Plutonium – de gevaarlijkste stof?

De gevaarlijkste stof die de mens kent?

Als je mensen vertelt dat het met de gevaren van ioniserende (radioactieve) straling nogal meevalt dan zeggen ze steevast: ja okee, zolang je  maar geen radioactief materiaal inslikt of inademt want dat is levensgevaarlijk! Plutonium bijvoorbeeld! Dat is de allergevaarlijkste stof die de mens kent! Dat zei in 1977 de Amerikaanse nieuwslezer Walter Cronkite en vele mensen zeiden en zeggen het hem na tot op de dag van vandaag..

Jack Devanney was jarenlang hoogleraar scheepsarchitectuur aan het MIT in Massachusetts, werkte daarna in de ZuidKoreaanse scheepsbouw en richtte vervolgens Thorcon op, een bedrijf om ‘gesmolten zout reactoren’ te bouwen. Die technologie was onlangs in het nieuws vanwege een succesvol experiment in China. In Indonesië is inmiddels een plan voor de bouw van zo’n centrale door Devanneys’ Thorcon goedgekeurd.Devanney is zeer enthousiast over kernenergie, maar de invoering tot nu toe noemt hij een mislukking. Alle nieuwe technologieën beginnen duur en onhandig maar worden gaandeweg zowel beter als goedkoper. Kernenergie is juist duurder geworden en veel moeilijker te implementeren. De oorzaken van die mislukking noemt Devanney een Gordiaanse Knoop die hij graag door wil hakken. Hij schreef een boek over hoe we weer terug kunnen naar elektriciteit voor 3 cent per kiloWattuur!: ‘How can we make nuclear cheap again’. Daarover heb ik een stuk in voorbereiding maar eerder schreef hij al een boek over gezegde Gordiaanse Knoop: ‘Why Nuclear Energy Is A Flop’. Uit dat boek vertaal ik hier het hoofdstuk over Plutonium, Het hele boek kunt, moet u hier downloaden. Nu Devanney.

Plutonium is de gevaarlijkste stof die de mens kent.[Walter Cronkite, 1977] 

Veel van wat ons is verteld over kernenergie is onjuist. Zo’n gewaagde uitspraak lokt scepsis uit dus ik sta voor de formidabele taak om die te overwinnen. Laten we dus beginnen met een gemakkelijke: Iedereen weet dat plutonium een verschrikkelijk gevaarlijk materiaal is. Maar als dit onjuist is, wat dan nog meer? 

Plutonium is de gevaarlijkste stof die de mens kent. We weten dit omdat nieuwslezer Walter Cronkite ons dat vertelde in 1977. Hij was destijds een van de meest vertrouwde stemmen in de Verenigde Staten. 

Een andere beroemdheid, consumentenactivist Ralph Nader had een paar jaar daarvoor al uitgeweid over de gevaren van plutonium. Volgens hem zou een pound (450 gr) plutonium 8 miljard mensen kunnen doden. Hij herhaalde die bewering vele malen en vele anderen met hem, alhoewel hij soms appels en sinaasappels door elkaar haalde

• Een stuk plutonium ter grootte van een sinaasappel zou voldoende zijn om de bevolking van de Britse eilanden te doden (plm 70 miljoen mensen). 
• Met een stuk plutonium zo groot als een appel zou je de hele mensheid kunnen doden.

Het publiek accepteert deze beweringen, extra bang gemaakt door de gelauwerde BBC-serie als Edge of Darkness (1985), waarin het hoofdpersonage Jedburgh sterft aan stralingsziekte na aanraking van plutonium. Het nucleaire establishment deed geen poging om deze beweringen te weerleggen.  Maar…. In 1956, bij de opening van de plutoniumfabriek Calder Hall in het Verenigd Koninkrijk, werd de jonge koningin Elizabeth (30) uitgenodigd om een klomp plutonium vast te houden en de warmte van het materiaal te voelen, wat ze deed. De afscherming was een plastic zak en ik neem aan de koninklijke handschoenen. De koningin werd 96. 

Het volgende verhaal behoeft enige achtergrond. Als er voldoende hoogverrijkt plutonium – de ‘kritische massa’ genaamd – in één stuk wordt samengebracht ontstaat een kortstondige kettingreactie, een blauwe flits van neutronen en fotonen, die fataal kan zijn als je er dicht genoeg bij bent. Dit is hetzelfde als wat in een kernreactor gebeurt, kernsplijting maar dan ongecontroleerd. 

