Vier Jahrzehnte Verwitterung können 8-Mikrometer-Partikel nicht auflösen
Vier Jahrzehnte voller Niederschläge, saurer Böden und Gefrier-Tau-Zyklen hätten die mikroskopischen Partikel der Reaktorkatastrophe von 1986 eigentlich längst zersetzen müssen. Doch die Realität widerlegt bisherige Annahmen. Deutsche Wissenschaftler haben sechs aus dem Boden der Sperrzone von Tschernobyl geborgene sogenannte „Hot Particles“ an einem Synchrotron untersucht. Die Messungen belegen: Ihre innere Kristallstruktur ist auch nach 40 Jahren weitgehend intakt.
Bei der Explosion von Reaktor 4 im Jahr 1986 wurden tonnenweise Brennstofffragmente kilometerweit in die Atmosphäre geschleudert. Heute ist die Sperrzone oberflächlich von dichter Vegetation überwuchert. Unter der Erde jedoch lagert weiterhin feiner radioaktiver Staub mit Durchmessern zwischen 8 und 50 Mikrometern. Auch vierzig Jahre nach dem Unfall weisen diese Partikel eine extrem hohe Strahlungsaktivität auf. Probenahmeteams im Kernbereich müssen schwere Schutzkleidung tragen, um das Einatmen des toxischen Staubs zu verhindern.
Ein gemeinsames Team der Leibniz Universität Hannover und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) brachte die Bodenproben aus der Ukraine nach Westeuropa. Klassische Umwelt- und Ausbreitungsmodelle gingen bislang davon aus, dass saure Niederschläge solche winzigen Fragmente längst aufgelöst und ausgewaschen haben müssten. Doch die Korrosionsbeständigkeit der Bodenpartikel übertraf alle Prognosen: Die Natur konnte sie im vorhergesehenen Zeitfenster nicht auflösen – sie verharren als feste, mineralähnliche Körper im Erdreich.
In den trockenen Sommermonaten durchziehen regelmäßig Waldbrände das verlassene Areal. Der dichte Rauch reißt den im Boden gebundenen Staub wieder in die Luft. Die einst am Boden deponierten Strahlungsquellen erhalten dadurch eine gefährliche zweite Chance zur atmosphärischen Verfrachtung.
100-Mikrometer-Röntgenstrahl tastet 2.000 Beugungswinkel ab
Um die atomare Anordnung im Inneren der Mikropartikel sichtbar zu machen, überführten die Forscher die Proben nach Frankreich. Der Kristallograph Christoph Hennig leitete die Messungen an der Rossendorf Beamline (ROBL) der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble. Jedes Staubkorn wurde auf der Spitze einer mikroskopisch feinen Wolframelektrode fixiert und in mehrfach gesicherten Sicherheitsbehältern versiegelt.
Herkömmliche Labor-Röntgenstrahlung vermochte die Kapselung nicht zu durchdringen. Daher griff das Team auf hochenergetische Synchrotronstrahlung zurück. Der Strahl wurde auf einen Durchmesser von 100 Mikrometern fokussiert – etwa die Dicke eines menschlichen Haares. Während die Wolframelektrode die Probe langsam drehte, zeichneten Detektoren an 2.000 verschiedenen Winkeln Beugungsmuster auf, um jede Reflexion des Kristallgitters lückenlos zu erfassen.
Die riesigen Datenmengen wurden rechnergestützt zu dreidimensionalen topologischen Modellen rekonstruiert. Der Physiker Tobias Weissenborn ordnete und klassifizierte die gewonnenen Daten akribisch. Die 3D-Bilder lieferten den Beweis: Das kristalline Grundgerüst der Partikel ist keineswegs kollabiert. Trotz der jahrzehntelangen internen Selbstbestrahlung durch Alphazerfall behalten die Elementarzellen ihre geordnete Kristallgitterstruktur bei.
Dieses Verfahren schließt eine fundamentale Lücke in der Erforschung der Mikrostruktur von Tschernobyl-Resten. Bislang konnten Forscher die Zusammensetzung lediglich über äußere Spektroskopie abschätzen, während mechanische Schnitte das empfindliche Kristallgefüge zerstörten. Der hochauflösende Synchrotron-Scan offenbarte erstmals zerstörungsfrei das wahre Innere des verstreuten Kernbrennstoffs.
Kernschmelze und Graphitbrand formten drei mikroskopische Phasen
Durch den Abgleich der Beugungsmuster unterteilten die Forscher die Fundstücke in drei verschiedene morphologische Gruppen. Die erste Gruppe entspricht in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften nahezu dem ursprünglichen, unbestrahlten Kernbrennstoff. Sie wurde bei der einleitenden mechanischen Explosion schlagartig herausgeschleudert und entging den nachfolgenden Hochtemperaturschmelzen und Oxidationsprozessen.
Die zweite Gruppe konserviert den dramatischen Moment der Kernschmelze. Im Normalbetrieb umhüllen widerstandsfähige Zirkonlegierungen die Urandioxid-Pellets (UO₂). Als die Temperatur im Reaktorkern auf mehrere tausend Grad Celsius emporschnellte, verschmolz der flüssige Brennstoff mit der erweichten Zirkonhülle. Beim raschen Erstarren bildete sich ein extrem harter, korrosionsbeständiger U-Zr-O-Mischkristallkörper.
