konz. Salzs�ure
Filzstift
Saugfinger (starkes Reagenzglas mit seitlichem Ansatz)
durchbohrter Stopfen
gewinkeltes Glasrohr
kurzes Schlauchst�ck
Wasserstrahlpumpe mit Druckschlauch

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille!

Abf�lle nicht in den Ausgu�, sondern beim Lehrer abgeben!

Durchf�hrung:

Der Saugfinger wird mit etwas kaltem Wasser gef�llt und die Apparatur zusammengebaut.
Der Filzstift wird an beiden Enden ge�ffnet 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 S�ure in den Saugfinger. Wenn sich Formaldehyd im Wasser gel�st hat, f�rbt sich die L�sung nach einiger Zeit purpurrot. Die Zugabe von konz. Salzs�ure f�hrt dann zu einer stabilen Blauf�rbung.

Auswertung:

Siehe "Nachweis von Formaldehyd".

 

Herstellung von Indikatorpapier zum Nachweis von Formaldehyd in der Luft

Chemikalien und Ger�te:

Filterpapier
Fuchsinschwefelige S�ure
Tropfpipette
gro�es Uhrglas
Schere
Schnappdeckelgl�ser oder Marmeladengl�ser

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Handschuhe, Schutzbrille!

Durchf�hrung:

W�hrend der Herstellung des Indikatorpapieres darf nicht mit Formaldehyd gearbeitet werden, weil sich sonst das Papier gleich verf�rbt.

Mit der Tropfpipette gibt man soviel Fuchsinschwefelige S�ure auf das Filerpapier, da� es gut angefeuchtet ist, l��t ein wenig antrocknen und tropft nochmals auf. Nachdem das Papier getrocknet ist, wird es in Streifen zerschnitten und einzel luftdicht in den Gl�sern untergebracht.

Auswertung:

Siehe "Nachweis von Formaldehyd in der Luft"

 

Nachweis von Formaldehyd in Zigarettenrauch

Chemikalien und Ger�te:

fuchsinschwefelige S�ure
konz. Salzs�ure
Zigarette
Saugfinger (starkes Reagenzglas mit seitlichem Ansatz)
durchbohrter Stopfen
gewinkeltes Glasrohr
kurzes Schlauchst�ck
Wasserstrahlpumpe mit Druckschlauch

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille!

Abf�lle nicht in den Ausgu�, sondern beim Lehrer abgeben!

Durchf�hrung:

Der Saugfinger wird mit etwas kaltem Wasser gef�llt und die Apparatur entsprechend der Abb. zusammengebaut. Die Zigarette wird angez�ndet, 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 S�ure in den Saugfinger. Wenn sich Formaldehyd im Wasser gel�st hat, f�rbt sich die L�sung nach einiger Zeit purpurrot. Die Zugabe von konz. Salzs�ure f�hrt dann zu einer stabilen Blauf�rbung.

Auswertung:

Siehe "Nachweis von Formaldehyd".

 

L�sungsmittel aus Klebstoff oder Lack herausdestillieren

Chemikalien und Ger�te:

1 gro�es 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 Abflu�! Auf Halogene untersuchen und entsprechend entsorgen.

Durchf�hrung:

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 Gef�� zu entfernen sind.)

Der Klebstoff oder Lack wird in das gro�e Reagenzglas gef�llt, das Tempotaschentuch als K�hlung mit kaltem Wasser angefeuchtet und die Vorlage mit Eis gek�hlt.

Der Inhalt des gro�en Reagenzglases wird nun von oben beginnend mit der Bunsenbrennerflamme vorsichtig erhitzt. (Wenn mann unten anf�ngt, gibt es gro�e Blasen.) Klebstoff kann man auch zuerst im Wasserbad erhitzen.

 

Nachweis von Alkoholen

Chemikalien und Ger�te:

Cerammoniumnitrat-Reagenz
Dioxan
Reagenzgl�ser
Pipetten
Pelleusball (Pipettierhilfe)

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

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

Schutzbrille! Handschuhe!

Abf�lle nicht in den Ausgu�, beim Lehrer abgeben!

Durchf�hrung:

1 ml Cerammoniumnitrat-Reagenz werden mit 6 ml Dioxan und anschlie�end soviel Wasser versetzt, da� eine klare L�sung entsteht. Dazu wird eine Mischung aus 1 ml Probe und 1 ml Dioxan gegeben.

Auswertung:

Alkohole und Phenole ergeben eine Rotf�rbung.

