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Wissenschaftsforum Chemie 2009: Kernchemie ein Kernthema

14.08.2009
Wer glaubt, Nuklear- oder Kernchemiker, Wissenschaftler, die sich mit der Chemie radioaktiver Elemente befassen, würden sich vor allem nur um Fragen rund um die Kernenergie kümmern, sieht spätestens beim Blick auf das Programm des Wissenschaftsforums Chemie 2009, dass er sich geirrt hat.

Mit 33 (von insgesamt 245) Vorträgen und vielen Posterbeiträgen bringt sich die Fachgruppe Nuklearchemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) in diese Tagung ein, die unter dem Motto steht "Mit Chemie sicher leben".

Selbstverständlich soll auch die Kernenergienutzung immer sicherer gemacht werden. Aber auch die chemische Untersuchung einzelner Atome, die theoretische Beschäftigung mit der Stabilität superschwerer Elemente und chemische Experimente mit diesen, kriminaltechnische Untersuchungen, medizinischer Nutzen und gesundheitliche Risiken durch radioaktive Elemente stehen auf dem Programm der Tagung, die vom 31. August bis 2. September an der Frankfurter Goethe-Universität stattfindet.

Die deutschsprachige wissenschaftliche Gemeinde der Nuklearchemiker ist, bezogen auf die Standorte, an denen sie arbeiten, klein. Das renommierte Paul Scherrer Institut im schweizerischen Villigen ist hier zu nennen, ebenso wie die Technische Universität München (Garching), die Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt, die Universitäten Mainz und Hannover sowie die Forschungszentren Karlsruhe, Jülich und Dresden-Rossendorf.

In Villigen beschäftigt man sich beispielsweise mit der Gasphasenchemie mit Transactiniden, das sind äußerst instabile, also kurzlebige, Elemente mit der Ordnungszahl 104 und höher im Periodensystem der Elemente. Dass es sie gibt und wie sie entstehen, muss man analytisch, genauer gesagt zerfallsspektroskopisch, nachweisen, und zwar mit äußerst schnellen Methoden. Doch es geht nicht nur darum, mit der qualitativen Analytik Elemente wie Rf (Rutherfordium), Db (Dubnium), Sg (Seaborgium), Bh (Bohrium), Hs (Hassium), das Element 112 (es soll Copernicium genannt werden) und 114 (noch unbenannt) nachzuweisen. Es interessieren auch Eigenschaften wie die relativistischen Effekte in den Elektronenhüllen, die die Atomkerne umgeben.

Soweit einige Aspekte aus der Grundlagenforschung. In der angewandten Forschung kümmert man sich beispielsweise um die Endlagerung schwach- und mittelradioaktiver Abfälle in tiefen Salzformationen. Zu den Störfallszenarien, mit denen man die Langzeitsicherheit eines Endlagers prüfen möchte, gehört das Verhalten des so genannten Stoffinventars bei Wasserzutritt. In Salzformationen bilden sich dann hochkonzentrierte Salzlaugen mit vorwiegend Natrium-, Magnesium- und Calciumchlorid. Was würde passieren, wenn diese bis zu den Radionukliden gelängen? Diese Frage lässt sich nicht kurz und knapp beantworten. Im Forschungszentrum Karlsruhe konnte man aufzeigen, dass eine starke Abhängigkeit von der Zusammensetzung, dem pH-Wert, der Ionenstärke und dem Redoxpotential der wässrigen Lösung besteht. Und bei den Radionukliden geht es nicht nur um die Frage, welche Elemente, sondern auch in welchen Oxidationsstufen diese vorliegen. Es zeigte sich, dass sich günstige geochemische Bedingungen finden lassen, in denen sich Bereiche niedriger Radionuklidlöslichkeit identifizieren lassen.

Welche Fragen die analytisch arbeitenden Radiochemiker so umtreibt, sei an drei Beispielen aufgezeigt: Das Institut für Transurane in Karlsruhe und die Universität Mainz gehen gemeinsam der Frage nach, ob ein Kernreaktor in Deutschland während des Zweiten Weltkriegs Realität oder Fiktion war. Otto Hahn und Fritz Straßmann hatten die Kernspaltung 1938 entdeckt. Das riesige Potenzial der Kernenergie wurde sofort erkannt, und an verschiedenen Orten in Deutschland versuchte man, sich selbst erhaltende Kettenreaktionen in Uranmeilern zu erzeugen. Unter Leitung von Werner Heisenberg wurde in Haigerloch in Süddeutschland an einem Schwerwasserreaktor gearbeitet, der aus 664 Uranmetallwürfeln bestand. Im April 1945 beschlagnahmte die US Armee die meisten der Würfel. Ein später in Süddeutschland gefundener Uranwürfel konnte mittels nuklearer Analytik als einer der "Haigerloch-Würfel" identifiziert werden. Fraglich ist, ob der Reaktor jemals Kritikalität erreichte, also funktionierte. Wenn ja, müsste durch Neutronenfluss Plutonium-239 und Uran-236 entstanden sein. Dies versucht man derzeit durch Ultra-Spurenanalyse herauszufinden.

