Erste direkte Abbildung radioaktiver Cäsiumatome in Umweltproben

Dreizehn Jahre nach der Atomkatastrophe im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi (FDNPP) ermöglichte ein Durchbruch in der Analyse eine Weltneuheit: die direkte Abbildung radioaktiver Cäsiumatome (Cs) in Umweltproben.

Die Analyse, die von einem Forscherteam in Japan, Finnland, Amerika und Frankreich durchgeführt wurde, das die aus den beschädigten FDNPP-Reaktoren emittierten Materialien analysiert, liefert wichtige Erkenntnisse über die anhaltenden Herausforderungen in Bezug auf die Umwelt und die Entsorgung radioaktiver Abfälle in Japan.

Der Studiemit dem Titel „‚Unsichtbare‘ radioaktive Cäsiumatome enthüllt: Pollucite-Einschluss in äsiumreichen Mikropartikeln (CsMPs) aus dem Kernkraftwerk Fukushima Daiichi“ wurde gerade in veröffentlicht Zeitschrift für gefährliche Materialien.

Im Jahr 2011, nach dem großen Tōhoku-Erdbeben und dem Tsunami, kam es in drei Kernreaktoren des FDNPP zu einer Kernschmelze aufgrund eines Ausfalls der Notstromversorgung und Kühlung. Seitdem konzentrierten sich umfangreiche Forschungsanstrengungen auf das Verständnis der Eigenschaften von Brennstoffabfällen (der Mischung aus geschmolzenem Kernbrennstoff und Strukturmaterialien), die in den beschädigten Reaktoren gefunden wurden. Diese Rückstände müssen sorgfältig entfernt und entsorgt werden.

Es bestehen jedoch nach wie vor viele Unsicherheiten hinsichtlich des physikalischen und chemischen Zustands der Brennstoffreste, was die Bergungsbemühungen erheblich erschwert.

Versuche, die Chemie des radioaktiven Cäsiums zu verstehen, führen zu einer Weltneuheit

Aus den beschädigten Fukushima Daiichi-Reaktoren wurde eine erhebliche Menge radioaktives Cs in Partikelform freigesetzt. Die als Cs-reiche Mikropartikel (CsMPs) bezeichneten Partikel sind schwer löslich, klein (< 5 µm) und haben eine glasartige Zusammensetzung.

Prof. Satoshi Utsunomiya von der Universität Kyushu, Japan, leitete die aktuelle Studie. Er erklärte, dass sich die CsMPs „während der Kernschmelzen am Boden der beschädigten Reaktoren bildeten, als geschmolzener Kernbrennstoff auf Beton prallte“.

Nach der Bildung gingen viele CsMPs aus dem Reaktorsicherheitsbehälter in die Umgebung verloren.

Wie ist das Bild entstanden?

Die detaillierte Charakterisierung von CsMPs hat wichtige Hinweise auf die Mechanismen und das Ausmaß der Kernschmelzen ergeben. Trotz des reichlich vorhandenen Cs in den Mikropartikeln hat sich eine direkte Abbildung des radioaktiven Cs in den Partikeln auf atomarer Ebene als unmöglich erwiesen.

Prof. Gareth Law, ein Studienmitarbeiter von der Universität Helsinki, erklärte: „Dies bedeutet, dass uns vollständige Informationen über die chemische Form von Cs in den Partikeln und Treibstoffabfällen fehlen.“

Utsunomiya sagte: „Obwohl Cs in den Partikeln in relativ hohen Konzentrationen vorhanden ist, ist es oft immer noch zu niedrig für eine erfolgreiche Abbildung auf atomarer Ebene mit fortschrittlichen Elektronenmikroskopietechniken. Wenn Cs in einer ausreichend hohen Konzentration gefunden wird, haben wir herausgefunden, dass der Elektronenstrahl.“ beschädigt die Probe und macht die resultierenden Daten unbrauchbar.“

Bei früheren Arbeiten des Teams mithilfe eines hochmodernen, hochauflösenden, ringförmigen Dunkelfeld-Rastertransmissionselektronenmikroskops (HR-HAADF-STEM) mit hoher Winkelzahl fanden sie jedoch Einschlüsse eines Minerals namens Pollucit (ein Zeolith). innerhalb von CsMPs.

