Die Abtei­lung "Biogeochemie" untersucht die biologischen Prozesse in einem Endlager und seiner Umge­bung sowie in der Natur im Allgemeinen im Hinblick auf das Verhalten von Radionukliden und chemischen Analoga. Mit dem Ziel, ein umfassendes Verständnis zu erlangen, forschen wir auf ­verschiedenen Bioskalen. Moleküle, zelluläre Systeme und ganze Organismen werden einzeln und in Gemein­schaft untersucht, um Prozesse zu ­verstehen, die das Verhalten von Metallionen und die entsprechenden biologischen Reak­tionen beeinflussen. Zu diesem Zweck nutzen wir die Expertise des Instituts in der Spektroskopie und der computergestützten Chemie und ergänzen sie durch mikro­skopische und molekularbiologische Techniken. Unsere hochgradig interdisziplinäre und kollaborative For­schung konzentriert sich auf die Sicherheit des Menschen und die Risikobewer­tung und ist auch für ­verwandte For­schungs­bereiche wie die Bioremediation von kontaminierten Standorten und das Ressourcen­manage­ment relevant.

Die Abteilung "Thermodynamik der Aktiniden" ist auf dem Gebiet der wässrigen Speziation, der Ausfällung/Auflösung sowie der Wasser-Festkörper-Grenzflächen tätig. Wir verwenden vor allem NMR, IR, Potentiometrie, TRLFS und Kalorimetrie, um Komplexbildungskonstanten, Löslichkeitsprodukte und Oberflächenkomplexierungskonstanten, aber auch Enthalpien und Entropien zu erhalten. Damit einher geht die Ableitung von Mineralcharakteristika und Ionen-Ionen-Wechselwirkungskoeffizienten. Spektroskopische Charakterisierungen der beteiligten Spezies ermöglichen es, realistische Reaktionen zu formulieren. Alle ermittelten Parameter (und ihre Unsicherheiten) werden qualitätsgesichert und in thermodynamische Datenbanken wie THEREDA oder RES³T eingespeist. Anschließende geochemische Speziations­berechnungen unterstützen langfristige Sicherheits­bewer­tungen, dabei finden auch Ergebnisse aus Unsicherheits- und Sensitivitäsanalysen sowie der Geostatistik Anwendung.

Die Abtei­lung für "Grenzflächenprozesse" zielt auf grundlegende und unabhängige Kenntnisse der (Geo-)Chemie und des Umwelt­verhaltens von langlebigen Radionukliden (RN) ab. Eine wichtige Anwendung ist die sichere Entsor­gung von radioaktiven Abfällen. Wir liefern das radiochemische Wissen, d.h. thermodynamische und mechanistische Daten zu wichtigen Mobilisie­rungs­- und Immobilisie­rungs­reak­tionen von RN in Lö­sung, an Grenzflächen und in Festkörpern. Wir ­verwenden eine Vielzahl etablier­ter und fortschrittlicher mikro­skopischer und ­spek­tro­skopischer Techniken, um Komplexbildungs­reak­tionen und Komplex­struk­turen, die die Wechselwirkungen von RN in der Geosphäre bestimmen, genau zu beschreiben. Dar­über hinaus untersuchen wir die Entstehung und chemische Speziation von Aktivie­rungs­produkten in Material­ien aus Kernkraftwerken im Zusammenhang mit deren sicherer Stillle­gung.

Die Abtei­lung "Molekulare Strukturen" betreibt synchrotrongestützte For­schung und bietet Wissen­schaftlern, die Material­ien untersuchen, die Aktiniden und Lanthaniden enthalten, ein solides Instrumentarium. Unsere For­schung bietet detaillierte Einblicke in die ­struk­turellen und elek­tronischen Eigen­schaften solcher Material­ien in ­verschiedenen wissen­schaftlichen Disziplinen, darun­ter Physik, Chemie, Umwelt- und Geowissen­schaften. Die Experimente finden an der Rossendorf-Beamline des Europäischen Synchrotrons (ESRF) in Grenoble (Frankreich) statt, die speziell der Aktiniden­for­schung und der For­schung zur Entsor­gung radioakti­ver Abfälle gewidmet ist. Die Beamline besteht aus vier Experimen­tier­sta­tionen - XAFS, XES, XRD-1, XRD-2 - mit ­verschiedenen Röntgen­spek­tro­skopie- und Röntgenbeu­gungs­methoden in einer Alpha-Laborumge­bung. Die Datenanalyse wird mit Hilfe von Berechnungen der elek­tronischen Struktur durchgeführt. Wir untersuchen grundlegende Elek­tronen­wechselwirkungen, Bindungs­eigen­schaften, lokale Strukturen und Oxidations­zustände komplexer Systeme.

