Es ist ein schwach radioaktives, weiches und duktilesSchwermetall, welches das am häufigsten vorkommende radioaktive Element in der Erdkruste ist. Es wird oft aus Monazit gewonnen. Auf der Erde ist es fast ausschließlich als Thorium-232 zu finden, andere Isotope kommen nur in Spuren vor oder sind komplett synthetisch. Früher wurde die Verbindung Thorium(IV)-oxid aufgrund des hohen Schmelzpunktes in Glühstrümpfen verwendet. Aufgrund der Radioaktivität des Thoriums werden gegenwärtig allerdings andere Materialien verwendet. Heutzutage liegt der Fokus eher auf seiner bisher noch experimentellen Verwendung in Flüssigsalzreaktoren, in denen es das Uran ersetzen soll.
Geschichte
Jöns Jakob Berzelius
Der Name Thorium für ein neues Element wurde erstmals 1818 von Jöns Jakob Berzelius verwendet. Er behauptete, dass er 1815 in einem unbekannten Mineral aus Falun eine unbekannte Erde (Metalloxid) gefunden habe, die er nach der germanischen GottheitThorThorina nannte. 1825 verkündete Berzelius jedoch, dass er sich geirrt habe und sich bei weiteren Untersuchungen herausgestellt habe, dass das Mineral nur Yttriumphosphat enthalte. Als François Sulpice Beudant 1832 das Mineral genauer beschrieb, nannte er es nach dem griechischen κενός kenós für „vergeblich“, „scheinbar“ und τιμή timé „Wert“, „Preis“ Kenotim, um an den Irrtum von Berzelius zu erinnern. Dieser Name veränderte sich schließlich zu Xenotim.
1828 fand Morten Thrane Esmark auf der norwegischen Insel Løvøya (Løvø) in der Nähe der Ortschaft Brevik ein schwarzes Mineral. Über seinen Vater Jens Esmark gelangte das Mineral zu Berzelius. Dieser untersuchte es und entdeckte ein unbekanntes Element in dem Mineral. Er konnte verschiedene Salze des neuen Elementes und auch unreines metallisches Thorium darstellen. Letzteres gelang durch Reduktion sowohl von Thoriumchlorid als auch von Kaliumpentafluorothorat(IV) mit Kalium. Für die Benennung des Elementes behielt er seine alte Namensgebung nach Thor bei und nannte das neue Element Thorium und das Mineral Thorit. Reines Thorium konnte 1914 durch Reaktion von Thoriumchlorid mit Natrium im Vakuum bei 500°C hergestellt werden.
Erstmals verwendet wurde Thorium 1890 von Carl Auer von Welsbach. Er hatte bei der Trennung von Thoriumerzen bemerkt, dass Lösungen, die Thorium und geringe Mengen Cer enthalten, durch eine Flamme stark leuchten können. Daraus entwickelte er einen Glühstrumpf für die Gasbeleuchtung, der etwa 99% Thorium- und 1% Cer(IV)-oxid enthielt.
Die Radioaktivität von Thorium wurde 1898 unabhängig voneinander sowohl von Gerhard Carl Schmidt als auch kurze Zeit später von Marie Curie entdeckt. Ab 1899 erforschte Ernest Rutherford den radioaktiven Zerfall des Thoriums. Dabei fand er, dass die Strahlung im Gegensatz zu der des Urans nicht konstant war, sondern schwankte und dass dies von einem radioaktiven Gas verursacht wurde, das er Emanation nannte. Rutherford hatte damit das Radon entdeckt. Er erforschte in der folgenden Zeit auch zusammen mit Otto Hahn die Zerfallskette des Thoriums, die Thorium-Reihe. Dabei fand Hahn Radiothor und Mesothor, die zeitweise für eigene Elemente gehalten wurden. Radiothor erwies sich als das Thoriumisotop 228Th und Mesothor als 228Ra.
Im Rahmen des Manhattan-Projektes fand Glenn Seaborg, dass durch Bestrahlung von 232Th mit langsamen Neutronen das Uranisotop 233U entsteht, das sich in weiteren Experimenten als spaltbar herausstellte. Die schon 1942 gemachte Entdeckung wurde 1947 veröffentlicht. Dies kann in Brutreaktoren (Thermischer Brüter) ausgenutzt werden und wurde unter anderem im Kernkraftwerk THTR-300 in Hamm mit einer Mischung aus Thorium und hochangereichertem Uran als Brennstoff erprobt.
