Kernphysik 11.03.2020, 07:00 Uhr

Atomarer Fingerabdruck identifiziert Emissionsquellen von Uran

In der Umwelt finden Chemiker hin und wieder Uran-Verunreinigungen. Doch wo kommt das Schwermetall her – aus Atomwaffentests oder aus Kernkraftwerken? Das verrät eine neue Untersuchungsmethode auf Basis des Isotopenmusters.

Uranisotopen

Messung des „Fingerabdrucks“ von Uranisotopen mit der Beschleuniger-Massenspektrometrie.

Foto: M. Martschini, Universität Wien

Uran aus natürlichen, mineralischen Vorkommen besteht zu 99,3% aus dem Isotop Uran-238 und zu 0,7 % aus Uran-235. Im Unterschied dazu kommen Uran-233 und Uran-236 nur künstlich vor. Je nachdem, ob Uran aus der zivilen Nuklearindustrie oder aus Atomwaffentests freigesetzt wurde, variiert das Verhältnis beider Isotope anthropogenen Ursprungs beträchtlich.

Diesen Unterschied machen sich Physiker der Universität Wien zunutze. Ihr neues Verfahren eignet sich nicht nur als physikalischer „Fingerabdruck“ zur Identifizierung radioaktiver Emissionsquellen. Uran ist auch ein möglicher Umwelt-Tracer für Meeresströmungen. Denn die Ozeane enthalten natürliche Konzentrationen des Elements Uran im Bereich mehrerer Mikrogramm pro Kilogramm Wasser. Aufgrund seiner chemischen Form wird Uran nicht durch Sedimentation aus dem Wasser entfernt, sondern bleibt in Lösung und wird zusammen mit den entsprechenden Wassermassen gemischt. Diese Eigenschaften ermöglichen es, Transportvorgänge in Meeresströmungen zu verfolgen, die einen starken Einfluss auf unser Klima haben.

Uran-233 und Uran-236, der neue Isotopenfingerabdruck

Doch zurück zum eigentlichen Ziel der Forscher. Uran-236 ist als Isotop in Emissionen von Atombomben bekannt.

„Wir suchten nach einem zweiten anthropogenen Uranisotop, das bei der Explosion von Atomwaffen entsteht, jedoch kaum in konventionellen Kernkraftwerken zu finden ist“, erklärt Peter Steier, einer der Initiatoren der Studie. „In Bezug auf die Kernphysik schien Uran-233 ein vielversprechender Kandidat zu sein.“

Die Autoren argumentieren, dass signifikante Mengen von Uran-233 entweder durch thermonukleare Waffen freigesetzt wurden, bei denen das Isotop durch schnelles Einfangen von Neutronen in hochangereichertem Uran erzeugt wird oder durch die Explosion von Waffen mit geringer Effizienz, bei denen Uran-233 direkt als Brennstoff verwendet wurde.

Es gelang ihnen, kleinste Mengen der Isotope Uran-233 und Uran-236 mittels Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS, Accelerator Mass Spectrometry) nachzuweisen. Ihre Experimente wurden am Vienna Environmental Research Accelerator (VERA) durchgeführt. Die AMS arbeitet mit einem Teilchenbeschleuniger und mit zwei Massenspektrometern. Bestimmt wird das Verhältnis eines Isotops zu einem anderen – meist stabilen – Isotop desselben Elements. Bekanntestes Beispiel ist die Radiokohlenstoffdatierung mit Kohlenstoff-14.

Hypothesen zur Uranherkunft bestätigt

Für die AMS-Messungen stellten internationale Kooperationspartner der Forscher mehrere Proben bereit, etwa einen Korallenkern aus dem Pazifik, ein Torfmoorkern aus dem Schwarzwald sowie Proben aus der Irischen See und aus der Ostsee. Der Nachweis extrem niedriger Konzentrationen von Uran-233, beispielsweise 1 Femtogramm pro Gramm Koralle, war erst nach einer umfassenden Aufrüstung der VERA-Anlage möglich.

Eine zentrale Hypothese der Physiker wurde bestätigt, als sie in Proben aus der Irischen See ein Verhältnis von Uran-233 zu Uran-236 fanden, das auf Kontaminationen anthropogenen Ursprungs hinweist – und zwar nicht durch Kernwaffentests, sondern durch Kernkraftwerke. Zum Hintergrund: Am 10. Oktober 1957 zerstörte ein Brand im britischen Nuklearkomplex Sellafield Teile eines Reaktors. Das Ereignis gilt als weltweit schwerster Zwischenfall vor Tschernobyl. Außerdem gelangten im April 2005 durch ein Leck Nuklide in die Umwelt. Die Proben aus Großbritannien enthielten typische Signaturen von Uranisotopen aus Reaktoren.

Material aus anderen Quellen zeigte typische Signaturen des Fallouts von Kernwaffen. Die Daten aus dem Korallen- und dem Torfmoorkern konnten sogar zeitlich verschiedenen Phasen der atmosphärischen Atomwaffentestprogramme zugeordnet werden. Dazu verwendet man Bohrkerne, die anhand ihrer Längenachse auch den zeitlichen Verlauf der Einlagerung von Isotopen abbilden.

Uran als ozeanographischer Indikator

Damit nicht genug: Die Wiener Forscher berichten auch vom Einsatz anthropogener Uranisotope in der Meeresforschung. Ein Vorteil der Verwendung dieser Marker ist, dass sie recht empfindlich sind und unabhängig von Urangestein im Untergrund angewendet werden können. Durch Beobachtung der Verteilung von Spurennukliden können Wissenschaftler den Wassertransport messen und Rückschlüsse auf Klimaphänomene ziehen.

Bereits vor Jahren hatte die Arbeitsgruppe Uran-236 als ozeanographischer Tracer etabliert. In Systemen, die von mehreren Kontaminationsquellen betroffen sind wie dem Arktischen Ozean, reicht ein einziges Isotop jedoch nicht aus, um die Meeresströmungen zu verfolgen. Hier bietet es sich an, sowohl Uran-233 als auch Uran-236 zu bestimmen. 

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