Thorium, wie andere schwere Actinoide, wird hauptsächlich während extremer astrophysikalischer Ereignisse gebildet, insbesondere beim r-Prozess (schneller Neutroneneinfangprozess), der bei der Verschmelzung von Neutronensternen oder bestimmten Supernovae auftritt. Im Sonnensystem ist es heute aufgrund seiner sehr langen Halbwertszeit vorhanden. Das Isotop \(\,^{232}\mathrm{Th}\) (Halbwertszeit von 14,05 Milliarden Jahren) dient als kosmische Uhr in der Geochemie und Astrophysik. Das Thorium/Uran-Verhältnis (Th/U) und das Thorium/andere schwere Elemente-Verhältnis ermöglichen die Datierung des Alters der Erdkruste, von Meteoriten und die Schätzung des Alters unserer Galaxie. Im Gegensatz zu kurzlebigen radioaktiven Elementen erzeugt Thorium-232 einen konstanten und langanhaltenden Wärmefluss in Gesteinsplaneten und trägt so zur Aufrechterhaltung der inneren geologischen Aktivität über geologische Zeitskalen bei.
Thorium wurde 1828 vom schwedischen Chemiker Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) entdeckt. Er isolierte es aus einer Probe eines schwarzgrauen Gesteins, das als Thorit (ein Thoriumsilikat) bekannt ist und ihm von einem norwegischen Pfarrer und Amateurmineralogen, Reverend Hans Morten Thrane Esmark, zugesandt worden war. Berzelius nannte das neue Element "Thorium" zu Ehren von Thor, dem Donnergott in der nordischen Mythologie. Fast ein Jahrhundert lang blieb Thorium hauptsächlich eine Laboratoriumskuriosität und fand begrenzte Anwendungen in den Glühstrümpfen von Gaslampen (Thorit). Die wahre Bedeutung von Thorium als fertiles Element im Kernbrennstoffkreislauf wurde erst mit der Entdeckung der Radioaktivität und der Kernspaltung erkannt. 1941 identifizierten Glenn T. Seaborg und seine Kollegen das erste spaltbare Isotop, das von Thorium abgeleitet wurde, Uran-233 (\(\,^{233}\mathrm{U}\)), und ebneten so den Weg für das Konzept des Thoriumkreislaufs.
N.B.:
Thorium war lange Zeit der "vergessene Stern" der Kernenergie. Während sich die Nuklearprogramme des 20. Jahrhunderts massiv auf Uran und Plutonium für militärische (Bomben) und zivile Zwecke konzentrierten, wurde Thorium, das als weniger geeignet für die Herstellung von spaltbarem Material für Waffen galt, weitgehend vernachlässigt. Erst mit dem Aufkommen von Bedenken hinsichtlich der Proliferation, langlebiger nuklearer Abfälle und der Erschöpfung der Uranreserven erlebte Thorium im 21. Jahrhundert ein weltweites Wiedererstarken des Interesses als potenzieller Brennstoff für sicherere und nachhaltigere Kernreaktoren.
Thorium (Symbol Th, Ordnungszahl 90) ist ein Actinoid, das zweite Element der Reihe nach Actinium. Es wird allgemein als fertiles Metall und nicht als spaltbares Metall betrachtet. Sein Haupt- und fast einziges natürliches Isotop ist \(\,^{232}\mathrm{Th}\), ein Alpha-Strahler mit sehr langer Halbwertszeit (14,05 Milliarden Jahre). Reines Thoriummetall ist silbergrau, weich, formbar und dehnbar. Bei Raumtemperatur weist es eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur auf. Es ist relativ stabil an der Luft und bildet eine dünne schützende Oxidschicht (ThO₂, Thoria), die viel stabiler ist als die von Uran. Seine Dichte beträgt 11,7 g/cm³. Es ist ein guter elektrischer Leiter.
Schmelzpunkt: 2023 K (1750 °C).
Siedepunkt: 5061 K (4788 °C).