 

Nachweis von Aromaten

Chemikalien und Ger�te:

Aluminiumchlorid, wasserfrei
Trichlormethan ( = Chloroform)
Reagenzgl�ser

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Im Abzug arbeiten, Schutzbrille und Schutzhandschuhe benutzen.

L�semittelabf�lle ins Sammelgef�� "Chlorhaltige Kohlenwasserstoffe"!

Das Reagenzglas mit dem Aluminiumchlorid im Abzug vorsichtig mit Wasser f�llen. Dabei entsteht �tzendes Chlorwasserstoffgas (HCl)! Dann in den Abflu� im Abzug kippen und Wasser nachlaufen lassen.

Durchf�hrung:

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

In einem zweiten Reagenzglas werden gleiche (kleine) Mengen des zu pr�fenden L�semittels mit Trichlormethan gemischt. Einige Tropfen der Mischung werden dann vorsichtig auf den gelben Ring getropft.

Auswertung:

Eine Verf�rbung zeigt die Anwesenheit von aromatischen Verbindungen an. Die Farbe h�ngt von der Art des Aromaten ab.

Theorie:

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

 

Nachweis von Carbons�ureestern

Chemikalien und Ger�te:

Methanol

methanolische Natronlauge (NaOH in CH3OH gel�st)

Phenolphtaleinl�sung

Reagenzgl�ser

Tropfpipette

Becherglas

Heizplatte (keinen Bunsenbrenner!)

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille tragen!

Im Abzug arbeiten!

Abf�lle nicht in den Ausgu�, beim Lehrer abgeben!

Durchf�hrung:

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

Das Reagenzglas wird f�r 5 - 10 Minuten in das Becherglas mit warmen Wasser gestellt.

Auswertung:

Wenn die Rotf�rbung verschwunden ist, sind Carbons�ureester im L�sungsmittel enthalten.

Theorie:

Phenolphtalein ist ein Indikator f�r Basen. Daher f�rbt sich das Gemisch nach der Zugabe von methanolischer Natronlauge rot.
Ester sind Verbindungen zwischen einer organischen S�ure und einem Alkohol. In der W�rme kann diese Verbindung wieder gespalten werden. Die freiwerdende S�ure neutralisiert die Natronlauge, die L�sung ist nicht mehr basisch, die rote Farbe verschwindet.

 

Nachweis von Formaldehyd mit Fuchsinschwefeliger S�ure

Chemikalien und Ger�te:

Reagenzgl�ser

Fuchsinschwefelige S�ure

konz. Salzs�ure

Formaldehydl�sung, max. 25%

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille, Handschuhe, Abzug

Reste nicht in den Ausgu�, sondern beim Lehrer abgeben.

Durchf�hrung:

Zu etwas Formaldehydl�sung wird Fuchsinschwefelige S�ure gegeben. Es bildet sich eine rote F�rbung.
Wenn man etwas konz. Salzs�ure zusetzt, bildet sich eine �ber l�ngere Zeit stabile Blauf�rbung aus.

Auswertung:

Fuchsinschwefelige S�ure 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 zur�ck. Der genaue Mechanismus ist nicht bekannt.

 

Nachweis von Halogenkohlenwasserstoffen
(Beilsteinprobe)

Chemikalien und Ger�te:

Kupferblech oder Pfennig

Tiegelzange

Bunsenbrenner

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille! Nur kleine Mengen verwenden! Abzug!

Durchf�hrung:

Das Kupferblech wird in der Flamme gr�ndlich ausgegl�ht. Die Flamme darf sich nicht mehr gr�n f�rben.

Ein Tropfen der Probe wird auf das hei�e Kupferblech getropft. Das Blech wird dann wieder in der Flamme ausgegl�ht.

Auswertung:

Wenn sich die Flamme gr�n f�rbt, sind in dem L�sungsmittel 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 hei�en Kupfer zu z. B. Kupferchlorid. Diese Verbindungen verdampfen leicht und f�rben die Flamme gr�n.

 

Sauerstoffnachweis in L�semitteln

Chemikalien und Ger�te:

Magnesiumsp�ne
Sand
Reagenzglas
Durchbohrter Stopfen
gewinkeltes Glasrohr
Stativ

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille! Im Abzug arbeiten!

Der Versuch darf nicht mit halogenhaltigen L�semitteln durchgef�hrt werden. daher vorher die Beilsteinprobe durchf�hren!

Abf�lle nicht in den Ausgu�, sondern beim Lehrer abgeben!

