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Wissen & Umwelt

Radioaktiven Stoffen auf der Spur

Um gefährliche Radionuklide ausfindig zu machen, hat die EU eine eigene forensische Forschungseinrichtung: Das Institut für Transurane. Dort können Forscher herausfinden, ob ein Staat an der Bombe baut?

Staaten, die Inspektoren der Internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) in das Land lassen, können undeklarierte Atomprogramme praktisch nicht mehr geheim halten. "Die Inspektoren verifizieren die Mengen an Nuklearmaterial, die Anreicherung und darüber hinaus die nuklearen Aktivitäten: Welche Prozesse laufen ab?", erklärt Klaus Mayer, Chemiker am Institut für Transurane (ITU) in Karlsruhe.

Sein Institut ist eine Forschungseinrichtung der Europäischen Kommission. Die Aufgabe des ITU ist es, anonymisierte Proben der IAEA und der europäischen Atomenergiebehörde EURATOM zu untersuchen. Hätte ein Staat ein undeklariertes militärisches Atomprogramm, würde das ITU sicherlich Spuren davon finden. "Wenn man sich die Materialeigenschaften und die deklarierten Prozesse anschaut, kann man sehen: Ist das konsistent, passt das zusammen?", so Mayer.

Viele Mosaiksteinchen fügen sich zu einem Bild

Klaus Mayer Experte für Verifikationstechnologien am Institut für Transurane Elemente der Europäischen Kommission in Karlsruhe (Foto: © European Atomic Energy Community, 2012)

Klaus Mayer entschlüsselt nukleare Spuren

Es gibt viele Hinweise, die Inspektoren Aufschluss über die wahren Absichten hinter einem vermeintlich zivilen Atomprogramm geben können: Sie schauen sich an, was Wissenschaftler in den Ländern publizieren. Satellitenaufnahmen geben Hinweise auf den möglichen Bau geheimer Anlagen. Daten aus der Exportkontrolle oder Handelsanalysen können wichtige Hinweise darüber geben, was ein Staat an Hochtechnologie importiert. "Diese Informationen müssen dann ein Bild ergeben", betont der Chemiker.

Es gibt zwei Wege, über die ein Staat waffenfähiges Nuklearmaterial herstellen könnte: Entweder über die Anreicherung von Uran in speziellen Zentrifugen oder über die Abtrennung von waffenfähigem Plutonium aus abgebrannten Brennelementen in einer Wiederaufbereitungsanlage. Beide Verfahren hinterlassen Spuren. Hinweise darauf erhalten Inspektoren unter anderem durch Partikelanalysen von Proben aus kerntechnischen Anlagen.

Entweder können sie mit portablen Geräten vor Ort Nuklearmaterialien über ihre spezifische Strahlung identifizieren oder sie nehmen Proben mit, die sie dann im Labor analysieren. Dann sind die Ergebnisse auch viel genauer. So läßt sich zum Beispiel Urananreicherung mit Hilfe eines mobilen Gammaspektrometers mit einer Genauigkeit von einem Prozent bestimmen. In einem Massenspektrometer können die Forscher in ihrem Karlsruher Labor sogar einer Genauigkeit von 0,1 oder sogar 0,05 Prozent erreichen.

Magnus Hedberg kann mit dem Sekundärionen Massenspektrometer kleinste Teilchen sichtbar machen. (Foto: ITU Karlsruhe)

Magnus Hedberg kann mit dem Sekundärionen Massenspektrometer kleinste Teilchen sichtbar machen

Massenspektrometer und Mikroskop in einem

Besonders um festzustellen, ob ein Staat Urananreicherung für zivile oder militärische Zwecke betreibt, eigne sich die Analyse von Staubpartikeln. "Selbst Partikel, die nur ein Tausendstel Millimeter groß sind, lassen sich noch sehr genau auf ihre Anreicherung untersuchen", erklärt Mayer. "Und da genügen auch ein, zwei Partikel in einem Meer von normalem Hausstaub."