Thorium ist etwa drei- bis viermal häufiger in der Erdkruste vorhanden als Uran.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Hauptzerfallsmodus / Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Thorium-232 — \(\,^{232}\mathrm{Th}\,\) | 90 | 142 | 232,038055 u | ~100 % | 14,05 Milliarden Jahre | α (100%). Primordiales fertiles Isotop. Fängt ein Neutron ein, um die Kette zu starten, die zum spaltbaren Uran-233 führt. Quelle geologischer Wärme. |
| Thorium-228 — \(\,^{228}\mathrm{Th}\) | 90 | 138 | 228,028741 u | Spur (Zerfallsprodukt) | 1,913 Jahr | α (100%). Tochter von Radium-228 in der Thorium-232-Zerfallskette. Wird als Tracer in der Ozeanographie und Geochemie verwendet. |
| Thorium-230 — \(\,^{230}\mathrm{Th}\) | 90 | 140 | 230,033134 u | Nicht natürlich (Zerfallsprodukt) | 75.380 Jahre | α (100%). Auch Ionium genannt. Tochter von Uran-238. Wichtiges Werkzeug zur Datierung (Uran-Reihen) für Karbonate, Korallen und marine Sedimente. |
| Thorium-229 — \(\,^{229}\mathrm{Th}\) | 90 | 139 | 229,031762 u | Nicht natürlich (synthetisch) | 7.917 Jahre | α (100%). Bekannt für seinen nuklearen isomeren Zustand mit der niedrigsten jemals gemessenen Energie (~8 eV), der den Weg zu einer nuklearen Uhr von sehr hoher Präzision ebnet. |
N.B.:
Die Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Thorium hat 90 Elektronen. Seine grundlegende Elektronenkonfiguration ist [Rn] 6d2 7s2. Im Gegensatz zu Uran und den folgenden Actinoiden hat es keine 5f-Elektronen in seinem Grundzustand. Diese Konfiguration macht es chemisch dem Hafnium (Gruppe 4) und in geringerem Maße dem Cer ähnlich. Es zeigt hauptsächlich den Oxidationszustand +4 (Th4+), der extrem stabil ist. Das Th4+-Ion ist relativ groß und hochgeladen, was es zu einer starken Lewis-Säure macht und es ihm ermöglicht, stabile Komplexe mit einer großen Vielzahl von Liganden (Carbonate, Phosphate, organische Verbindungen) zu bilden. Thorium zeigt praktisch keinen Oxidationszustand +3 in wässriger Lösung, im Gegensatz zu den meisten anderen leichten Actinoiden.
Thoriummetall ist ziemlich reaktiv. Es oxidiert langsam an der Luft und verbrennt zu Thoria (ThO₂), einer extrem feuerfesten weißen Keramik (Schmelzpunkt ~3390 °C). Es reagiert mit Halogenen, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Schwefel bei hohen Temperaturen. In Lösung ist Th4+ das einzige stabile Ion. Es hydrolysiert leicht und fällt bei neutralem oder basischem pH-Wert als Th(OH)₄-Hydroxid aus. Thoriumoxid ThO₂ und -nitrat Th(NO₃)₄ sind seine industriell wichtigsten Verbindungen. Das Nitrat ist sehr gut in Wasser und organischen Lösungsmitteln löslich, was für die Extraktion und Wiederaufbereitung von Thoriumbrennstoff entscheidend ist.
Thorium ist ein relativ häufiges Element in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen geschätzten Konzentration von etwa 9,6 ppm, das ist drei- bis viermal so viel wie Uran. Es kommt nicht in metallischer Form vor. Sein Haupterz ist Monazit, ein Seltenerdphosphat, das typischerweise 3% bis 12% Thoriumoxid (ThO₂) enthält. Andere Mineralien sind Thorit und Thorianit. Die wichtigsten Reserven befinden sich in Indien (das über die größten weltweiten Reserven verfügt), Brasilien, Australien, den USA und Norwegen. Die Thoriumgewinnung ist in der Regel ein Nebenprodukt des Abbaus von Seltenen Erden oder Titan. Derzeit gibt es keinen bedeutenden weltweiten Markt für Thorium als Kernbrennstoff, daher ist seine Produktion begrenzt und mit der Nachfrage nach seinen anderen Anwendungen (feuerfeste Materialien, Legierungen) verbunden. Sein Preis wird hauptsächlich durch die Kosten für die Trennung und Reinigung aus den Seltenen Erden bestimmt.
Natürliches Thorium (fast ausschließlich Th-232) ist ein Radioelement mit niedriger spezifischer Aktivität aufgrund seiner sehr langen Halbwertszeit. Seine externe Strahlung (hauptsächlich Alpha-Teilchen und schwache Gammastrahlung seiner Nachkommen) wird leicht von einem Blatt Papier oder der toten Hautschicht gestoppt. Das Hauptrisiko ist intern: Wenn es als Staub oder Aerosol eingeatmet oder verschluckt wird, kann sich Thorium in der Lunge, den Knochen und Organen ablagern, wo es jahrzehntelang verbleibt und die umliegenden Gewebe bestrahlt. Es ist ein anerkannter chemischer und radiologischer Karzinogen. Die Handhabung von Thoriumpulver oder frisch getrenntem Thorium (das nur wenige seiner kurzlebigen Nachkommen enthält) erfordert Standardvorkehrungen für die Pulverchemie (Abzug). Die Langzeitlagerung großer Mengen erfordert eine kontrollierte Belüftung, um die Ansammlung von Radon-220 (Thoron), einem sehr kurzlebigen radioaktiven Gas (55,6 s) in der Thorium-Zerfallskette, zu vermeiden.
Das Atom in all seinen Formen: Von der antiken Intuition zur Quantenmechanik 
