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Forscher erproben neue Untersuchungsmethode fr Abflle aus der Stilllegung von Kernkraftwerken

Wenn ein Kernkraftwerk zurckgebaut wird, fallen einige Hunderttausend Tonnen an Bauschutt an. Nur einige Prozent dieser Abflle mssen als radioaktiver Abfall entsorgt werden. Forscher der Gesellschaft fr Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) und der Universitt zu Kln arbeiten derzeit daran, eine neue Messmethode fr die Untersuchung von Abfllen aus der Stilllegung von Kernkraftwerken zu etablieren, mit der Art und Menge der radioaktiven Stoffe in den Abfllen noch genauer und zuverlssiger bestimmt werden knnen.

Gesucht: schwer messbare Radionuklide

Wenn ein Kernkraftwerk stillgelegt und zurckgebaut wird, stellt der Umgang mit der verbleibenden Radioaktivitt eine der grten Herausforderungen dar. Der Betrieb der Anlage fhrt dazu, dass bestimmte Komponenten und bauliche Strukturen mit radioaktiven Stoffen, auch als Radionuklide bezeichnet, belastet sind. Neben der Kontamination von Oberflchen spielt dabei ein als Aktivierung bezeichneter Prozess eine wichtige Rolle. Dabei werden ursprnglich nicht radioaktive Stoffe im Inneren von Bauteilen durch die whrend des Betriebs herrschende Neutronenstrahlung in Radionuklide umgewandelt. Dieser Prozess fhrt beispielsweise dazu, dass im Biologischen Schild, einer rund ein bis zwei Metern dicken Betonstruktur, die den Reaktordruckbehlter umgibt, Radionuklide wie das Kalzium-41 entstehen. Ein Teil des Betons muss deshalb nach der Stilllegung als radioaktiver Abfall entsorgt werden.

Mglichst genau zu wissen, welche Radionuklide in welcher Menge in Anlagenteilen vorhanden sind, ist fr viele Aspekte der Stilllegung wichtig etwa fr die Planung des Strahlenschutzes oder die Wahl geeigneter Methoden fr die Dekontamination von Komponenten. Entscheidend ist dieses radioaktive Inventar auch dafr, welche Materialien aus dem Rckbau wiederverwendet bzw. als konventioneller Abfall entsorgt werden knnen und welche als radioaktiver Abfall einzuordnen sind. Fr die Bestimmung des radioaktiven Inventars spielen Messungen eine wesentliche Rolle.

Die Messung oberflchlicher Kontaminationen stellt dabei meist kein Problem dar. Schwieriger gestaltet sich dagegen die Messung der Radionuklide innerhalb aktivierter Strukturen. Vor Ort knnen von diesen Radionukliden nur diejenigen gemessen werden, die Gammastrahlung aussenden. Fr die Bestimmung der brigen wird in diesen Fllen auf sogenannte Leitnuklide und Nuklidvektoren zurckgegriffen. Dahinter steht die Erkenntnis, dass in bestimmten Anwendungsfllen etwa in der Wand des Biologischen Schilds Gammastrahler und andere, schwerer messbare Radionuklide in einem bestimmten Mengenverhltnis auftreten. Aus der Menge des leicht messbaren Leitnuklids lsst sich so die Menge der brigen Radionuklide bestimmen. Diese Methode stt allerdings unter bestimmten Umstnden an Grenzen. Hat das Leitnuklid eine kurze Halbwertszeit und zerfllt deshalb schneller als die brigen Nuklide des Vektors, kann bereits nach einigen Jahren die verbleibende Menge des Leitnuklids zu gering sein, um gemessen zu werden. Ein hnliches Problem stellt sich, wenn als Leitnuklid nur ein Element in Frage kommt, das von vornherein nur in sehr geringen Spuren vorhanden ist.

Eins zu 10 Billiarden

Forscher der Gesellschaft fr Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) haben sich deshalb zum Ziel gesetzt, das radioaktive Inventar von aktiviertem Beton mit einer der genauesten Methode zu untersuchen, die derzeit zur Bestimmung kleinster Stoffmengen zur Verfgung steht. In einem Forschungsprojekt, das mit Mitteln des Bundesumweltministeriums gefrdert wird, nutzen die Fachleute dazu gemeinsam mit Wissenschaftlern der Abteilung Nuklearchemie und des Instituts fr Kernphysik der Universitt zu Kln die sogenannte Beschleuniger-Massenspektrometrie kurz AMS (accelerator mass spectrometry). Dabei wird die Substanz einer Messprobe zunchst in einen Ionenstrahl umgewandelt. Aus diesem Strahl werden dann in einem ersten Massenspektrometer die Ionen abgetrennt, die dieselbe Masse aufweisen wie das gesuchte Radionuklid. Bei den danach verbleibenden Ionen kann es sich aber sowohl um einzelne Atome als auch um ionisierte Molekle mit derselben Masse handeln. An dieser Stelle kommt der Beschleuniger ins Spiel: Er sorgt dafr, dass alle Moleklverbindungen zerstrt werden, so dass nur noch ein Strahl aus einzelnen ionisierten Atomen brig bleibt. Dieser Strahl wird dann in einem zweiten Massenspektrometer erneut anhand der Masse gefiltert, so dass am Ende nur die gesuchten Nuklide in einem Detektor gezhlt werden.