Durchf�hrung:

Gie�e in ein Reagenzglas etwa 1 cm hoch der Fl�ssigkeit und gib etwa 3 cm hoch trockenen Sand dazu. Der Sand sollte feucht aber nicht na� sein.
Spanne das Reagenzglas an der M�ndung waagerecht in ein Stativ ein und gib zwei Spatel Magnesiumsp�ne in die Mitte des Reagenzglases. Verschlie�e das Reagenzglas mit einem durchbohrten Stopfen, in dem eine gewinkelte Glasspitze steckt.

Mit der rauschenden Bunsenbrennerflamme wird kurz der Sand erw�rmt, anschlie�end die Magnesiumsp�ne kr�ftig erhitzt. Der aus der Glasspitze austretende Dampf wird angez�ndet.
Sobald das Magnesium zu gl�hen anf�ngt, wird nur noch der Sand vorsichtig erw�rmt. Die Flamme sollte nicht gr��er als 5 cm werden.

Auswertung:

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

 

Nachweis von Formaldehyd in der Luft

Chemikalien und Ger�te:

Glas mit Indikatorpapier
(Herstellung s. andere Anleitung)

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

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

Durchf�hrung:

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

Auswertung:

Wenn sich das Papier innerhalb von 30 Minuten r�tlich f�rbt, ist Formaldehyd in der Luft enthalten. Nach dieser Zeit kann die F�rbung auch durch Luftsauerstoff hervorgerufen werden.

 

PVC identifizieren
( Beilsteinprobe )

Chemikalien und Ger�te:

Kupferblech oder Pfennig

Tiegelzange

Bunsenbrenner

 

Sicherheitshinweise / Entsorgung

Schutzbrille! Nur kleine Mengen verwenden! Abzug!

Durchf�hrung:

Das Kupferblech wird in der Flamme gr�ndlich ausgegl�ht. Die Flamme darf sich nicht mehr gr�n f�rben.

Etwas Kunststoff wird auf dem hei�en Kupferblech geschmolzen (Nase weg! Gef�hrliche D�mpfe!). Das Blech wird dann wieder in der Flamme ausgegl�ht.

Auswertung:

Wenn sich die Flamme gr�n f�rbt, handelt es sich bei dem Kunststoff um PVC.

Theorie:

In PVC sind gro�e Mengen Cjlor enthalten. Das Clor verbindet sich mit dem hei�en Kupfer zu Kupferchlorid. Diese Verbindung verdampft leicht und f�rbt die Flamme gr�n.

Ausarbeitung zum Thema

Tritium

 

Radiologische Auswirkungen eines Fusionsreaktors auf die Umwelt

 

Inhaltsverzeichnis

Kurze Einf�hrung zur Fusion

Vorkommen von Tritium (Nat�rliches Vorkommen und k�nstliche Darstellung)

HT und HTO, Formen des Tritium und biologische Wirksamkeit

Normalbetrieb des Reaktors

St�rfall - Ein Rechenmodell

Abschlie�ende Betrachtungen

 

 

Kurze Einf�hrung zur Fusion

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

Es gibt dabei allerdings einen gro�en Nachteil, der in den Reaktanden selbst begr�ndet liegt: Tritium ist radioaktiv. Deswegen gibt es bereits heute einige Studien und Rechenmodelle, die sich mit der Strahlenbelastung beim Normalbetrieb bzw. bei einem St�rfall des Reaktors besch�ftigen. Dazu sp�ter mehr.

 

Vorkommen von Tritium (Nat�rliches Vorkommen und k�nstliche 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)

Nat�rliches Tritium wird in der Natur in der oberen Atmosph�re 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 zerf�llt als niederenergetischer �- Strahler in Helium (He-3)

Tritium kommt in der Natur (im Gegensatz zum Deuterium) nicht in Mengen vor, die gro� genug w�ren, um als Rohstoffgrundlage f�r die Versorgung eines Reaktors zu dienen. Daher wird Tritium k�nstlich hergestellt. Das geschieht bereits heute (gr��tenteils als Grundlage f�r 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 �hnliche Reaktion ist auch mit Li-7 m�glich, nur m�ssen hier Neutronen mit h�herer Energie verwendet werden.

Die selbe Reaktion wird man auch im Fusionsreaktor nutzen k�nnen, 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 enth�lt.

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 Erbr�tung des Tritiums im Brutmantel wird sichergestellt, da� st�ndig einige Kilogramm Tritium in der Reaktoranlage vorhanden sein werden. Die Annahmen �ber die Verteilung des Tritiums auf die verschiedenen Teile der Reaktoranlage sind heute noch sehr unsicher, aber es werden st�ndig wohl zwischen 3 und 5 kg st�ndig vorhanden sein. Hier eine Absch�tzung �ber 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 mu� man wissen, da� es eine wesentliche Rolle spielt, in welcher chemischen Form das Tritium freigesetzt wird.