Vorkommen
Thorit
Thorium ist mit einem Anteil von 9,6ppm an der kontinentalen Erdkruste ein seltenes, aber verbreitet vorkommendes Element. Es ist das am häufigsten vorkommende radioaktive Element und etwa 3,5 mal so häufig wie Uran. Einen vergleichbaren Anteil an der Erdkruste besitzen etwa Bor, Blei und Praseodym.
Thorium ist ein stark lithophiles Element, so dass ein Großteil des Metalls sich in der Erdkruste befindet, der Erdkern dagegen wahrscheinlich kein Thorium enthält. Auf Grund der hohen Ionenladung von +4, in der Thorium in der Natur vorkommt, wirkt es als inkompatibles Element (Gruppe der HFSE, high field strength elements) und wird kaum in gesteinsbildende Minerale eingebaut. Es kommt daher in den meisten Gesteinen nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Beim Auskristallisieren oder teilweisem Schmelzen von Magma bleibt Thorium in der Schmelze und reichert sich an. Darum weisen spät kristallisierende magmatische Gesteine wie Granit, Pegmatit oder Carbonatit hohe Thoriumgehalte auf.
Thorium besitzt einen ähnlichen Ionenradius wie Zirconium und Cer und kann daher in deren Minerale eingebaut werden. So enthält Zirkon 50 bis 4000ppm, in der thoriumreichen VarietätCyrtolit sogar über 5% Thorium. Durch den radioaktiven Zerfall von eingebautem Thorium und Uran wird die Kristallstruktur des Zirkons zerstört, weshalb stark thoriumreiche Zirkone metamikt sind. Besonders thoriumreich sind verschiedene Cer-Minerale wie Allanit, der bis zu 2% und insbesondere Monazit, der 2,5 bis 20% Thorium enthalten kann. Monazit ist dementsprechend auch die wichtigste Quelle für die Gewinnung von Thorium.
Thorium wird von Wasser kaum aus dem Gestein gelöst, ist somit sehr widerstandsfähig gegen Verwitterung und kann sich darum in Seifenlagerstätten anreichern. Nur unter sehr sauren Bedingungen und bei sehr hohen Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen kann es unter Komplexbildung aus dem Gestein gelöst werden. Huminsäuren bilden sehr stabile, unlösliche Komplexe mit Thorium und können es in Böden binden. Zudem adsorbierenTonminerale Thorium und bestimmen dadurch die Verteilung des Elementes in Sedimentgesteinen. Die meisten Böden enthalten geringe Mengen Thorium, bei normaler natürlicher Radioaktivität 5 bis 95Bq/kg. Ebenso enthält Kohle häufig Thorium in unterschiedlichen Konzentrationen, beispielsweise in Rumänien durchschnittlich 62, in Deutschland 21Bq/kg. Diese kann sich bei der Verbrennung in der Flugasche anreichern und bei unzureichender Filterung in die Natur gelangen.
Thoriumvorkommen können in mehrere Typen eingeteilt werden. Hierzu zählen vor allem Ganglagerstätten, Seifen und Carbonatite, in kleineren Maß auch Alkaligesteine. Davon machen Seifen mit 2,2 Millionen Tonnen etwa 35,1% der bekannten Ressourcen aus, gefolgt von Carbonatiten mit 1,8 Millionen Tonnen und etwa 28,7% sowie Ganglagerstätten mit 24,6% und 1,5 Millionen Tonnen. Insgesamt sind (Stand 2013) 6,2 Millionen Tonnen weltweite Thoriumressourcen bekannt.