Law erklärte: „In früheren Analysen haben wir gezeigt, dass die eisenreichen Pollucit-Einschlüsse in den CsMPs mehr als 20 Gew.-% Cs enthielten. In der Natur ist Pollucit im Allgemeinen reich an Aluminium. Das Pollucit in den CsMPs unterschied sich deutlich von dem in der Natur, was darauf hindeutet.“ es bildete sich in den Reaktoren.

„Da wir wussten, dass das meiste C in CsMPs durch Spaltung entsteht, dachten wir, dass die Analyse des Pollucits die ersten direkten Bilder radioaktiver Cs-Atome liefern könnte.“

Zeolithe können amorph werden, wenn sie einer Elektronenstrahlbestrahlung ausgesetzt werden. Dieser Schaden hängt jedoch mit der Zusammensetzung des Zeoliths zusammen, und das Team stellte fest, dass einige Pollucit-Einschlüsse im Elektronenstrahl stabil waren.

Als das Team dies erfuhr und durch Modellierung informiert wurde, begann es mit einer sorgfältigen Analyse, bei der Utsunomiya, die Doktorandin Kanako Miyazaki und das Team schließlich radioaktive Cs-Atome abbildeten.

Utsunomiya erklärte: „Es war unglaublich aufregend, das schöne Muster der Cs-Atome in der Pollucit-Struktur zu sehen, wobei etwa die Hälfte der Atome im Bild radioaktivem Cs entspricht. Dies ist das erste Mal, dass Menschen radioaktive Cs-Atome in einer Umgebung direkt abgebildet haben.“ Probe.

„In Umweltproben Konzentrationen von radioaktivem Kohlenstoff zu finden, die hoch genug sind, um eine direkte Bildgebung zu ermöglichen, ist ungewöhnlich und wirft Sicherheitsprobleme auf. Während es aufregend war, ein wissenschaftliches Weltneuheitsbild zu machen, ist es gleichzeitig traurig, dass dies nur aufgrund eines nuklearen Atoms möglich war.“ Unfall.“

Mehr als ein bildgebender Durchbruch

Utsunomiya betonte, dass die Ergebnisse der Studie umfassender seien als die bloße Abbildung radioaktiver Cs-Atome. „Unsere Arbeit wirft Licht auf die Pollucitbildung und die wahrscheinliche Heterogenität der Cs-Verteilung innerhalb der FDNPP-Reaktoren und der Umwelt.“

Law sagte: „Wir weisen eindeutig ein neues Cs-Vorkommen im Zusammenhang mit den aus den FDNPP-Reaktoren ausgestoßenen Materialien nach. Das Auffinden von Cs-haltigem Pollucit in CsMPs bedeutet wahrscheinlich, dass es auch in den beschädigten Reaktoren verbleibt; daher können seine Eigenschaften nun bei der Stilllegung des Reaktors berücksichtigt werden.“ Abfallmanagementstrategien.

Der emeritierte Mitarbeiter Prof. Bernd Grambow von Subatech, IMT Atlantique Universität Nantes, fügte hinzu: „Wir sollten jetzt auch damit beginnen, das Umweltverhalten von Cs-Pollucit und seine möglichen Auswirkungen zu berücksichtigen. Es verhält sich wahrscheinlich anders als andere bisher dokumentierte Formen des Cs-Fallouts.“

„Möglicherweise müssen auch die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit berücksichtigt werden. Die chemische Reaktivität von Pollucit in der Umwelt und in Körperflüssigkeiten unterscheidet sich sicherlich von der anderer Formen abgelagerten radioaktiven Cs.“

Abschließend betonte Prof. Rod Ewing von der Stanford University, als er über die Bedeutung der Studie nachdachte, dass dringend weitere Forschung erforderlich sei, um Strategien zur Schuttbeseitigung und zur Umweltsanierung zu entwickeln. „Wieder einmal sehen wir, dass die sorgfältigen Analysebemühungen internationaler Wissenschaftler tatsächlich die Geheimnisse nuklearer Unfälle entschlüsseln und so langfristige Wiederherstellungsbemühungen unterstützen können.“