Es gibt zwei Formen die in diesem Zusammenhang wichtig sind:

Gasf�rmige Form (reduzierte Form, d.h. Oxidationsstufe 0): HT, DT und T₂

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

Zwei Unf�lle 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.

 

 

Daf�r gibt es im wesentlichen zwei Gr�nde:

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

Da der menschliche K�rper zu einem gro�en Anteil aus Wasser besteht, ist die Durchl�ssigkeit f�r HTO weitaus gr��er. Die Atemwege (Schleimh�ute) sind feucht, das HTO der Luftfeuchte vermischt sich mit dem K�rperwasser, denn die oxidierte Form verh�lt sich chemisch exakt wie normales Wasser und nimmt daher an allen Umsetzungen im K�rper, ebenso wie in der Atmosph�re und dem Boden, teil.

Wie bereits erw�hnt wurde, ist Tritium ein niederenergetischer �- Strahler. Da die Reichweite in Luft sehr begrenzt ist - im Gegensatz zu Gammastrahlung - ist f�r die Absch�tzung der biologischen Sch�digung nur die interne Exposition wichtig, d.h. das Tritium, das in den K�rper hinein gelangt. Je gr��er dabei die Strahlenintensit�t ist, desto gr��er ist das Krebsrisiko, da die �-Teilchen (Elektronen), das Zellmaterial in ihrer Umgebung statistisch sch�digen. Dies reicht von Zellzerst�rungen bis hin zu Ver�nderungen an der DNA (Erbgut). Wird dabei zuf�llig das Gen zerst�rt, das das Zellwachstum hemmt, kommt es zum Krebs. Dazu einige Werte, die die Strahlenbelastung verdeutlichen sollen:

nat�rliche Strahlenbelastung	0,001 Sv / a
H�chstgrenze Strahlenschutzverordnung (f�r Personen, die berufsm��ig mit Strahlen konfrontiert sind)	0,050 Sv / a
Gef�hrdungsdosis	0,250 Sv
geringe Sch�den, „R�ntgenkater"	0,500 Sv
kritische subletale Dosis	1 Sv
zu 0,5 % t�dlich	1,25 Sv
zu 50 % t�dlich	4 Sv
zu 100 % t�dlich	> 5 Sv

Diese �quivalenzdosis berechnet sich nach , dabei ist Q der RBW-Faktor (=Relative biologische Wirksamkeit), der f�r �-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 K�rper gelangen kann, sind folgende:

�ber die Atemluft

�ber die Haut

�ber die Nahrung

und �ber das Trinkwasser

Bei der Aufnahme mit der Atemluft ist die Tritiumkonzentration in der Atmosph�re entscheidend, bei der Aufnahme mit der Nahrung mu� man dagegen wissen, wie das Tritium in der Natur umgesetzt wird.

Zum ersten nimmt eine Pflanze HTO mit der Luftfeuchte �ber die Bl�tter auf, entscheidender ist aber die Aufnahme aus dem Bodenwasser. Das Tritium liegt in der Pflanze gr��tenteils 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 K�rper 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-Verh�ltnis 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 vollst�ndig vom Magen-Darm-Trakt in das Blut aufgenommen. Danach vermischt es sich mit dem K�rperwasser 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).

F�r die Verweildauer im menschlichen K�rper ergibt sich nach Berechnungen eine Halbwertszeit zwischen 4 und 20 Tagen, im Mittel etwa 10; beim Kleinkind liegt diese bei 3. F�r das OBT ist diese Zeit nat�rlich gr��er, 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 K�rper nirgendwo gr��er sein kann als in den zugef�hrten Nahrungsmitteln. Da sich HTO wie normales Wasser verh�lt, ist diese Annahme hier gerechtfertigt.

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

 

Normalbetrieb des Reaktors

Im folgenden m�chte ich auf den Normalbetrieb eines Fusionsreaktors eingehen.

Bei den Absch�tzungen �ber die radiologische Belastung beim Normalbetrieb wird angenommen, da� 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 �ber das ganze Jahr gleichm��ig verteilt freigesetzt werden soll. Dies entspricht einer Menge von 2 Gramm. Wegen der als gleichm��ig angenommen Emission kann man annehmen, da� sich im Laufe der Zeit ein konstantes Wasserstoff/Tritium Verh�ltnis in der Natur einstellen wird.

