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Unerwartet stabiler Kernbrennstoff in 40 Jahre alten Tschernobyl-Partikeln entdeckt
Sechs untersuchte radioaktive Brennstoffpartikel aus Tschernobyl sind chemisch stabiler als bisher angenommen und halten Spaltprodukte noch Jahrzehnte nach dem Reaktorunfall in ihrer Kristallstruktur fest. Eine Röntgenbeugungsanalyse von sechs Partikeln zeigt weitgehend erhaltene Uranoxid-Gitter trotz langer Umweltbelastung. Das könnte Risikoabschätzungen verbessern, erlaubt wegen der kleinen und sehr unterschiedlichen Stichprobe aber keine pauschalen Aussagen zur Sperrzone.
Hannover (Deutschland). Beim Reaktorunfall von Tschernobyl wurden 1986 winzige Fragmente des Kernbrennstoffs in die Umgebung geschleudert. Solche „hot particles“ sind nur etwa 8 bis 50 Mikrometer groß, können aber noch Jahrzehnte später stark radioaktiv sein. Entscheidend für ihre Umweltwirkung ist unter anderem, wie schnell ihre mineralische Struktur verwittert und eingeschlossene Radionuklide freisetzt.
Die Partikel sind dabei keineswegs einheitlich. Einige ähneln chemisch und strukturell noch dem ursprünglichen Urandioxid-Brennstoff. Andere sind mit Zirkoniumoxid vermischt oder verschmolzen, während stark oxidierte Uranphasen mechanisch instabiler sein können. Wie beständig die verschiedenen Formen unter realen Umweltbedingungen bleiben, war bislang nur unzureichend geklärt.
„Man unterscheidet drei Klassen dieser Partikel“, erklärt Tobias Weissenborn.
Forscher der Leibniz Universität Hannover (LUH) um Tobias Weissenborn haben nun sechs einzelne Brennstoffpartikel aus zwei Fundorten in der Tschernobyl-Sperrzone strukturell untersucht. Für die Analyse isolierte das Team die Partikel aus ukrainischen Bodenproben und befestigte sie an Wolframnadeln, bevor sie mehrfach abgeschirmt zur Rossendorf Beamline an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble gebracht wurden.
Dort kombinierten die Wissenschaftler hochauflösende Synchrotron-Röntgenbeugung mit einer Drehung der Proben um drei Achsen. Ein fokussierter Röntgenstrahl erfasste jeden Partikel aus rund 2.000 Winkelpositionen. So konnten die Forscher vollständige Beugungsmuster sammeln und bestimmen, welche kristallinen Uran- und Zirkoniumoxid-Phasen nach vier Jahrzehnten noch vorhanden waren.
„Schließlich haben wir die Partikel in einem auf 100 Mikrometer fokussierten Röntgenstrahl – der etwa so dick ist wie ein menschliches Haar – vollständig rotiert. Dabei haben wir 2.000 verschiedene Winkelpositionen gemessen, um alle Reflexe lückenlos zu erfassen.“ Das erklärt Dr. Christoph Hennig vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
Die Messungen wiesen in den einzelnen Partikeln unter anderem UO₂, U₃O₈ und U₄O₉ sowie mit Zirkonium vermischte Phasen nach. Besonders wichtig ist der Befund zu UO₂ und U₄O₉. Deren Kristallgerüste waren in mehreren untersuchten Partikeln weitgehend erhalten. Die Studie deutet deshalb darauf hin, dass solche Uranoxid-Matrizen Spaltprodukte und Aktiniden auch nach jahrzehntelanger Umweltbelastung weiter einschließen können.
Damit sind zumindest die untersuchten Brennstofffragmente strukturell stabiler, als bisher angenommen wurde. Das spricht dafür, dass diese Uranoxid-Matrizen Radionuklide länger zurückhalten und ihre Freisetzung verzögern können. Wie stark das für andere Partikel und Fundorte gilt, lässt sich aus sechs Proben jedoch nicht ableiten.
Die sechs Partikel reichen deshalb nicht aus, um die gesamte Tschernobyl-Sperrzone zu bewerten. Für belastbare Durchschnittswerte wären Proben von deutlich mehr Orten und weitere Einzelpartikel nötig. Gerade langlebige Ausreißer könnten Radionuklide zu anderen Zeitpunkten freisetzen als der Großteil der Partikel.