Mit dieser Methode lsst sich uerst przise messen. Konkret bedeutet das: Mit der AMS liee sich ein einzelnes Radionuklid in einer Menge von bis zu 10 Billiarden anderen, nicht radioaktiven Nukliden aufspren. Auf die Idee, diese Messmethode fr die Untersuchung von Abfllen aus der Stilllegung von Kernkraftwerken zu nutzen, hat die Forscher die Geschichte der Eismumie tzi gebracht: Bei tzi wurde mit einem Beschleuniger-Massenspektrometer gemessen, wieviel Kohlenstoff-14 in seinen berresten zu finden ist. Frher hat man fr solche Messungen noch Verfahren wie die Flssigszintillation genutzt, die bislang auch noch in der Kerntechnik angewendet wird. Inzwischen ist die AMS bei der Altersbestimmung oder der Spurenanalyse in der Klimaforschung das Mittel der Wahl - das Verfahren ist einfach deutlich prziser und weniger aufwendig als die brigen. Deshalb lag es fr uns nahe, das auch auf unsere Fragestellungen anzuwenden, erklrt der Physiker Matthias Dewald, der das Projekt bei der GRS leitet.

Forschungsreaktor als Zeitraffer

Aktuell werten die Forscher in einer der zwei AMS-Anlagen der Universitt Kln Beton-Proben aus, die zuvor im Forschungsreaktor TRIGA in Mainz bestrahlt wurden. Dort knnen wir innerhalb von Sekunden bis zu einigen Minuten zu einer Aktivierung der Proben kommen, wie sie in einem Kernkraftwerk erst nach vielen Jahren Betriebszeit erreicht ist. Der TRIGA ist fr uns so etwas wie ein Zeitraffer, so Dewald. Um in den Proben verschiedene Konzentrationen der gesuchten Radionuklide zu erzeugen, wurde die Dauer der Bestrahlung variiert. Als konkrete Zielmarke haben sich die Wissenschaftler eine Konzentration des Radionuklids Kalzium-41 in der Grenordnung zwischen Eins zu 10 Milliarden und Eins zu einer Billion gesetzt. Dies entspricht ungefhr der Konzentration, die nach der Stilllegung eines Kernkraftwerks im Biologischen Schild zu finden ist.

Zustzlich zu den AMS-Messungen werden einige der Proben auch mithilfe der Gammaspektroskopie ausgewertet. Diese Methode macht sich den Umstand zunutze, dass jedes Radionuklid, das Gammastrahlen emittiert, dies in einem ganz spezifischen Energiebereich tut. In dem Projekt knnen die Wissenschaftler anhand dieses energetischen Fingerabdrucks ermitteln, welche Gammastrahler sich in welchen Mengenverhltnissen in den Proben befinden. Zusammen mit den Ergebnissen aus der AMS wird es damit mglich zu prfen, wie realittsnah die bislang verwendeten Nuklidvektoren sind. Daneben lsst sich auch klren ob andere, sehr langlebige Radionuklide wie das Kalzium-41 als Leitnuklide in Frage kommen.

Erste neue Erkenntnisse

Die ersten Analyseergebnisse besttigen nach Einschtzung von Matthias Dewald den Ansatz, auf das fr die Kerntechnik neue Verfahren zu setzen: Wir konnten bereits erste Unterschiede zwischen den von uns gemessenen Radionuklid-Zusammensetzungen und Nuklidvektoren feststellen, die uns aus der Literatur bekannt sind. Wie relevant diese Unterschiede sind und ob das Konsequenzen fr die Freimessung von Stilllegungs-Abfllen hat, lsst sich aber heute noch nicht sagen da liegt noch Arbeit vor uns. In der nchsten Projektphase sollen Proben aus den Biologischen Schilden zweier stillgelegter Reaktoren untersucht werden, um die Ergebnisse aus den vorangegangenen Untersuchungen weiter abzusichern. Bis Ende 2019 soll das Projekt abgeschlossen sein. Ein ausfhrlicher Bericht soll Anfang 2020 verffentlicht werden.

Auf lngere Sicht streben Dewald und seine Kollegen einen Materialwechsel an: Nach dem Beton soll mittels AMS aktiviertes Graphit untersucht werden, das in Reaktoren verbaut wurde. Das findet sich nicht nur in Reaktoren der Tschernobyl-Baulinie RBMK, sondern wurde auch in Deutschland im Hochtemperaturreaktor THTR-300 in Hamm und in mehreren Forschungsreaktoren verwendet.

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