Dit gebeurde twee keer tijdens het Manhattan Project, het Amerikaanse ontwikkelingsprogramma voor de atoombom. In beide gevallen stierven de monteurs, Harry Daghlian en Louis Slotin, binnen een paar weken aan acute stralingsziekte. Daghlian ontving 5900 mSv in een seconde of twee. Hij stierf 25 dagen later. Slotin werd getroffen door 21.000 mSv en stierf binnen 9 dagen. De overige mensen die in de zelfde ruimte waren hadden weinig last. 

Galen Winsor werkte 15 jaar in de Amerikaanse plutoniumfabriek in Hanford, Washington. De medewerkers daar droegen regelmatig brokken hoogverrijkt plutonium in hun jaszakken. In een video (1985) vertelt Winsor dat: 

 door de jaren heen zijn we behoorlijk goed geworden in het zien wat een kritische massa was. Ik werkte in een fabriek waar ik een halve kritische massa in deze blote hand had en de andere helft in de andere hand. Ik stopte een helft in een zak van mijn laboratoriumjas aan deze kant en de andere in de andere zak en liep zo door de gang. Als die twee stukken ooit bij elkaar zouden komen, zou er een blauwe flits zijn, maar ze kwamen nooit bij elkaar omdat ik tussen ze in zat. En dat deden we elke dag. De stukken plutonium werden zorgvuldig in aparte vogelkooien bewaard zodat ze niet per ongeluk bij elkaar zouden komen. 

Winsor stierf op zijn 82^e.

Een ander voorbeeld  was Eric Voice, waarschijnlijk de man die de koningin het plutonium overhandigde. Dr. Voice bood aan om geïnjecteerd te worden met een kleine dosis plutonium en eveneens plutonium in te ademen om het gedrag ervan bij mensen te traceren. Hij stierf een natuurlijke dood op 80-jarige leeftijd. 

Stralingskundige Philip Morrison vervoerde stukken plutonium de 210 mijl van Los Alamos naar Alamogordo in een gewone legerauto. Morrison werd 89 jaar. 

Hoe kunnen we Cronkite en Nader verzoenen met Winsor en Morrison? Het antwoord is simpel. Plutonium zendt alfadeeltjes uit en die hebben bijna geen doordringend vermogen. Ze worden tegengehouden door een stuk papier of een paar centimeter lucht of een koninklijke handschoen. 

Les 1: om plutonium gevaarlijk te maken, moet het worden ingeslikt of ingeademd. 

De managers van het Manhattan project deed een aantal experimenten om te ontdekken hoe gevaarlijk plutonium is. Hun probleem was dat het menselijk lichaam veel moeite heeft met het absorberen van plutonium. Plutonium reageert snel met lucht en vormt dan oxiden, een soort onoplosbaar keramiek waar het lichaam niks mee kan. Bijna niets ervan kan celmembranen binnendringen. 99,99% van het ingenomen plutonium wordt binnen een dag of twee uitgescheiden. De onderzoekers wilden dat omzeilen en deden dat op een verwerpelijke manier.

In 1950 werden achttien mensen in de leeftijd van 4 tot 69 jaar zonder hun medeweten met plutonium geïnjecteerd. Bij al deze mensen was een terminale ziekte vastgesteld. Acht van de 18 stierven binnen 2 jaar na de injectie, allemaal aan hun reeds bestaande ziekte of hartfalen. Niemand stierf aan het plutonium. Een van de onvrijwillige proefpersonen was Albert Stevens, een 58-jarige huisschilder. Stevens had een verkeerde diagnose gekregen. Zijn terminale maagkanker bleek een operabele maagzweer te zijn. Hij stierf op 79-jarige leeftijd aan hartfalen, zonder te weten dat hij was geïnjecteerd. 

De onderzoekers hadden er alles aan om de schade te maximaliseren. Stevens en de anderen werden rechtstreeks in de bloedbaan geïnjecteerd met het zeer oplosbare plutoniumnitraat. 

Voor radioactief materiaal dat wordt ingeslikt of ingeademd, zijn er twee factoren nog belangrijker dan de fysieke radioactieve halfwaardetijd 

• De opname: de fractie van het ingeslikte/ingeademde materiaal dat in het lichaam wordt opgenomen en naar de verschillende organen wordt gedistribueerd. 
• De biologische halfwaardetijd: Hoe lang blijft het geabsorbeerde materiaal in die organen voordat het lichaam het elimineert. 

Plutoniumoxide heeft een zeer lage opname (0,001) en eenmaal geabsorbeerd heeft het een biologische halfwaardetijd van ongeveer 200 jaar. Door oplosbaar plutoniumnitraat rechtstreeks in de bloedbaan van Stevens te schieten, garandeerden de onderzoekers dat Stevens bijna al dat plutonium naar zijn graf zou dragen. Er zijn veel isotopen waarvan de biologische halfwaardetijd veel korter is dan de radioactieve halfwaardetijd. Het langzaam vervallende splijtingsproduct, technetium-99, heeft bijvoorbeeld een radioactieve halfwaardetijd van 211.000 jaar. De biologische halfwaardetijd bij mensen is ongeveer een dag. 