An der Leibniz Universität Hannover untersucht man, in welcher Größenordnung das langlebige Radionuklid Iod-129, eingetragen durch oberirdische Kernwaffenexplosionen, kerntechnische Unfälle oder durch Emissionen aus Wiederaufarbeitungsanlagen, vor allem die aquatische Umwelt verändert hat. Hierzu wird das Verhältnis zum Iod-Isotop 127 untersucht, das sich beispielsweise in der deutschen Bucht zwischen 1992 und 1999 um mehr als eine Zehnerpotenz erhöhte. Nachdem 2005 die gesamte Nordsee und 2007 Ostseeküstenbereiche beprobt wurden, zeigte sich, dass die Konzentrationen an Iod-129 zugenommen haben und sich auch Emissionen aus La Hague entlang der Küste von Frankreich bis nach Dänemark verfolgen lassen. Wenn die Analytik so etwas genau nachweisen kann, ist damit noch keine Aussage über die ökotoxische Relevanz verbunden. Derzeit sind die durch Iod-129 bedingten Strahlenexpositionen in Deutschland vernachlässigbar.

Im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf interessiert die Frage, wie sich strahlende und nicht strahlende Elemente in Biosystemen wie dem menschlichen Körper verändern, also metabolisiert werden. In Dresden wird das anhand der Beispiele Curium, das innerhalb des Kernbrennstoffzyklus gebildet wird und nur radioaktive Isotope aufweist, und Europium, das nicht radioaktiv ist und in der Medizin als Kontrastmittel an Bedeutung gewinnt, vorgestellt. Da sich beide Elemente chemisch ähnlich verhalten, kann man viele Untersuchungen wegen der besseren Handhabbarkeit mit Europium durchführen, um so Aussagen über mögliche Gesundheitsgefährdungen durch Curium zu erhalten. Zu den Versuchen gehören Komplexbildungen mit Harnstoff, dem Hauptbestandteil des Urins. Doch die darin auch vorkommende Citronensäure ist als Komplexbildner noch viel bedeutender. So lassen sich erste Hinweise auf das Verhalten dieser Elemente im Körper erhalten.

In einer gemeinsamen Sitzung mit der Fachgruppe Medizinische Chemie gehen zwei Referenten auf die Bedeutung von Radionukliden in der modernen Medizin ein. So leistet die Positronenemissionstomographie (PET) heute unverzichtbare Dienste in der Diagnose und Lokalisierung von Tumorerkrankungen. Radionuklide werden aber auch eingesetzt, um gezielt und schmerzfrei nicht operable Tumore zu bekämpfen.

Neben drei Promotionspreisen wird in Frankfurt der Fritz Strassmann-Preis, der mit 2.500 Euro dotiert ist, zweimal vergeben. Er geht zum einen an den Privatdozenten Dr. Clemens Walther, Institut für Nukleare Entsorgung, Forschungszentrum Karlsruhe, zum anderen an Dr. Sönke Szidat, Universität Bern.

Walthers Arbeiten gehören in den Bereich der anorganisch-radiochemischen Grundlagenforschung, in der sehr gute analytisch-chemische Fähigkeiten und fundierte Kenntnisse der Laserphysik benötigt werden. Relevanz haben seine Fragestellungen für die Umweltchemie der radiotoxischen Elemente Thorium und Plutonium. Deren Wechselwirkungen in der Umwelt müssen bekannt sein, um mögliche Migrationswege zu verstehen, was für den Langzeitsicherheitsnachweis potenzieller Endlagerstandorte für hochradioaktive Abfälle wichtig ist. Außerdem kann man durch Walthers Arbeiten erklären, wieso viele Kilometer abseits von ehemaligen Bombenteststätten in Nevada unvorhergesehen große Plutonium-Kontaminationen gemessen wurden.

Szidat beschäftigt sich mit verbesserten Möglichkeiten, das langlebige Radionukld C 14, ein Isotop des "normalen" Kohlenstoffs C 12, zu messen. C 14 kommt in Pflanzenmaterialen (dort aber auch nur in winzigsten Spuren), nicht aber in Brennstoffen aus fossilen Rohstoffen wie Heizöl, Kohle oder Diesel vor. Um Emissionsquellen kohlenstoffhaltiger Aerosole, also Rauch- oder Rußpartikel, besser zuordnen zu können, was u.a. im Rahmen der Feinstaubdiskussion wichtig ist, sind Analysen des Radionuklids C 14 von zentraler Bedeutung. So können sinnvolle Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität ergriffen werden.

Die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) gehört mit über 28.000 Mitgliedern zu den größten chemiewissenschaftlichen Gesellschaften weltweit. Sie hat 26 Fachgruppen und Sektionen, darunter die 1956 gegründete Fachgruppe Nuklearchemie mit rund 240 Mitgliedern. Die Fachgruppe sieht ihre Hauptaufgabe in der Förderung von Kern-, Radio- und Strahlenchemie sowie der dort tätigen Studenten, Techniker und Wissenschaftler. Dabei soll die Unterrichtung über neue Ergebnisse und Anwendungen besonders im Vordergrund stehen.

Dr. Renate Hoer | idw
Weitere Informationen:
http://www.gdch.de

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