entdeckt_02_2012

TITEL// Das Forschungsmagazin aus dem HZDR WWW.Hzdr.DE 32 33 Euratom die nukleare Sicherheitsforschung fördert. „Durch die Zusammenarbeit in dem Netzwerk konnten wir uns die besten Instrumente und Labore für unsere Arbeit aussuchen“, sagt Andreas Scheinost. Gleichzeitig bedeutet dies einen großen Aufwand für Regina Kirsch, die als Doktorandin an dem Projekt beteiligt ist, da viele einzelne Arbeitsschritte zu organisieren und zu betreuen sind. Die heute promovierte Wissenschaftlerin arbeitet seit September am Lawrence Berkeley National Lab in Kalifornien, USA. Hohe Sicherheitsanforderungen Vor etwa vier Jahren beginnt Regina Kirsch an der Universität Grenoble die Rostminerale künstlich herzustellen. Synthe- tische Minerale haben den Vorteil, dass man sie genau kontrol- lieren kann; aber sie müssen in den wichtigsten Eigenschaften natürlich auch denen in der Natur ähneln. Deshalb legen die Forscher großen Wert darauf, sehr kleine Partikel im Nano- meterbereich herzustellen. Um die Eisenoxide mit Plutonium zur Reaktion zu bringen, brauchen sie eine Handschuhbox, die mit Unterdruck arbeitet. Dadurch wird verhindert, dass radioaktive, giftige Substanzen nach außen dringen. Das Problem: durch den Unterdruck gelangt vermehrt uner- wünschter Luftsauerstoff in die Box, weshalb Forscher für solche Arbeiten üblicherweise Exemplare mit Überdruck verwenden. Der Widerspruch scheint unlösbar, bis die Wissen- schaftler endlich am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die perfekte anoxische Radionuklidbox finden. Sie läuft mit Unterdruck, hat aber ein besonders effizientes System, um Sauerstoff auszuschließen. Die Handschuhbox begrenzt den Sauerstoffpartialdruck auf 1 ppm, also ein Sauerstoffmolekül pro eine Million Teilchen. „Wir haben fast ein Jahr lang danach gesucht“, so Scheinost. „Die Kollegen in Karlsruhe sind außerdem ausgezeichnete Partner, wenn es um Plutonium-Chemie geht“, erzählt er weiter. „Wie auch immer die für die Experimente benötigte Plutoniumlösung beschaffen sein musste, sie haben sie uns perfekt hergestellt.“ Nach der Reaktion mit den Rostmineralen wird das Wasser von den Proben abgetrennt. Übrig bleibt eine gelförmige Mineralphase, die für die Untersuchungen „verpackt“ werden muss. Als Vorbild für den Probenhalter mit doppeltem Einschluss und fester Verschweißung dient eine Spezialentwicklung der französischen Atomenergiebehörde CEA. Sie garantiert eine hohe Sicherheit sowie Unempfind- lichkeit gegenüber starken Temperaturschwankungen, denen der Probenhalter ausgesetzt ist: zwischen dem fast absoluten Nullpunkt während der Untersuchung und Raumtemperatur nach der Messung. In dem Probenhalter und den dafür ver- wendeten strapazierfähigen Materialien stecken jahrelange Entwicklungen, weiß Andreas Scheinost. Nachfolgeexperiment bereits geplant Für den Transport der Probe an die HZDR-Beamline in Grenoble kommt Unterstützung durch Kollegen des schwei- zerischen Paul Scherrer Instituts: sie haben einen speziellen Container entwickelt, in dem hochradioaktive Substanzen, mit Flüssigstickstoff gekühlt, transportiert werden können. Die Stickstoffatmosphäre schließt Sauerstoff aus und hemmt chemische Reaktionen, falls doch einzelne Moleküle an die Probe gelangen. Endlich an der ROBL-Beamline angekommen, wird die Probe nun ein paar Tage lang im intensiven Licht des Synchrotron- strahls untersucht, um ihr bestimmte Informationen zu entlocken: welche Oxidationsstufe haben die Plutonium- atome? Wie und wo „sitzen“ sie an der Oberfläche der Eisen- minerale? Wie nahe kommen sie sich? Gehen sie Bindungen ein? Wenn ja, welche? Bisher haben die Forscher nachgewiesen, dass Plutonium an der Oberfläche der Rostminerale zur Oxidationsstufe 3 reduziert wird. Dreiwertiges Plutonium ist in Wasser leicht löslich und deshalb sehr mobil, trotzdem wird es an der Ober- fläche der Rostminerale sehr stark gebunden. Die Löslichkeit dieser Oberflächenkomplexe ist so gering, dass man nur etwa 24 Plutoniumatome pro eine Billion Wassermoleküle finden würde. Das bedeutet: rostende Abfallbehälter können ihre Rückhaltefunktion tausende Jahre behalten. Mit der Zeit, davon gehen die Wissenschaftler aus, könnten die Nuklide sogar in den Rostmineralen eingeschlossen werden, also noch stabilere Verbindungen entstehen. Die Prozesse sollen in dem neuen, durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanzierten ACTINET-Nachfolgeprojekt IMMORAD untersucht werden. „Darin wollen wir unsere Arbeiten von Plutonium auf andere Elemente ausdehnen und noch länger- fristigere Prognosen erzielen“, sagt Andreas Scheinost. Die dafür nötigen Vorarbeiten sind nun erprobt; was bleibt, ist das gute Gefühl einer partnerschaftlichen Zusammenarbeit, an deren Erfolg viele Anteil haben. PUBLIKATION: Kirsch et al.: „Oxidation State and Local Structure of Pluto- nium Reacted with Magnetite, Mackinawite, and Chukanovite,” in Environmental Science & Technology, Bd. 45 (2011), S. 7267-7274 (DOI-Link: http://dx.doi.org/dx.doi.org/10.1021/ es200645a) Kontakt _ Institut für Ressourcenökologie im HZDR Dr. Andreas Scheinost scheinost@esrf.fr

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