Zur Absch�tzung der Sch�digung verwendet man ein Modell, das in der Strahlenschutzverordnung beschrieben wird: Man geht hier von einer Anlage aus, die �ber 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 st�ndig am Anlagenzaun aufh�lt und auch ihre gesamte Nahrung von dort bezieht. Da f�r die Belastung der Nahrung die Belastung der Pflanzen eine gro�e Rolle spielt, zuerst etwas dazu:

Bei der Berechnung der Aktivit�t in den Pflanzen geht man davon aus, da� Tritium im gleichen Verh�ltnis zu Wasserstoff aufgenommen wird (bzw. HTO / H₂O), wie es in der Luft bzw. im Bodenwasser vorliegt. Man setzt an, da� 30% des HTO �ber die Luftfeuchte und 70% �ber die Wurzeln aus dem Bodenwasser aufgenommen werden.

Bei der Berechnung der Aktivit�t in der Nahrung, d.h. Milch und Fleisch eines Tieres, welches diese kontaminierten Pflanzen fri�t, wird eine Futtermenge von 65 kg Pflanzenmasse je Tag angesetzt. Beim Menschen setzt man vorsichtigerweise an, da� 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 erh�lt man folgende Werte im Abh�ngigkeit vom Zaunabstand: effektive �quivalenzdosisleistung in �Sv/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

 

 

St�rfall - Ein Rechenmodell

Bei der St�rfall Berechnung geht man davon aus, da� kurzfristig etwa 10 Gramm Tritium freigesetzt werden. Man verwendet hier ein Rechenmodell, da� die Anlagengeometrie und die klimatischen Verh�ltnisse ber�cksichtigt. Aus diesem Modell erh�lt man die Tritiumkonzentration in der Luft am Anlagenzaun zu

wobei Q die emittierte Aktivit�t darstellt, c ein Kurzzeitausbreitungsfaktor, in den �berwiegend klimatische Faktoren eingehen, und t_q die Emissionsdauer darstellt.

 

Weiterhin ergibt sich die deponierte Tritiumaktivit�t, die durch Luft- und Bodenfeuchte verursacht wird zu

wobei v_g die Ausbreitungsgeschwindigkeit darstellt. Und schlie�lich die durch den Niederschlag deponierte Tritiumaktivit�t

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

Man nimmt weiter an, da� das �ber die Luftfeuchte und Niederschlag deponierte Tritium sich mit dem Bodenwasser vermischt und somit den Pflanzen zur Verf�gung steht. Durch den Wasserumsatz im Boden nimmt die Tritiumkonzentration im Boden wieder ab. Man setzt hierf�r eine Halbwertszeit von etwa 7 Tagen an. Damit ergibt sich f�r die Tritiumkonzentration im Bodenwasser:

Wie schon vorher beschrieben, soll ein Anteil des Tritiums von den Pflanzen �ber die Luft (etwa 30%) und ein Teil �ber das Bodenwasser (etwa 70%) aufgenommen werden. Diese Anteile hei�en f_L und f_B. W�hrend 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 �ber das Fleisch spielt aber nur eine untergeordnete Rolle. Wichtiger ist der Transfer �ber 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 f�r eine Kuh)

Die Dosis, die der Mensch durch die Ingestion der Nahrung erh�lt, berechnet sich zu:

wobei V_p und V_m die Verzehrmengen von pflanzlichen Produkten bzw. Milchprodukten sind. g ist ein Dosisfaktor, der ber�cksichtigt, 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 mu� man sich nat�rlich noch die Frage stellen, was von diesen Werten �berhaupt zu halten ist.

Die Werte f�r den Normalbetrieb liegen in der Gr��enordnung von etwa 10 �Sv je Jahr, wenn man sich st�ndig am Anlagenzaun aufh�lt und auch seine gesamte Nahrung von dort bezieht. Dieser Wert liegt in der gleichen Gr��enordnung wie bei einem Spaltungsreaktor oder auch bei einem gro�en Kohlekraftwerk, da� einfach nat�rliche Radionuklid freisetzt, und liegt weit unter dem zul�ssigen Grenzwert von 300 �Sv je Jahr.

F�r die Gr��e 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 allergr��ten Teil in nicht fl�chtiger Form. Die Dosen liegen im Bereich bis 62 mSv, wobei die gr��te Belastung durch kontaminierte Nahrung verursacht wird. Der Grenzwert liegt hier bei 50 mSv. Es mu� also erst noch sichergestellt werden, da� die Menge emittiertes Tritium so begrenzt wird, da� dieser Wert nicht �berschritten wird.