Sicherheitsforschung mit Laserlicht

Seine Arbeitskleidung ist sonnengelb: Wenn Dr. Thorsten Stumpf in den Kontrollbereich am Institut für Nukleare Entsorgung des Forschungszentrums Karlsruhe geht, streift er seinen Kittel und spezielle Schuhe über und begibt sich in eine Welt, in der strenge Sicherheitsvorkehrungen gelten. Stumpf erforscht, wie radioaktive Abfallprodukte aus Kernkraftwerken langfristig mit ihrer Umgebung reagieren, wenn sie in Salzstöcken, Granit oder anderen geologischen Formationen tief unter der Erde endgelagert werden.

Darüber gibt es natürlich längst gute Abschätzungen, aber Stumpf will es viel genauer wissen: Denn die Chemie der radioaktiven Metalle aus der Gruppe der Actiniden, zu denen Plutonium, Americium und auch Curium gehören, ist bislang weitgehend unerforscht. Die meisten Ausbreitungsrechnungen basieren daher auf der Ermittlung von so genannten Verteilungskoeffizienten, die durch die Konzentration des Stoffs in der festen und in der flüssigen Phase ermittelt werden. Diese Werte können jedoch nur mit einer gewissen Unsicherheit auf lange Zeiträume, zum Beispiel auf Jahrmillionen, extrapoliert werden. Was auf molekularer Ebene geschieht und wie genau radioaktive Atome mit ihrer Umgebung im Endlager reagieren, wird dabei nicht aufgeklärt. "Erst wenn ich verstanden habe, welche Reaktionen dabei ablaufen, und wenn ich die Stabilität der neuen Verbindungen kenne, erst dann kann ich wirklich zuverlässige Voraussagen machen. Denn die Naturgesetze gelten auch noch in 100.000 Jahren.", sagt Stumpf.

Im Labor ist es dunkel und kühl: Hier arbeiten die Lasersysteme, mit denen der Forscher die Reaktionen genau verfolgen kann. Denn einige Actiniden verfügen über eine besondere Eigenschaft, sie zeigen Fluoreszenz. Der Laser regt die Proben zum Leuchten an und die abgegebene Strahlung enthält detaillierte Informationen, sowohl über den zeitlichen Ablauf der Reaktion als auch über Energieniveaus und insbesondere über die Struktur der entstandenen Verbindung. "Die Fluoreszenz-Spektroskopie ist eine fantastische Methode, um Strukturinformation zu erhalten und wir können dabei sogar mit Proben arbeiten, die nur wenige Moleküle des radioaktiven Materials enthalten", erklärt der Radiochemiker. Für normale spektroskopische Verfahren müssten die Konzentrationen um den Faktor hundert Millionen höher sein.

Die Dauer der Fluoreszenz zeigt den Forschern, wie viele Wassermoleküle das Actinid umhüllen. Erst wenn das Actinid dauerhaft in das Wirtsgitter des umgebenden Materials eingebaut ist, ist die Hydrathülle verschwunden und die Lebensdauer der Fluoreszenz wird sehr lang. Und nicht nur die verschiedenen Verbindungen, sondern auch die exakten geometrischen Positionen, in denen das radioaktive Atom eingebaut wurde, sind aus den Spektren abzulesen.

Stumpf und sein Team arbeiten vor allem mit dem Element Curium, dessen besondere Fluoreszenz-Eigenschaften die genauesten Aussagen erlauben. So lassen sich Curiumatome als atomare Sonden nutzen, um chemische Reaktionen auch noch im Bereich von ultrageringen Konzentrationen zu untersuchen. Entscheidend für die Radiotoxizität der Abfälle aus Kernkraftwerken sind zwar vor allem Plutonium und Americium, aber Americium ist dem Curium chemisch sehr ähnlich: beide Elemente sind dreiwertig und selbst der Ionenradius ist gleich. Und auch Plutonium wird sehr wahrscheinlich in den tiefen geologischen Formationen der Endlager "reduziert", so dass es dann chemisch ebenfalls dem Curium gleicht. Mit Curium lässt sich auch deswegen gut arbeiten, weil es aufgrund seiner langen Halbwertszeit von 340.000 Jahren kaum strahlt.

Und was zeigen die Experimente? Curium kann tatsächlich fest in Minerale eingebaut werden. Dort in der Kristallstruktur verankert, können die radioaktiven Actiniden über sehr lange Zeiträume von der Ökosphäre ferngehalten werden.