Het andere probleem waarmee de onderzoekers werden geconfronteerd, is dat plutonium-239, de belangrijkste bomisotoop, een halfwaardetijd heeft van 24.000 jaar. Het bereiken van de gewenste dosis zou daardoor veel te lang duren en de oplossing was plutonium-238, dat heeft een halfwaardetijd van 88 jaar. Het zendt alfadeeltjes 300 keer sneller uit als plutonium-239. Plutonium-238 is een isotoop dat in uiterst kleine hoeveelheid in kernafval zit en werd speciaal voor dit onderzoek in een kernreactie gemaakt.

Professor Bernie Cohen, een wereldberoemde expert op het gebied van stralingsgezondheid, bood publiekelijk aan evenveel plutoniumoxide te eten als consumentenactivist Ralph Nader cafeïne zou eten. Nader nam de uitdaging niet aan. 

In de periode van 21 jaar tussen de injectie en zijn dood ontving het lichaam van Stevens een cumulatieve dosis van 64.000 mSv. Volgens de centrale hypothese die ons nucleaire regelgevingsbeleid stuurt, bekend als Linear No Threshold (LNT), had hij 10 keer dood moeten zijn. We weten dat hij binnen een week of twee zou zijn overleden als hij een tiende van die dosis had gekregen in een periode van een paar uur of minder. In dit geval  absorbeerde en repareerde zijn lichaam 8 mSv/dag gedurende 21 jaar.

De meeste tegenstanders van kernenergie geloven dat vooral het duizenden jaren stralende materiaal gevaarlijk is  maar in feite zijn het de zeer kortlevende stoffen die doden, omdat ze snel genoeg zeer doordringende energie afgeven om de herstelmechanismen van het lichaam te overweldigen. Dit zijn de deeltjes die Harry Daghlian en Louis Slotin doodden. Zoals we zullen zien, is het dosistempo, niet de totale dosis de bepalende factor. Plutonium is bovendien niet alleen een alfastraler, het geeft zijn deeltjes langzaam af, veel langzamer dan het radon dat in zowat elke kelder in de VS wordt aangetroffen. 

Lessen, deel 2

Les 2: als plutonium op de een of andere manier in onze bloedbaan terecht is gekomen, komt de straling geleidelijk vrij, zo geleidelijk dat de herstelprocessen van het lichaam meestal in staat zijn om de schade te repareren. 

Dan blijft de inademingsroute over. Stel

1. dat je een heel fijn plutoniumstof maakt, 

2. dat je op de een of andere manier precies de juiste hoeveelheid van deze mist op de juiste plaats in longen aflevert, 

3. en dat je er van uit gaat dat de LNT-hypothese correct is, met andere woorden dat de snelheid waarmee de dosis wordt toegediend (het dosistempo) niet relevant is, 

dan nog zijn de sombere inschattingen van Ralph Nader 4000 maal te hoog.  

En jazeker, dat is uitgeprobeerd!

Tijdens de bovengrondse kernproeven in de jaren 1950 tot 1963 kwam ongeveer 4000 kg plutonium vrij in de atmosfeer, 10.000 keer de hoeveelheid waarvan Nader zei dat deze ons allemaal zou doden. Gelukkig is de overdracht van plutonium naar de ingewanden van de mensen zeer inefficiënt. De beste gok met behulp van modellen van de International Commission on Radiological Protection (ICRP) is dat ongeveer 0,25 gram van die 4000 kg  atmosferische plutonium in het menselijk lichaam terechtkwam. De cumulatieve dosis tot en met 1974 per persoon wordt geschat op 0,16 mSv voor de longen, 0,09 mSv voor het bot en 0,05 mSv voor de lever. [21] Deze cijfers zijn 100 tot 200 keer kleiner dan de levenslange alfadosis voor deze organen uit natuurlijke bronnen. Er zijn allerlei stoffen die veel zekerder zullen doden dan plutonium, denk aan relatief veel voorkomende industriële chemicaliën zoals chloor, fosgeen en ammoniak. 