Die größten bekannten Thoriumvorkommen befinden sich in Indien mit identifizierten Ressourcen von etwa 846.000 Tonnen. Dabei handelt es sich überwiegend um Seifen an Stränden der Bundesstaaten Andhra Pradesh, Kerala, Odisha und Tamil Nadu. Weitere wichtige Vorkommen liegen in Brasilien mit 632.000 Tonnen sowie Australien und den Vereinigten Staaten mit jeweils 595.000 Tonnen. Die größte brasilianische Lagerstätte ist das große carbonatitische Niobvorkommen in Araxá, die australischen Vorkommen befinden sich vor allem im Murray-Becken in Victoria. Die US-amerikanischen Vorkommen sind vor allen Ganglagerstätten in den Bundesstaaten Montana, Idaho und Colorado. Die größten europäischen Lagerstätten liegen in Grönland, Finnland und Norwegen, vorwiegend als Carbonatit.
Gewinnung und Darstellung
Wichtigstes Erz für die Gewinnung von Thorium ist Monazit, wobei nur ein geringer Teil des Monazits für die Gewinnung von Thorium abgebaut wird und auch das als Nebenprodukt bei der Seltenerdmetall-Produktion anfallende Thorium wird nur in geringem Ausmaß genutzt. Je nach Ausgangsmaterial wird Monazit durch Schwerkrafttrennung, Magnettrennung und Flotation von anderen Mineralen getrennt und zu einem Konzentrat mit bis zu 98% Monazit verarbeitet.
Um Thorium zusammen mit den Seltenerdmetallen (rear earth elements, REE) aus dem Monazit zu extrahieren, wird es mit konzentrierter Schwefelsäure bei 230°C ausgelaugt, wodurch sich lösliche Sulfate bilden. Auch ein Aufschluss mit Natronlauge ist möglich, wobei Hydroxide gebildet werden, die danach in Salzsäure gelöst werden. Dieser Prozess ist jedoch technisch schwieriger. Eine Gewinnung von Thorium durch Rösten von Monazit mit Schwefelsäure ist dagegen nicht möglich, da dabei das auch in starken Säuren unlösliche Thoriumpyrophosphat ThP2O7 bildet. Dieses Verfahren wird genutzt, wenn nur die Herstellung von Seltenen Erden gefragt ist und Thorium als Abfall verworfen wird.
Die Separierung von Thorium und den REE erfolgt in zwei Schritten. Im ersten wird die Lösung mit Ammoniumhydroxid oder Natriumhydroxid versetzt, wodurch Thorium(IV)-hydroxid bei pH-Werten von 1,6 bis 1,89 ausfällt. Anschließend muss es von den restlichen REE getrennt und gereinigt werden. Dies erfolgt über ein Extraktionsverfahren. Besonders effizient ist die Extraktion bei der Verwendung von Salpetersäure als wässrige Phase. Als Extraktionsmittel wird überwiegend Tri-n-butyl-phosphat (TBP) verwendet, andere wie Bis(2-ethylhexyl)phosphat oder Aliquat 336 werden erforscht. Aus der thoriumhaltigen salpetersauren Lösung fällt beim Verdampfen des Wassers Thoriumnitrat als Tetrahydrat aus, dieses ist die wichtigste Handelsform des Elementes und Ausgangsstoff für die Herstellung der meisten anderen Thoriumverbindungen.
Dünnes Thorium-Blechstück unter Argon in einer Glasampulle, ca. 0,1 g
Das Metall kann entweder durch Elektrolyse oder Reduktion mit bestimmten Metallen hergestellt werden. Für die metallothermische Reduktion wird in der Regel Thoriumdioxid genutzt, das aus Thoriumnitratlösungen durch Fällung mit Oxalsäure und Calcinierung bei 1000°C hergestellt wird. Bei der Reduktion von Thoriumoxid wird bevorzugt Calcium eingesetzt, aber auch Magnesium oder Aluminium sind möglich. Bei der Verwendung dieser Metalle wird Zinkchlorid oder -fluorid zugesetzt, durch die Bildung der intermetallischen Verbindung Th2Zn17 ist die Reaktion thermodynamisch günstiger. Das Zink kann genauso wie überschüssiges Magnesium, das eine Thorium-Magnesium-Legierung bildet, nach der Reaktion durch Vakuumdestillation entfernt werden. Neben Thoriumdioxid wurde auch Thorium(IV)-fluorid für die Reduktion mit Calcium eingesetzt. Dagegen bilden sich mit Kohlenstoff und Silicium leicht Carbide bzw. Silicide.
