Plutonium in der Umwelt
Plutonium (Elementsymbol Pu) ist ein radioaktives Schwermetall, das aufgrund seiner radiologischen und chemotoxischen Eigenschaften für den menschlichen Organismus schon in geringen Mengen schädlich ist. In der Umwelt resultiert Plutonium sowohl aus natürlichen als auch aus künstlichen Quellen. Plutonium kommt in der Natur in Uranerzen in einer Aktivitätskonzentration von ca. 0,0004 Bq/kg (alle Angaben in Trockenmasse) vor. Dort entsteht aus Uran-238 durch den sogenannten Einfang eines Neutrons zunächst Uran-239, das aufgrund seiner kurzen Halbwertszeit über Neptunium-239 schließlich zu dem langlebigen Plutonium-239 zerfällt. Eine weitere natürliche Plutonium-Quelle bildet der Oklo-Krater in Zentralafrika, der auch als Naturreaktor bezeichnet wird. Vor etwa 2 Mrd. Jahren lief hier aufgrund der hohen Uran-235 Konzentration über einen Zeitraum von ca. 500.000 Jahren eine Kettenreaktion ab, wobei das Wasser im Kratersee als Moderator diente. In dieser Zeit wurden etwa 1 – 1,5 t Plutonium-239 gebildet, das allmählich zu Uran-235 zerfällt.

Der weitaus größte Teil des weltweit festgestellten Plutoniums wird aus verschiedenen künstlichen Quellen freigesetzt und mit dem globalen Fallout in der Umwelt verteilt. Die wesentliche Quelle ist der Fallout aus den atmosphärischen Kernwaffentests von Mitte der 1950 bis Anfang der 1960er Jahre. Daraus ergab sich für die nördliche Hemisphäre eine Aktivitätskonzentration im Boden (0 – 30 cm Tiefe) von ca. 7 ± 3 Bq/kg Pu-239/240 bzw. 0,17 ± 0,09 Bq/kg Pu-238 mit einem charakteristischen Aktivitätsverhältnis von Pu-238 zu Pu-239/240 von 0,025 [Quelle: T. Bisinger, Bestimmung von Plutonium-Isotopen in der Umwelt mittels Alphaspektrometrie und AMS, Diss. A, Universität Hannover, 2009].

Die zweite wesentliche künstliche Quelle für Plutoniuim-238 für die Nordhalbkugel ergibt sich aus dem Absturz des US-Navigationssatelliten SNAP-9A im Jahr 1964 mit etwa 0,09 ± 0,06 Bq/kg.

Aktuell liegt die Bodenkontamination in Deutschland zwischen 0,05 und 1,0 Bq/kg Pu-239/240 und unterhalb 0,015 Bq/kg Pu-238 [Quelle: SSK, Bewertung von Messungen der Radioaktivität in der Elbmarsch, 2003].

Abweichende Isotopenverhältnisse zeigen sich beispielsweise durch den Fallout des Reaktorunfalls von Tschernobyl, wo in der näheren Umgebung ein Isotopenverhältnis von ca. 0,46 (Pu-238 zu Pu-239/240) vorliegt [Quelle: D. Weiss et al., Collection and Analysis of Information and Data related to the Contamination of the Chernobyl Cooling Pond, GRS Berlin and Cologne, 2000].

Plutonium in den Reaktoren von Fukushima Daiichi
Zum Zeitpunkt 11. März 2011 wurde der Reaktor 3 in Fukushima Daiichi mit 32 Mischoxid-Brennelementen (MOX) und 516 Brennelementen aus niedrig angereichertem Urandioxid (UO2) betrieben, d. h. weniger als 6 % des Brennstoffs bestand aus MOX-Brennstoff [Quelle: ANS Special Committee on Nuclear Non-Proliferation, 25.03.2011]. Die für den Standort erstmalige Beladung mit MOX-Brennelementen geschah im Herbst 2010, so dass man von einer Abbrandzeit (Maß für die Betriebszeit des Kernes) von etwa 5 Monaten ausgehen kann.

Auch bei reinem UO2-Brennstoff ist ein gewisser Anteil an Plutonium vorhanden. Die Plutonium-Aktivität zum Zeitpunkt des Unfalls ist abhängig von der Art des Kernbrennstoffs und von der Höhe des Abbrandes. Für eine Abschätzung wird beim UO2-Brennstoff ein mittlerer bzw. ein erhöhter Abbrand und für MOX ein geringer Abbrand angenommen [Quelle: Neeb, The Radiochemistry of Nuclear Power Plants with Light Water Reactors, 1997]. Die folgende Tabelle gibt die spezifischen Aktivitäten der Plutonium-Isotope und die jeweiligen Verhältnisse der Aktivitäten von Pu-238 zu Pu-239+Pu-240 für die drei Fälle an.

Bewertung der Messwerte von Pu-238 und Pu-239/240 im Boden am Standort des KKW Fukushima
Nach Mitteilung des Ministry of Education, Culture, Sports, Science & Technology of Japan (MEXT) wurde an 5 Messpunkten im Umkreis bis 1 km Entfernung zu den Blöcken 1 und 2 des KKW Fukushima Daiichi am 21. bzw. 22.03.2011 Bodenproben entnommen und die Plutonium-Isotope Pu-238 und Pu-239/Pu-240 analysiert. Während Pu-238 nur an zwei Messpunkten in 0,5 km Entfernung (nördlich bzw. west-nordwestlich) von Block 1 mit einer Aktivität von 0,54 Bq/kg bzw. 0,18 Bq/kg nachgewiesen werden konnte, wurde Pu-239/240 an allen 5 Messpunkten mit spezifischen Aktivitäten zwischen 1,2 Bq/kg (0,5 km und 0,75 km süd-südwestlich von Block 1) und 2,7 Bq/kg (0,5 km west-nordwestlich von Block 1) ermittelt. Die in Böden auf dem Gelände des Kraftwerks Fukushima Daiichi gemessenen Pu-Konzentrationen sind somit niedrig und liegen nur wenig über dem Aktivitätsbereich, wie er aktuell in Böden der nördlichen Hemisphäre, also auch bei uns in Deutschland gemessen wird. Allerdings weicht das Aktivitätsverhältnis von Pu-238 zu Pu-239/240 an den beiden auswertbaren Proben mit im Mittel etwa 1,5 deutlich von dem sich aus dem Kernwaffenfallout ergebenden Aktivitätsverhältnis (0,025) ab. Nach den Angaben in der vorherigen Tabelle weisen die gemessenen Isotopenverhältnisse  eher auf eine Herkunft aus einem mit UO2-Brennstoff betriebenen Reaktor hin.

Eine radiologische oder chemotoxische Relevanz der gemessenen Plutoniumkonzentrationen in Böden des Anlagengeländes liegt selbst bei Annahme ähnlicher Konzentrationen in der Umgebung und bei landwirtschaftlicher Nutzung nicht vor. Ein Zusammenhang der Messergebnisse mit einer geringfügigen Freisetzung aus den beschädigten Reaktoren ist nicht auszuschließen. Ein Bezug zu dem mit MOX betriebenen Reaktor des Blocks 3 ist aber aufgrund des Isotopenverhältnisses eher unwahrscheinlich.