De UPPU Club, les 3

Het Manhattan-project deed ook een aantal veel minder schandalige plutoniumexperimenten. De belangrijkste was de UPPU Club. Dit was een groep van 26 medewerkers die het hoogste niveau van plutonium in hun urine hadden van alle mensen in het Manhattan-project. Ze hadden gewerkt met plutonium in een aantal chemische vormen, vaak zonder enige bescherming. Deze mannen werden periodiek onderzocht over de periode van 50 jaar tussen 1944 en 1994. Hun cumulatieve doses varieerden van 100 tot 7200 mSv met een mediane waarde van 1250 mSv. Eind 1994 waren zeven van de groep overleden, vergeleken met een verwachte 16 sterfgevallen op basis van de sterftecijfers van Amerikaanse blanke mannen. Het sterftecijfer van de UPPU-groep was ook lager dan dat van 876 niet-blootgestelde Los Alamos-werknemers uit dezelfde periode, De 19 levende personen hadden ziekten en fysieke veranderingen die gebruikelijk zijn voor een mannelijke bevolking met een mediane leeftijd van 72 jaar (bereik = 69 tot 86 jaar). Bij acht van de zesentwintig werknemers was vastgesteld dat ze een of meer vormen van kanker hadden, wat binnen het verwachte bereik ligt. De doodsoorzaak bij drie van de zeven doden was kanker. Als de LNT zou kloppen, zou de UPPU Club een kankerpercentage hebben dat 30% hoger is dan hun niet-blootgestelde leeftijdsgenoten. 

Les 3. Adem niet veel plutoniumstof in. Voor zowat ieder van ons is dit een gebod dat onmogelijk te overtreden is. Plutonium moet met zorg worden behandeld. Vermijd een kritische massa vermijden. Plutonium is brandgevaarlijk. Als u plutonium bewerkt of vermaalt voor bijvoorbeeld het opwerken van gebruikte splijtstof voor reactoren moet u het stof niet inademen. Maar omdat het een langzaam vervallende alfastraler is met een zeer geringeopname door het lichaam, is het een van de gemakkelijker hanteerbare giftige stoffen die de mens kent. Onze angst voor plutonium is volstrekt overdreven. 

Plutonium aangedreven pacemakers 

Rond 1960 begonnen cardiologen pacemakers te implanteren. De beste batterijen van die tijd, kwikcel, gingen ongeveer een jaar mee, waarna ze vervangen moesten worden in een dure operatie. De oplossing was om de pacemakers van stroom te voorzien met ongeveer 150 milligram plutonium-238. Deze pacemakers kunnen een leven lang meegaan, eigenlijk meerdere levens. De deal was dat de ontvanger ermee moest instemmen dat de pacemaker als hij sterft zou worden verwijderd ten behoeve van hergebruik in andere mensen. Ongeveer 1500 patiënten ontvingen deze apparaten, tussen het begin van de jaren 1970 en het midden van de jaren 1980. Elk van deze pacemakers stootte ongeveer een biljoen radioactieve deeltjes per seconde (1 TBq) uit. Dat is ongeveer het dubbele van de emissiesnelheid van al het radioactieve jodium dat vrijkwam op Three Mile Island. Maar in die tijd begrepen mensen het verschil tussen alfadeeltjes en fotonen. Aangezien plutonium-238 een alfastraler is, waren bijna alle emissies van pacemakers alfadeeltjes. Deze alfa’s hadden geen kans om door de behuizing van de pacemaker te komen. Er zijn een paar fotonstralers diep in de vervalketen van plutonium-238, verantwoordelijk voor 0,03% van de energie van de pacemaker. Dit leverde een jaarlijkse dosis op van ongeveer 5 mSv voor de patiënt en 0,075 mSv voor een echtgenoot. Deze dosistempo’s op achtergrondniveau werden als onbelangrijk beschouwd, terecht, zoals we zullen zien in hoofdstuk 5, 

In de jaren 1980 kwamen lithium-ionbatterijen op de markt die een levensduur van 10 jaar mogelijk maakten. Betere elektronica maakte meer geavanceerde vormen van hartstimulatie mogelijk. Artsen vonden het zinvol om de apparaten ongeveer elke tien jaar te vervangen om te profiteren van verdere verbeteringen. Het is mogelijk dat de inkomsten uit de aanvullende operaties niet als negatief werden beschouwd. Wat de reden ook was, door plutonium aangedreven pacemakers raakten in onbruik, net als het begrip van het onderscheid tussen alfa en foton. In 2020 ging het Hannemann Universitair Ziekenhuis in Philadelphia failliet. De curatoren ontdekten dat het ziekenhuis een van de apparaten uit het oog was verloren. De Nuclear Regulatory Commission dwong de vereffenaars om over een periode van zes maanden $ 15.000 uit te geven in een poging om 0,15 gram niet-splijtbaar materiaal op te sporen dat was ingekapseld in een titanium behuizing die was ontworpen om tientallen jaren in een menselijk lichaam te worden geïmplanteerd