Bohrkernausschnitt mit Uran

Umweltwissenschaften: Analyse radioaktiver Sedimente

Verfahren zum Nachweis radioaktiver Elemente in der natürlichen Umwelt spielen eine zentrale Rolle in den Umweltwissenschaften. Dies ist insbesondere bei gesundheitlich kritischen Elementen, die aus natürlichen Uranlagerstätten oder nuklearen Endlagern entweichen können, der Fall.

Um etwa die genaue Zusammensetzung natürlicher uranreicher Sedimente zu untersuchen, nutzte ein Team um Melissa Dennecke die Synchrotronstrahlungsquelle DORIS III vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg. In einer Studie wurden mit Hilfe von mikrofokussierter Röntgenstrahlung hochauflösende Fluoreszenz-, Absorptionsspektroskopie- und Beugungsmessungen an Bohrkernen mit aktivem Material durchgeführt, welches aus der Nähe einer Uranlagerstätte in der tschechischen Republik stammt.

Eine kreisförmige Fläche, deren Farben im Braunroten changieren. In der Mitte ist ein Bereich mit den Worten Area scanned markiert.
Bohrkern

Damit ließ sich die Verteilung verschiedener Elemente (Eisen, Arsen, Uran), die Bestimmung der Valenzzustände der Elemente beziehungsweise eine ortsaufgelöste, röntgenographische Bestimmung mineralischer Phasen (Pyrit, Siderit, Arsenopyrit) in den Proben vornehmen. Studien von solchen sogenannten natürlichen Analoga zu möglichen nuklearen Endlagern haben das Ziel, die Mechanismen für die Immobilisierung von Uran in Sedimenten zu identifizieren und zu charakterisieren. Langfristig sollen damit zuverlässige Langzeitsicherheitsanalysen und die Entwicklung intelligenter, mehrstufiger Einschlussverfahren zur Entsorgung nuklearen Abfalls ermöglicht werden.

Links: Diagramm (Intensität versus Energie), an dessen Spitzen die entsprechenden Elemente (P, Ca, Ti, Zr...) zugeordnet sind. Rechts: 2 Diagramme (Intensität versus Winkel) mit verschiedenen Spitzen. Das obere entspricht einem Pyrit, das untere einem Siderit.
Ergebnisse der Untersuchung

Aus den Ergebnissen dieses spezifischen Beispiels ist es gelungen, einen der vorherrschenden Immobilisierungsprozesse des Urans zu identifizieren, das chemische Milieu bei der Entstehung des Sediments abzuschätzen, und eine thermodynamische Beschreibung des Prozesses zu erstellen.

Das Uran, das durch Witterungsprozesse aus nahe liegenden Granitformationen aufgelöst wurde, wird als sogenannte mobile hexavalente U(VI)-Spezies im Grundwasser transportiert. Das mobile U(VI) wurde am Mineral Arsenopyrit in einem tiefer liegenden anoxischen Horizont reduziert, wobei schwerlösliches tetravalentes U(IV) ausfiel und As(V) entstand.