Kontamination aus Nuklearanlagen und Atomtest-Fallout unterscheiden sich im Uran-Isotop 233U Neuer "Fingerabdruck" für anthropogenes Uran - scinexx | Das Wissensmagazin
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Neuer „Fingerabdruck“ für anthropogenes Uran

Kontamination aus Nuklearanlagen und Atomtest-Fallout unterscheiden sich im Uran-Isotop 233U

VERA
Mit dieser Anlage haben Forscher das Uran-Isotop 233U in Umweltproben nachgewiesen – eine Uranvariante, die nur bei energiereichen Kernwaffenexplosionen entsteht, nicht in Atomkraftwerken. © M. Martschini/ Universität Wien

Uran ist nicht gleich Uran: Forscher haben eine Methode identifiziert, mit der Uran aus zivilen Quellen wie Atomkraftwerken besser von Uran aus alten Atomwaffentests unterschieden werden kann. Denn das Verhältnis der beiden anthropogenen Uranisotope 233U und 236U variiert bei diesen Quellen. Das ermöglicht es, beispielsweise alten Fallout von neuen Kontaminationen aus Nuklearanlagen zu unterscheiden und erleichtert auch die Nutzung dieser Isotope als Tracer für die Erforschung von Meeresströmungen.

Das radioaktive Element Uran kommt auf der Erde natürlich vor, vorwiegend in Form des Isotops 235U, in geringerem Anteil auch als 238U. Wenn dieses Uran in Atomkraftwerken oder einer Wiederaufbereitungsanlage eingesetzt wird oder aber als Grundlage für eine Atomwaffe, werden jedoch auch weitere, menschengemachte Uranisotope produziert, darunter vor allem das langlebige 236U. Dieses wird inzwischen fast überall im Meerwasser nachgewiesen, selbst in den Tiefen des Marianengrabens.

Ein Isotop reicht nicht

Das Problem jedoch: Am Uranisotop 236U allein lässt sich nicht unterscheiden ob diese Uran-Kontamination aus dem Fallout alter Kernwaffentests stammt, oder ob es möglicherweise eine neue Quelle der Belastung gibt – beispielsweise einen Reaktorunfall oder ein Leck in einer Wiederaufbereitungsanlage.

Hinzu kommt, dass das Isotop 236U heute von Wissenschaftlern häufig zur Erforschung von Meeresströmungen genutzt wird. Weil es sehr langlebig ist, lässt sich über diese Kontamination oft die Herkunft einer Wassermasse feststellen. Doch in Ozeangebieten mit komplexer Zirkulation wie dem Mittelmeer oder dem Arktischen Ozean ist dieses eine Uranisotop zu unspezifisch, um die Quellen genauer eingrenzen zu können.

233U als neuer Kandidat

„Wir suchten nach einem zweiten anthropogenen Uranisotop, das in Kernwaffen, aber kaum in konventionellen Kernkraftwerken produziert wird. Aus kernphysikalischer Sicht erschien uns 233U ein vielversprechender Kandidat zu sein“, erklärt Koautor Peter Steier von der Universität Wien. Denn im Gegensatz zu 236U wird das leichtere Uran-Isotop 233U nur Kernreaktionen mit schnellen, energiereichen Neutronen produziert – und diese Reaktionen sind für Atomexplosionen oder Wasserstoffbomben typisch.

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Korallenbohrkern
Zuschneiden des Korallen-Bohrkerns aus dem Pazifik für die Urantests.© . Sakaguchi/ University of Tsukuba

Um herauszufinden, ob sich das Uran-Isotop 233U in der Umwelt nachweisen lässt und ob es sich als zusätzlicher Tracer eignet, haben Steier, Erstautorin Karin Hain und weitere Kollegen Proben aus fünf unterschiedlichen Quellen analysiert. Darunter waren ein Korallen-Bohrkern aus dem Pazifik, ein Torfmoor-Bohrkern aus dem Schwarzwald und mehre Wasser- und Sedimentproben aus der Irischen See und der Ostsee.

Für den Nachweis der extrem geringen Mengen des Isotops – teilweise nur ein Femtogramm pro Gramm Material, setzten die Forscher den hochsensiblen Beschleuniger-Massenspektrometer am Vienna Environmental Research Accelerator (VERA) ein.

Ein klarer „Fingerabdruck“

Das Ergebnis: Tatsächlich zeigten sich quellenspezifische Unterschiede bei der Konzentration des Uran-Isotops 233U. Die Proben aus der Irischen See, die stark von Einleitungen der britischen Wiederaufbereitungsanlage Sellafield betroffen ist, enthielten ein zehnmal niedrigeres 233U/236U Verhältnis als Proben aus dem Torfmoor, in dem sich vor allem der Fallout alter Kernwaffentests akkumuliert hatte, wie die Forscher berichten.

Daraus schließen Hain und ihr Team, dass sich das Verhältnis der beiden anthropogenen Uranisotope 233U und 236U gut als „Fingerabdruck“ zur Identifizierung von radioaktiven Emissionsquellen eignet. Dies könnte es künftig erleichtern, herauszufinden ob eine Kontamination mit menschengemachten Uranisotopen aus altem Fallout stammt oder aber auf eine neue Belastungsquelle hinweist. Gleichzeitig hilft dieses Isotopenverhältnis bei der Rückverfolgung von Meeresströmungen und Wassermassen.

Uran-Isotopenwerte
Zeitlicher Verlauf der Anteile der Uran-Isotope 233U und 236U in der Torfmoorprobe.© Hain et al./ Nature Communications, CC-by-sa 4.0

Woher genau stammt die U233-Kontamination?

Interessant auch: Die Daten aus dem Torfmoor-Bohrkern und den Korallen waren zeitlich so hoch aufgelöst, dass die Forscher sogar rekonstruieren konnten, wann und aus welchen Kernwaffentests ein Großteil des in ihnen konservierten 233U stammen muss. Demnach scheint dieses Uran-Isotop vor allem in der Frühphase der Atomwaffentests in den 1950er Jahren freigesetzt worden zu sein, wie Hain und ihre Kollegen berichten.

Dies wiederum lässt den Schluss zu, dass vor allem die US-Atomwaffentests zu diesem Fallout beitrugen. Denn die sowjetischen Tests begannen erst ab Anfang der 1960er, ein dominantes Signal in der radioaktiven Kontamination zu hinterlassen, so die Forscher. Aus dem Anteil des Isotops 233U und dem zeitlichen Verlauf schließen sie zudem, dass der Hauptteil dieses Isotops vermutlich durch die ersten Tests von Wasserstoffbomben im Südpazifik freigesetzt wurde. Ein weiterer Anteil könnte aus dem Test einer experimentellen Kernwaffe mit 233U als Brennstoff stammen.

„Die experimentellen Daten zeigen, dass die bisher bekannten Beiträge zum globalen Waffen-Fallout das 233Uran-Budget im Moor nicht erklären können“, erklärt Hain. „Dies deutet auf einen Beitrag der einzig bekannten 233U-Bombe hin, welche auf dem Testgelände in Nevada gezündet wurde.“ (Nature Communications, 2020; doi: 10.1038/s41467-020-15008-2)

Quelle: Universität Wien

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