- Vierzig Jahre nach der Tschernobyl-Katastrophe bewahren radioaktive Fragmente noch immer die Kristallstruktur des ursprünglichen Kernbrennstoffs.
- Winzige Partikel werden in drei Kategorien eingeteilt, einige ähneln Uran(IV)-oxid.
- Untersuchungen zeigen, dass Brennstoffpartikel in heißen Partikeln mit Zirconiumoxid verschmolzen sind und hohe Stabilität aufweisen.
- Die Ergebnisse reichen nicht aus, um die Beschränkungen der Tschernobyl-Sperrzone aufzuheben; weitere Proben sind für eine Bewertung erforderlich.
Vierzig Jahre nach der Explosion im Kernkraftwerk Tschernobyl 1986 bewahren die damals verstreuten radioaktiven Fragmente noch immer die Kristallstruktur des ursprünglichen Kernbrennstoffs. Eine aktuelle Untersuchung von sechs winzigen Partikeln aus der Ukraine zeigt, dass die chemische Stabilität dieser Materialien die Erwartungen der Forschenden übertrifft. Wissenschaftler der Universität Hannover und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf untersuchten diese Fragmente mithilfe von Synchrotron-Röntgenbeugung in Grenoble, Frankreich. Die Ergebnisse helfen zu erklären, wie diese Rückstände radioaktive Stoffe binden, auch wenn die kleine Probenzahl keine Aussagen über den gesamten kontaminierten Bereich zulässt.
Merkmale und Klassifizierung der winzigen Partikel
Die winzigen Katastrophenrückstände, sogenannte „heiße Partikel“, haben einen Durchmesser von lediglich 8 bis 50 Mikrometern. Trotz ihrer geringen Größe sind diese Partikel vierzig Jahre nach dem Unfall 1986 weiterhin hochradioaktiv. Forschende unterteilen diese Partikel in drei Hauptkategorien. Einige Partikel ähneln chemisch und physikalisch Uran(IV)-oxid, dem Brennstoff des Reaktors. Andere sind teilweise oder vollständig von Zirconium umhüllt oder mit dem Metall verschmolzen, das den Brennstoff ursprünglich umgab. Diese Verbundpartikel entstanden, als der Brennstoff bei hohen Temperaturen schmolz und sich mit seiner schützenden Zirconiumschicht verband. Die dritte Partikelkategorie entstand während des Brandes des Graphitmoderators im Reaktor.
Der Moderator dient üblicherweise dazu, Neutronen zu verlangsamen, um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, doch während der Katastrophe brannte er zehn Tage lang. Der Brennstoff oxidierte zu Uranverbindungen, darunter Triuranoktoxid, ein mechanisch instabiles Material, das leicht winzige Partikel bildet, die vom Wind verweht werden können und eine Inhalationsgefahr darstellen.
Untersuchungen zeigen, dass die bei dem Unfall 1986 entstandenen heißen Partikel Brennstoffpartikel aufweisen, die teilweise mit Zirconiumoxid verschmolzen sind. Um die Gründe für die unterschiedlich schnelle Verwitterung dieser Fragmente zu verstehen, untersuchten Forschende ihre innere Struktur. Forschende in Hannover isolierten Partikel aus ukrainischen Bodenproben und befestigten diese an Wolframelektroden. Eine mehrschichtige Abschirmung gewährleistete den sicheren Transport der radioaktiven Proben. An der Rossendorfer Beamline rotierten der HZDR-Kristallograph Christoph Hennig und seine Kollegen die Partikel in einem fokussierten Röntgenstrahl. „Letztlich haben wir die Partikel in einem auf 100 Mikrometer fokussierten Röntgenstrahl vollständig rotiert, was etwa der Dicke eines menschlichen Haares entspricht.
Limitationen der Ergebnisse und künftige Forschungsrichtungen
„Wir vermessen jedes Partikel aus 2.000 verschiedenen Winkeln, um alle Reflexe nahtlos zu erfassen“, sagt Hennig. Die Messungen identifizierten verschiedene Oxidphasen in den Proben. Wichtig ist, dass die Kristallstruktur des Kernbrennstoffs in den untersuchten Partikeln im Wesentlichen intakt blieb. Diese Stabilität trägt dazu bei, Spaltprodukte im Partikelinneren zu halten und potenziell deren Freisetzung in umliegende Böden und Gewässer zu begrenzen.
Die Limitationen dieser Studie sind offenkundig: Forschende untersuchten lediglich sechs Partikel von zwei Standorten. „Jedoch ist die Struktur jedes Partikels anders, und unser Experiment untersuchte nur sechs Partikel von zwei verschiedenen Standorten“, warnt Tobias Wiesenborn, Physiker und Doktorand an der Universität Hannover. Um breitere Muster zu etablieren, seien mehr Partikel von weiteren Standorten nötig. Dennoch könnten Durchschnittsdaten das Verhalten jedes einzelnen Fragments nicht erfassen oder ein generelles Gesundheitsrisiko für die gesamte Region festlegen. Einige langlebigere Partikel können radioaktive Isotope länger zurückhalten und später freisetzen, was die Bewertung der zeitlichen Veränderung der Kontamination verkompliziert.
Daher können diese Ergebnisse nicht als Grundlage für eine Aufhebung der Beschränkungen der Tschernobyl-Sperrzone dienen. Wiesenborn und Hennig führen bereits Folgeexperimente zu den hochradioaktiven Transuran-Phasen in den Katastrophenrückständen durch.
Fortdauernde Auswirkungen nach der Tschernobyl-Katastrophe
Die Auswirkungen der Tschernobyl-Katastrophe halten an, winzige heiße Partikel weisen eine unerwartete chemische Stabilität auf, deren Folgen für Umwelt und menschliche Gesundheit weiterhin Aufmerksamkeit erfordern. Zwar hat die Forschung strukturelle Eigenschaften dieser Partikel offengelegt, doch die begrenzte Probenzahl macht die Ergebnisse nicht verallgemeinerbar und erlaubt keine umfassende Risikobewertung des gesamten kontaminierten Gebiets. Dies unterstreicht die Bedeutung weiterer Forschung, um das langfristige Verhalten dieser radioaktiven Stoffe und ihre potenzielle Bedrohung für Ökosysteme besser zu verstehen.