In der elektrolytischen Reduktion können verschiedene Mischungen geschmolzener Halogenide genutzt werden. Dazu zählt das Thoriumfluorid-Kaliumfluorid-Doppelsalz KThF5 in Natriumchlorid, sowie Thorium(IV)-chlorid oder -fluorid in einer Mischung aus Kaliumchlorid und Natriumchlorid.
Bei den Reduktionsverfahren entsteht Thorium meist in Form eines Pulvers oder Schwamms. Schmelzen und anschließendes Gießen des Metalls ist möglich, aber durch die hohen notwendigen Temperaturen von 1800°C und die starke Reaktivität sowohl mit Sauerstoff und Stickstoff, als auch den meisten Tiegel-Materialien schwierig. Möglich ist das Schmelzen in Tiegeln aus Berylliumoxid oder stabilisiertem Zirconiumdioxid. Alternativ können Metallbarren durch Lichbogenschmelzen oder durch Zusammenpressen von Thoriumpulver und anschließendes Sintern bei 1350°C im Vakuum gewonnen werden.
Über produzierte Mengen an Thorium ist wenig bekannt. Einziges Land, das Monazit gezielt für die Gewinnung von Thorium abbaut, ist Indien. Dieses deckt den Großteil des Weltbedarfs an diesem Element. In China werden kleinere Mengen des Elements als Nebenprodukt beim Abbau in Bayan Obo gewonnen und in der Kernforschung eingesetzt. Historisch wird die Weltproduktion von Thorium bis 1988 auf kumuliert über 20.000Tonnen geschätzt. Wichtigste Produktionsländer waren Australien, China, Indien, Deutschland, Frankreich und die Vereinigten Staaten. Aus den Thoriumgehalten in Monazit geschätzt, könnte die Jahresproduktion in Indien auf 300–400Tonnen und in Brasilien auf 70–100Tonnen betragen. Weitere Produktionsländer waren Kanada, Malaysia, die Türkei, Indonesien, Nigeria, Nord- und Südkorea sowie die Sowjetunion.
Eigenschaften
Reines Thorium ist ein silberweißes Metall, das an der Luft bei Raumtemperatur stabil ist und seinen Glanz einige Monate behält. Ist es mit seinem Oxid verunreinigt, läuft es langsam an der Luft an und wird grau und schließlich schwarz.
Die physikalischen Eigenschaften von Thorium hängen stark von seinem Gehalt an seinem Oxid ab. Viele „reine“ Sorten enthalten oft einige Promille Thoriumdioxid. Es ist aber auch hochreines Thorium verfügbar. Reines Thorium ist weich und sehr dehnbar, es kann kalt gewalzt und gezogen werden.
Thorium ist polymorph mit zwei bekannten Modifikationen. Bei über 1400°C wandelt es sich von einer kubisch-flächenzentrierten zu einer kubisch-raumzentrierten Struktur um.
Von Wasser wird Thorium nur sehr langsam angegriffen, es löst sich auch in den meisten verdünnten Säuren (Flusssäure, Salpetersäure, Schwefelsäure) und in konzentrierter Salz- und Phosphorsäure nur langsam. In rauchender Salpetersäure und Königswasser löst es sich gut. Pulverförmiges Thorium ist bei feiner Verteilung pyrophor. Thorium verbrennt an der Luft mit weißer, hell leuchtender Flamme.
Isotope
Alle Isotope von Thorium sind radioaktiv. Natürliches Thorium besteht ausschließlich aus 232Th, einem primordialen Nuklid mit einer Halbwertszeit von 14 Milliarden Jahren. Sein Zerfall über Zwischenschritte hin zu 208Pb (Thorium-Reihe) trägt zur Erdwärme bei. Alle anderen Isotope sind weit kurzlebiger und kommen nur als Zwischenprodukte dieser und anderer Zerfallsreihen in winzigen Spuren natürlich vor.
