Das langlebige Erbe des Tschernobyl-Unglücks

Vier Jahrzehnte nach der Nuklearkatastrophe von 1986 haben Forschende der Leibniz Universität Hannover und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) sechs winzige, hochradioaktive Fragmente aus dem zerstörten Reaktor in der Ukraine präzise analysiert. Die Untersuchungen zeigen, dass diese sogenannten „hot particles“ chemisch deutlich stabiler sind als bislang angenommen. Die mikroanalytischen Befunde tragen dazu bei, die langfristigen Mobilisierungsdynamiken und Gesundheitsrisiken radioaktiver Partikel in der Umwelt exakter zu modellieren.

Morphologie und Genese der mikroskopischen Reaktorfragmente

Trotz der verstrichenen Zeit kontaminieren die 8 bis 50 Mikrometer großen Staubteilchen weiterhin die Böden der Sperrzone. Ihre hohe Aktivität erfordert für Probenentnahmen vor Ort Arbeiten unter Vollschutz. Physikalisch-chemisch lassen sich die Fragmente in drei Hauptklassen unterteilen. „Man unterscheidet drei Klassen dieser Partikel“, erklärt Tobias Weissenborn. „Zunächst solche, die chemisch-physikalisch dem Kernbrennstoff Urandioxid noch sehr ähneln. Weiterhin Partikel, die teilweise oder vollständig mit einer Zirkonschicht umschlossen, oder ganz mit dem Material verschmolzen sind.“ Partikel der zweiten Klasse entstanden durch die extremer Hitzeentwicklung während der Kernschmelze, bei der sich die Zirkonium-Hüllrohre mit dem Brennstoff verbanden.

„Die dritte Art von Partikeln ist beim Brand des Graphitmoderators entstanden“, ergänzt Weissenborn. Die Aufgabe des Moderators ist, schnelle Neutronen abzubremsen und die Kettenreaktion in Gang zu halten. Im Zuge des Unglücks fing das Graphit jedoch Feuer und stand danach zehn Tage lang in Flammen. „Dabei wurde der Brennstoff zu verschiedenen Uranoxiden aufoxidiert“ – zum Beispiel zu Triuranoctoxid, U3O8. Dieses ist mechanisch instabil und bildet schnell Kleinstpartikel, die mit dem Wind transportiert werden können. Solche Staubteilchen einzuatmen, ist besonders gesundheitsgefährdend.

Synchrotron-Röntgenbeugung zur Phasenanalyse

Welche Mechanismen die Verwitterungsgeschwindigkeit dieser Partikel steuern, ist bisher nur unvollständig geklärt. Da beim Verfall ein komplexes Gemisch unterschiedlicher Uranoxidphasen entsteht, erfordert die Charakterisierung hochauflösende analytische Methoden. Dr. Christoph Hennig und Tobias Weissenborn führten mittels Synchrotron-Röntgenbeugungsexperimenten erstmals eine detaillierte Phasenanalyse an den sechs isolierten Tschornobyl-Partikeln durch, um Verwitterungsraten und Freisetzungskinetiken gebundener Radionuklide abzuschätzen.

„Die Partikel haben Kolleginnen und Kollegen aus Hannover und ich mit Hilfe verschiedener Verfahren aus ukrainischen Bodenproben isoliert und an Wolframnadeln befestigt“, erläutert Weissenborn den Prozess. Im Anschluss reisten die mit Hilfe mehrerer Isolationsschichten gesicherten Proben nach Grenoble und wurden hier von einem Team unter der Leitung von Hennig diffraktometrisch untersucht, also anhand der Beugung von Röntgenstrahlung an der inneren Struktur des Materials.

„Zunächst mussten wir uns überlegen, auf welchem Weg es uns gelingen könnte, die Struktur der Partikel zu untersuchen“, erklärt Christoph Hennig. „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 2000 verschiedene Winkelpositionen gemessen, um alle Reflexe lückenlos zu erfassen.“

Rückhalt von Radionukliden und heterogene Verwitterungsdynamiken

Die Beugungsdaten belegen das Vorhandensein unterschiedlicher Oxidphasen. Überraschenderweise ist die Kristallstruktur des Urandioxid-Brennstoffs in den Mikrometer-Partikeln weitgehend intakt geblieben. Die Fragmente sind chemisch resistenter als gedacht und schließen Spaltprodukte weiterhin in der Matrix ein. Dennoch warnen die Autoren vor verfrühten Verallgemeinerungen. „Allerdings ist jeder einzelne Partikel anders aufgebaut“, warnt Weissenborn, „und wir konnten in unserem Experiment auch nur sechs solcher Partikel untersuchen, von zwei verschiedenen Fundorten.“ Um allgemeine Aussagen zur Stabilität von Tschornobyl-Partikeln zu machen, müssten Proben von deutlich mehr Standorten einbezogen und etliche weitere Partikel untersucht werden.

Ergänzend betont er die Hürden bei der radiologischen Risikobewertung für das Gesamtökosystem: „Und selbst wenn wir irgendwann solche Durchschnittswerte haben: Wir könnten auch dann noch keine allgemeingültigen Aussagen über Gesundheitsgefahren in der Region machen“, gibt Weissenborn weiter zu bedenken. „Denn selbst bei einer überwiegend gleichmäßigen Auflösung der Partikel gibt es Ausreißer, die überdurchschnittlich beständig sind und zu einem späteren Zeitpunkt Radionuklide freisetzen.“

Quelle

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (10/2026)