Sein Kollege, der Ingenieur Magnus Hedberg, führt dazu ein spezielles Sekundärionen Massenspektrometer (SIMS) vor. Mit diesem Gerät läßt sich herausfinden, ob es sich bei einer Probe um Natururan, niedrig angereichertes Uran für einen Kernreaktor oder um hochangereichertes, waffenfähiges Uran handelt. Aber das SIMS kann noch viel mehr: Einerseits erreicht es aufgrund seiner Größe eine sehr hohe Auflösung und Empfindlichkeit. Zudem funktioniert es gleichzeitig auch als Ionenmikroskop. "Wir können damit Bilder von Partikeln auf Oberflächen aufnehmen", betont Hedberg.

Zwei verschiedene Plutoniumisotope in der Darstellung durch ein Sekundär-Innonen-Massenspektrometer am Institut für Transurane Elemente der Europäischen Kommission in Karlsruhe (Foto: © European Atomic Energy Community, 2012)

Ein Plutonium-Partikel mit zwei verschiedenen Isotopen im SIMS Spektrometer

Nachweis verschiedener Isotope

Auf den Bildern, die das Gerät liefert, lassen sich zum Beispiel winzigste Uran oder Plutoniumpartikel im Nanometerbereich wie auf einem Foto abbilden und sogar nach verschiedenen Isotopentypen unterscheiden. Mit dieser Methode reichen selbst geringste Mengen des gesuchten Materials aus, um einen stichfesten Nachweis zu erbringen. "Wir können in wenigen Stunden damit hunderte von Millionen von Partikeln untersuchen – nur um am Ende einige wenige Uranpartikel zu finden, die uns interessieren", erklärt der Ingenieur.

Dieses Analyseverfahren sei so genau, dass sich die gesamte Betriebsgeschichte einer Nuklearanlage zurückverfolgen ließe, sagt der Chemiker Mayer. Denn die Proben enthüllten allerhand: "Das Material hat einen Fingerabdruck aus seiner Isotopenzusammensetzung, aus seinen Verunreinigungen, aus seiner Morphologie, also der Beschaffenheit und der Partikelgröße." All das lasse Schlüsse auf den beabsichtigten Gebrauch des Materials zu: "Soll es in ein Kernkraftwerk gehen? Soll es in einen Versuchsreaktor gehen? Ist es ein Zwischenprodukt?"

Ein Uranpartikel mit eindeutig erkennbarer Morphologie in einem Elektronenmikroskop des Instituts für Transurane Elemente der Europäischen Kommission in Karlsruhe (Foto: © European Atomic Energy Community, 2012) Freigabe durch: Gabriele Tamborini, dem Pressesprecher des Instituts für Transurane Elemente in Karlsruhe

Die Beschaffenheit des Uranteilchens erzählt den Forschern seine Geschichte

Atmosphärengase enthüllen Aufbereitung

Die Forscher können damit auch Rückschlüsse auf die Herstellungsprozesse ziehen: Bei welchen Temperaturen und mit welchen chemischen Reagenzien wurde es hergestellt? Bei Plutonium können sie herausfinden, in welchem Typ von Reaktor es erzeugt wurde. Um solche Proben zu nehmen, müssen die Inspekteure nicht unbedingt in die Werkstätten und Labors. "Das kann man auch in den Umkleiden der Bediensteten, in der Kantine oder im Büro des Direktors machen. Man wird immer ähnliche Signaturen und immer die gleichen Anreicherungen finden."

Während sich eine Urananreicherung auf diese Weise allerdings nur im Umfeld der Anlage detektieren lässt, kann der Betrieb einer Wiederaufbereitungsanlage sogar außerhalb des Landes in der Atmosphäre gemessen werden, weil solche Anlagen immer radioaktives Krypton und Xenon freisetzen. Allerdings wissen die Forscher dann noch nicht, ob dort auch waffenfähiges Plutonium abgetrennt wird.

Umso wichtiger ist es deshalb für Inspektoren, immer vielen verschiedenen Hinweisen nachzugehen: "Als Inspektor muß ich immer wachsam sein und die Abwesenheit von Hinweisen ist noch kein Hinweis auf die Abwesenheit von bestimmten Aktivitäten", betont Mayer. Verifikation müsse "kontinuierlich und immer kritisch" durchgeführt werden, "aber kritisch in Partnerschaft mit dem Staat der sich diesem Verifikationsregime unterzieht."