Verwendung
Glühlicht
Messung von Strahlung an Glühkörpern
Thorium wurde in Form seines Oxides für die Herstellung von Glühstrümpfen verwendet. Dazu wurde Stoffgewebe mit einer Lösung aus 99% Thoriumnitrat und 1% Cernitrat getränkt. Beim ersten Anzünden verbrannte das organische Gewebe, und das Thoriumnitrat zersetzte sich in Thorium(IV)-oxid und nitrose Gase. Hierbei blieb eine zerbrechliche Struktur zurück, die in der Gasflamme ein weißes Licht abgab. Dieses Leuchten hatte nichts mit der sehr schwachen Radioaktivität des Thoriums zu tun, sondern ist gewöhnliches Glühen durch die Hitze der Gasflamme. Aufgrund der Radioaktivität ist man inzwischen zu anderen Materialien übergegangen.
Kernenergie
Thorium kann zur Herstellung des spaltbaren Uranisotops233U verwendet werden. Anders als im Uran-Plutonium-Brutreaktor (dem schnellen Brüter) ist dies auch in einem Reaktor möglich, in dem die Kernspaltung durch thermische Neutronen erfolgt. Das liegt am besonders hohen Wirkungsquerschnitt von 232Th für den Einfang eines thermischen Neutrons. Die erreichbaren Brutraten sind bei einem solchen thermischen Brüter aber geringer als beim schnellen Brüter.
Aus Thorium 232Th wird durch Neutronenbestrahlung 233Th erbrütet; dieses zerfällt über Protactinium233Pa in Uran 233U.
Versuche mit Thorium in MOX-Brennelementen waren schon in den 1970er Jahren in Lingen durchgeführt worden. Als thermischer Brüter war der LeichtwasserreaktorShippingport von 1977 bis 1982 in Betrieb. Die frühen Hochtemperaturreaktoren (HTR) mit Thoriumverwendung, z.B. der THTR-300, erbrüteten weniger 233U als sie an Spaltstoff verbrauchten, waren also keine Brutreaktoren. Nur etwa 4% des Thoriuminventars konnten zur Energieerzeugung genutzt werden. Diese HTR waren neben Thoriumzugabe also auf ständige Spaltstoffzufuhr in hochangereicherter, waffenfähiger Form (93% 235U) angewiesen, was sich aus Gründen der Proliferationssicherheit bald als inakzeptabel erwies, sodass neuere HTR-Konzepte sich auf den klassischen U/Pu-Zyklus mit niedrig angereichertem Uran, d.h. ohne Thorium, konzentrieren. Der deutsche THTR-300 wurde nach 423Tagen Volllastbetrieb und vielen Problemen 1989 stillgelegt. 2002 fanden in Obrigheim Tests mit Thorium statt. Eine neue, auf fünf Jahre angelegte Versuchsreihe zur Verwendung von Thorium in MOX-Brennelementen läuft seit April 2013 im norwegischen Forschungsreaktor Halden. Ziel ist es, das Verfahren in kommerziellen Kernkraftwerken anzuwenden und auch das Plutonium abzubauen. Als aktuelles Konzept für einen thermischen Brüter auf Thoriumbasis ist der Flüssigsalzreaktor zu nennen. Ein solcher thermischer Brüter zeigt aber Sicherheitsprobleme; deshalb wird das Konzept eines schnellen Flüssigsalzbrüters diskutiert. Auch das Konzept des beschleunigergetriebenen Rubbiatron-Reaktors basiert auf Thorium.
Da Thorium in größeren Mengen als Uran vorhanden ist, könnte es nach der zu erwartenden Abnahme der weltweiten Uranvorräte möglicherweise in Zukunft eine wichtige Energiequelle sein. Speziell im angelsächsischen Raum gab es Anfang der 2010er Jahre eine intensive Kampagne für eine Thoriumnutzung zur angeblichen Lösung fast aller Energieprobleme. Kritiker dieser Kampagne sprechen von Thorium-Hype oder sogar von Astroturfing. Studien für die norwegische und die britische Regierung warnen vor hohen Erwartungen bzgl. Thoriumnutzung. Neuere Studien weisen zudem darauf hin, dass eine Nukleartechnik unter Einbeziehung von Thorium erhebliche Proliferationsrisiken birgt. Ein weiterer sicherheitstechnischer Nachteil der Thoriumanwendung besteht darin, dass bei der Spaltung von Uran-233 um etwa 60% weniger verzögerte Neutronen entstehen als bei der Uran-235-Spaltung; das erhöht das Risiko von Kritikalitätsstörfällen.