Die dritte Gruppe entstand durch den verheerenden zehntägigen Graphitbrand. Der RBMK-Reaktortyp nutzte tausende Tonnen Graphitblöcke zur Moderation schneller Neutronen. Nach der Zerstörung des Reaktors geriet der glühende Graphit in Kontakt mit Luftsauerstoff und entzündete ein tagelanges Großfeuer.
Der anhaltende Brand lieferte extreme Hitze und reichlich Sauerstoff für Oxidationsreaktionen. Das freiliegende Urandioxid wandelte sich schrittweise in poröses Triuranoctoxid (U₃O₈) um. Diese Oxidationsphase geht mit einer drastischen Gitteraufweitung einher, die das Material mechanisch instabil und porös macht. Solche Partikel zerfallen leicht zu lungengängigem Feinstaub. Gelangen sie über die Atemwege in den Körper, droht eine verheerende chronische innere Strahlenbelastung.
Freisetzungszeitplan bricht mit gängigen Ausbreitungsmodellen
Obwohl verschiedene Uranoxidphasen nachgewiesen wurden, verblüffte die Forscher vor allem die strukturelle Integrität der Kristallkerne. Frühere Theorien postulierten, dass die kumulierte Eigenschädigung durch Alphastrahlung ausreichen müsste, um das Kristallgitter kollabieren zu lassen. Doch die Partikel erwiesen sich als erstaunlich phasenstabil: Sie halten die Spaltprodukte fest in ihrem Gitter gefangen und verhindern deren Auslaugung.
Für die Grundwasser- und Flusssysteme rund um Tschernobyl ist dies kurzfristig eine Entlastung: Gefährliche Radionuklide lösen sich nicht schlagartig im Regenwasser, und die Kontamination bleibt im Mikrometerbereich gebunden. Für Sicherheitsingenieure und Umweltmodellierer bedeutet dieses Ergebnis jedoch einen gravierenden Modellkonflikt.
Während Endlagerprojekte darauf setzen, dass Abfallmatrizen physikalisch stabil bleiben, benötigen Dispersionsmodelle verlässliche Raten für den Austrag in die Biosphäre. Die Messdaten belegen, dass der natürliche Abbau der Partikel drastisch langsamer verläuft als in bisherigen Computersimulationen berechnet. Indem sie der frühen Auswaschung entgingen, haben die Partikel den Zeitpunkt der maximalen Nuklidfreisetzung weit in die Zukunft verschoben.
In Tiefengrundwassermodellen bedeutet die Unlöslichkeit keineswegs Entwarnung. Die Radionuklide wurden nicht über den Fluss Prypjat verdünnt abtransportiert. Sie liegen vielmehr wie ungezählte mikroskopische Minen im Boden und warten auf ihren künftigen physikalischen Zersetzungspunkt.
Sechs Mikropartikel erlauben keine Sicherheitsgarantie für das Sperrgebiet
Trotz der scheinbaren Stabilität mahnen die Autoren der Studie zu wissenschaftlicher Vorsicht. Die aufwendige Untersuchung analysierte lediglich sechs Hot Particles von zwei Entnahmestellen. Angesichts der tonnenweise über Dutzende Kilometer verstreuten Trümmer lassen sechs Proben keine verlässliche Hochrechnung für die Gesamtsicherheit der Sperrzone zu.
Im Augenblick der Detonation war jedes Partikel völlig anderen Bedingungen ausgesetzt. Manche kühlten auf feuchtem Sumpfboden oder trockenem Asphalt schlagartig ab, während andere tagelanger thermischer Belastung standhielten. Unterschiedliche Temperaturverläufe und Kühlmedien verliehen jedem Staubkorn individuelle Gitterdefekte und Korrosionseigenschaften. Um allgemeingültige Freisetzungsgesetze abzuleiten, sind umfangreichere Beprobungen erforderlich.
Selbst wenn eines Tages eine gemittelte Freisetzungskurve vorliegt, mindert dies das toxikologische Risiko kaum. In der Umwelttoxikologie entscheiden extreme Ausreißer über die individuelle Gefährdung. Wenn Verwitterungsraten stark variieren, verbleiben im Boden besonders widerstandsfähige Partikel, die womöglich erst nach Jahrhunderten plötzlich zerfallen und schlagartig hochdosierte Radionuklide an die Umgebung abgeben.
Dass die Tschernobyl-Partikel weitaus stabiler sind als gedacht, erklärt, warum das Strahlungsniveau in der Sperrzone seit Jahrzehnten nicht wesentlich sinkt. Die Katastrophe von 1986 vernichtete die Radioaktivität nicht – sie zerschlug lediglich ihre technische Hülle. Die im Boden konservierten Mikrometer-Trümmer bestimmen nach ihren eigenen mikrophysikalischen Gesetzen, wann sie ihre tödliche Fracht an die Umwelt zurückgeben.
Weiterführende Links:
- phys.org / Helmholtz-Gemeinschaft
- Journal of Hazardous Materials
- HN-Diskussion (item?id=49986919)