Die Abtei­lung "Biophysik" erforscht die Physik, die den grundlegenden Prozessen des Lebens zugrunde liegt. Obwohl Wasser in der Zelle allgegenwärtig ist, ist die Rolle von Wasser in biomolekularen Zusammensetzungen auf der Nanoskala wenig ­verstanden. Wir interessieren uns für die funktionellen Auswirkungen der Hydratation von Biomolekülen in Kondensaten, Membranproteinen und supramolekularen DNA-Strukturen. Diese Systeme umfassen Schlüsselprozesse im Zytosol und in der Plasmamembran einer Zelle sowie nanotechnologische Anwendungen von rational konzipierten DNA-Nano­struk­turen. Unsere Studien befassen sich mit Systemen unterschiedlicher Komplexität, die von in flüssig-flüssiger Phase getrennten Proteinen über Lipid-Protein-Wechselwirkungen bis hin zu dicht gepack­ter DNA reichen. Insbesondere werden ionische und schwermetallinduzierte Effekte für ökologische und radiologische Zwecke aufgeklärt. In dem noch komplexeren System eines lebenden Mikroorganismus untersuchen wir die metabolische Reaktion auf Radionuklide, wobei wir modernste Mikrokalorimetrie einsetzen, um neue Maßstäbe für die Toxizität abzuleiten. Die Abtei­lung Biophysik ist Teil des Exzellenzclusters "Physics of Life".

In der Abtei­lung "Reakti­ver Transport" untersuchen wir die Heterogenität der Reaktivität von Material­oberflächen, einschließlich Sorptions- und Auflö­sungs­reak­tionen und Material­abbau. Wir ­verwenden experimentelle und numerische Methoden zur Quantifizie­rung und Vorhersage von Oberflächen­reaktions­raten mit Hilfe von Ratenkarten. Der Transport in komplexen porösen Material­ien ist ein weiterer wichtiger Aspekt unserer Arbeit. Wir entwickeln konservative und reaktive Radionuklid-Tracer mit Hilfe unseres Zyklotronlabors und wenden die Posi­tronen­-Emissions-Tomographie (PET) an. Wir nutzen und entwickeln numerische Methoden für die Transport­analyse auf der Porenskala und dar­über hinaus. Unsere For­schung wird durch Anwendungen in der nuklearen Sicherheits­for­schung motiviert und vorangetrieben, und wir stellen wichtige Verbindungen zu den Geo-, Umwelt- und Material­wissen­schaften her.

Die Abtei­lung "Reaktorsicherheit" befasst sich mit der Sicherheits­bewer­tung von international betriebenen Leichtwasserreaktoren der Genera­tionen III und III+ sowie der in Entwick­lung befindlichen innovativen Reaktorkonzepte (z.B. SFR - sodium cooled fast reactor, SMR - small modular reactors) ermöglicht. Die Arbeiten konzentrieren sich dabei auf die Entwick­lung neuer Methoden der Störfallanalyse, die in der Lage sind, die Rechengenauig­keit und die räumlich/zeitliche Auflö­sung auf ein qualitativ neues Niveau zu bringen. Das Ziel ist die Bereitstel­lung eines validierten Werkzeugs zur Störfallanalyse von herkömmlichen und innovativen Reaktoren unter Einsatz von Multi-Physik-Ansätzen, die eine hochaufgelöste Neu­tronen­kinetik mit modernsten Computational Fluid Dynamics (CFD) Methoden, fortgeschrittenen eindimensionalen thermohdraulischen Anlagenmodellen und Berechnungen des Brennstab­verhaltens koppeln. Weiterhin wird die langjährige Expertise in der Entwick­lung und Anwendung von Rechenprogrammen der Reaktordosimetrie genutzt, um diese Tools bei der Beglei­tung des Rückbaus von Kernkraftwerken zur Bestimmung des Aktivitätslevels der Kraftwerkskomponen­ten einzusetzen.

In der Abtei­lung "Chemie der f-Elemente" untersuchen wir die Chemie der Aktiniden und ihrer Lanthaniden-Homologen sowohl im festen Zustand als auch in Lö­sung mit dem Ziel, die chemische Bindung in Aktiniden­verbindungen auf elek­tronischer Ebene zu ­verstehen. Unser Hauptaugenmerk liegt auf der Koordinations­chemie der f-Elemente mit anorganischen und organischen Liganden jeweils mit ­verschiedenen Donoratomen. Bei diesen Studien wird die Einkristall-Röntgenbeu­gung zur Untersuchung der Strukturen im festen Zustand und ­spek­tro­skopische Techniken wie NMR, XANES und TRLFS zur Charakterisie­rung der Strukturen in Lö­sung eingesetzt. EPR und SQUID werden eingesetzt, um magnetische Eigen­schaften zu untersuchen. Alle Untersuchungen werden durch modernste quantenchemische Berechnungen ergänzt.