Zurzeit wird vor allem in Indien Forschung zur Nutzung von Thorium in Kernkraftwerken betrieben, da in diesem Land die weltweit größten Thoriumvorkommen zu finden sind. Mit der Fertigstellung des Prototype Fast Breeder Reactor (Prototyp schneller Brutreaktor, PFBR) sei nach mehreren Verschiebungen bis Ende 2025 zu rechnen.
2025 verkündete China den erfolgreichen Betrieb eines experimentellen Thorium Flüssigsalzreaktors.[veraltet]
Der Reaktorsicherheitsexperte Rainer Moormann veröffentlichte 2018 eine kritische Stellungnahme zur Thoriumnutzung und wies vor allem auf erhöhte Proliferationsrisiken durch den auch für Terroristen leicht möglichen Bau einer Atombombe aus 233U hin.
Eine stabilisierte Suspension von kolloidalem Thoriumdioxid wurde von 1931 beginnend unter diesem Handelsnamen bis Ende der 1940er Jahre als Röntgenkontrastmittel für die Angiografie verwendet. Es reichert sich jedoch im retikulohistiozytären System an und kann aufgrund örtlich erhöhter Strahlenbelastung zu Krebs führen. Klare Assoziationen bestehen zwischen Thorotrast und dem Gallengangskarzinom; außerdem kann ein Angiosarkom der Leber, ein sonst sehr seltener bösartiger Tumor der Leber, durch Thorotrast induziert sein. Karzinome der Nasennebenhöhlen nach der Verabreichung von Thorotrast sind beschrieben. Typischerweise treten die Erkrankungen 30–35Jahre nach der Exposition auf.
An Stelle von Thorotrast werden heute Bariumsulfat und deutlich verbesserte aromatische Iodderivate als Röntgenkontrastmittel verwendet.
Andere Anwendungen
Zur Verbesserung der Zündeigenschaften der beim Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen) eingesetzten Elektroden wurde Thoriumdioxid in der Größenordnung von 1 bis 4% beigemischt. Diese Verwendung ist inzwischen wegen der Strahlenbelastung durch Dämpfe und Schleifstaub nahezu eingestellt worden. Moderne WIG-Elektroden arbeiten mit Cer-Zusätzen.
Als Glühelektrodenwerkstoff eingesetzter Wolframdraht wird zur Verringerung der Elektronen-Austrittsarbeit mit 1 bis 3% Thoriumdioxid dotiert. Dies ermöglicht die Reduzierung der zu einer vergleichbaren Emission notwendigen Temperatur in Elektronenröhren und verbessert das Startverhalten von Entladungslampen. Im Lampenbau wird Thorium ferner als Getter in Form von Thoriumdioxid-Pillen oder Thoriumfolie eingesetzt.
Gelbstichiges Objektiv mit thoriumhaltigem Glas (links), Gelbstich durch UV-Bestrahlung teilweise entfernt (Mitte), nicht-thoriumhaltiges Objektiv (rechts)
Thoriumdioxid wurde dem Glas für hochwertige optische Linsen zugesetzt, um Linsen mit sehr großem optischen Brechungsindex bei kleiner optischer Dispersion zu produzieren. Optische Geräte aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs (z.B. das Aero-Ektar von Kodak) bzw. der frühen Nachkriegsjahre (z.B. einige Summicron-Objektive von Leitz) enthalten gelegentlich Thoriumglas. Thoriumhaltige Linsen haben einen leichten, sich mit der Zeit verstärkenden Gelbstich, der durch intensive Bestrahlung mit UV-Licht zumindest teilweise entfernt werden kann. Wegen der vom Thorium ausgehenden Strahlung wird thoriumhaltiges Glas heute nicht mehr kommerziell hergestellt. Lanthan-haltige Gläser (z.B. LaK9) können Thoriumglas ersetzen.
Als Legierung mit Magnesium (Mag-Thor) kam Thorium in der militärischen Luftfahrt und Triebswerkstechnik zum Einsatz. Thorium verleiht der Legierung eine höhere Festigkeit und erhöhte Temperaturbeständigkeit und wurde insbesondere in Kompressorstufen von Triebwerken verwendet. Neben der Drohne Lockheed D-21 und der Boden-Luft Rakete Bomarc CIM-10 kam Mag-Thor auch in erheblichen Mengen (3kg je Flugzeug) im Triebwerk Snecma Atar 9C zum Einsatz, welches in der Dassault Mirage III verbaut wurde.
Das Isotop 229Th hat die einzigartige Eigenschaft, dass sein Atomkern nur 8,356eV über dem Grundzustand einen langlebigen angeregten Zustand (Kernisomer) besitzt. Dies entspricht ultraviolettem Licht der Vakuum-Wellenlänge von 148,4nm. Nach jahrelangen Experimenten zur genauen Bestimmung der Anregungsenergie gelang 2023 die Anregung dieses Zustands mit Laserlicht. Dies könnte den Bau einer Atomkernuhr ermöglichen.
Sicherheitshinweise
Einstufungen nach der CLP-Verordnung liegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen, die eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf der Radioaktivität beruhenden Gefahren spielt. Auch Letzteres gilt nur, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt.
Chemische Toxizität
Die akute chemische Toxizität von Thorium wird als gering eingeschätzt und im Wesentlichen auf die Radioaktivität zurückgeführt. Dies hängt mit der schlechten Wasserlöslichkeit von 0,0001μg pro Liter (10−10) des reinen Metalls sowie des meist vorkommenden Thoriumdioxids zusammen. Lediglich in sehr saurem Milieu ab einem pH-Wert von 4 löst sich Thorium besser. Auch Oxalate und andere Komplexbildner erhöhen die Wasserlöslichkeit.
Radiotoxizität
Das Thoriumisotop 232Th ist mit seiner Halbwertszeit von 14,05Mrd. Jahren noch wesentlich schwächer radioaktiv (geringere Dosisleistung) als Uran-238, da durch die längere Halbwertszeit weniger Zerfälle pro Sekunde stattfinden und auch die Konzentration der kurzlebigen Zerfallsprodukte geringer bleibt. Thorium ist ein α-Strahler und aufgrund dieser Strahlungsart gefährlich bei Inhalation und Ingestion. Metall-Stäube und vor allem -Oxide sind aufgrund ihrer Lungengängigkeit radiotoxisch besonders gefährlich und können Krebs verursachen. Beim Lagern von und Umgang mit Thorium und seinen Verbindungen ist auch die dauernde Anwesenheit der Elemente aus der Zerfallsreihe zu beachten. Besonders gefährlich sind starke Beta- und die mit einem hohen 2,6-MeV-Anteil sehr energiereichen und durchdringungsfähigen Gammastrahlen. Ferner entsteht in der Zerfallsreihe als Ergebnis eines Alphazerfalls das auch als Thoron bekannte Radonisotop 220Rn, das wiederum in einem Alphazerfall zu Polonium-216 und Blei-212 zerfällt. Bei gleicher Aktivitätskonzentration ergibt sich aus den Thoron-Folgeprodukten eine 14-fach höhere Strahlenbelastung als aus den Folgeprodukten des 222Rn.
Thoriumverbindungen
In Übereinstimmung mit seiner Stellung im Periodensystem tritt Thorium in seinen Verbindungen normalerweise in der Oxidationsstufe +4 auf; Thorium(III)- und Thorium(II)-Verbindungen sind seltener. Eine Besonderheit bilden die Carbide der Actinoide ohne feste Stöchiometrie.
Thoriumdioxid, Thorium(IV)-oxid (ThO2) hat mit 3300°C einen der höchsten Schmelzpunkte aller Metalloxide. Nur einige wenige Metalle, wie Wolfram, und einige Verbindungen, wie Tantalcarbid, besitzen höhere Schmelzpunkte.
Thoriumnitrat, Thorium(IV)-nitrat (Th(NO3)4) ist eine farblose, leicht in Wasser und Alkohol lösliche Verbindung. Das Nitrat ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Darstellung von Thorium(IV)-oxid sowie von Thoriummetall und wird auch bei der Erzeugung von Gasglühkörpern eingesetzt.
Thoriumnitrid, Thorium(IV)-nitrid (Th3N4) entsteht beim Glühen von Thorium in Stickstoffatmosphäre und hat einen messingfarbenen Glanz. Thoriumnitrid ist hygroskopisch und zerfällt innerhalb weniger Stunden durch Luftfeuchte.
Thoriumcarbid, ThC2 bildet gelbe, monokline Kristalle mit einem Schmelzpunkt von 2655°C. Das Carbid wird bei etwa 9K supraleitend. In Form des Mischcarbids (Th, U)C2 wird Thoriumcarbid als Brennstoff in gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren eingesetzt. Die Darstellung des Carbidgemisches erfolgt durch Umsetzung der Thorium- und Uranoxide mit Kohlenstoff bei 1600 bis 2000°C.
Bei der auch als Weltvernichtungsmaschine titulierten „Cobalt-Thorium-G“-Bombe in Stanley Kubricks Film Dr. Seltsam oder: Wie ich lernte, die Bombe zu lieben handelt es sich in erster Linie um eine Kobaltbombe. Verwendet man im Bombendesign Thorium (möglicherweise anstelle von Uran in der Fissionsstufe oder im Mantel), so entsteht bei der Explosion u.a. radioaktives, giftiges und langlebiges Protactinium-231, was das Kontaminationspotential des Fallouts beträchtlich steigern würde. Die Halbwertszeit von Protactinium-231 beträgt allerdings 32760Jahre und weicht somit von der im Film genannten (93,7 bzw. 100Jahre) deutlich ab.
„Thorium-X“
Unter der Bezeichnung Thorium-X wurden vor allem in der 1.Hälfte des 20.Jahrhunderts verschiedene Lösungen gehandelt, die Thorium- und andere radioaktive Nuklide enthielten. In den USA kam z.B. eine Tinktur dieses Namens bis etwa 1960 in der Strahlentherapie von Hautkrankheiten zur Anwendung. In Deutschland gab es um 1930 Badezusätze und Ekzemsalben der Marke „Thorium-X“, die wegen der offenkundigen Gesundheitsgefahren allerdings kurz darauf aus dem Handel genommen wurden. Des Weiteren gab es eine Thorium-X-haltige Zahnpasta mit dem Namen Doramad. Ferner wurde in den 1960ern in der Universitätsklinik Münster (Hüfferstiftung) Thorium-X bei Morbus-Bechterew-Patienten gegen eine weitere Versteifung der Wirbelsäule eingesetzt. Der Patient erhielt während eines circa dreimonatigen stationären Aufenthaltes einmal pro Woche eine Thorium-X-Injektion. Die fortschreitende Versteifung wurde dadurch für ca. 15Jahre weitgehend gestoppt.
„Ionium“
Als Ionium wurde in der Kernphysik das Isotop 230-Th bezeichnet. In der Altersdatierung wird der Begriff Ionium-Methode immer noch für die 230-Th/232-Th-Datierung verwendet.
Sonstiges
Thorium-Äquivalente (equivalent thorium) werden in ppm eTh angegeben.
Literatur
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↑Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus webelements.com (Thorium) entnommen.
↑Die von der Radioaktivität ausgehenden Gefahren gehören nicht zu den einzustufenden Eigenschaften nach der GHS-Kennzeichnung. In Bezug auf weitere Gefahren wurde dieses Element entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
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![{\displaystyle {\mathrm {Th} (\mathrm {PO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}6\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {SO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}3\,\mathrm {Th} (\mathrm {SO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}4\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}\mathrm {PO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5c3cc0312640d24df3b8434d4e88f8f4256457ba)
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![{\displaystyle {\mathrm {ThO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}2\,\mathrm {Ca} {}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {Th} {}+{}2\,\mathrm {CaO} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/83e3fb4c4754c8b1e9bb7b410f84d02e1499bc58)
![{\displaystyle \mathrm {^{232}_{\ 90}Th\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 90}^{233}Th\ {\xrightarrow[{22,3\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 91}^{233}Pa\ {\xrightarrow[{26,967\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 92}^{233}U} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e69ba8c959dd5ab6f587b18437ec429f67229b02)
