Mainzer Physiker schlagen neue Methode zur Überwachung von Atommüll vor


Mainzer Physiker schlagen neue Methode zur Überwachung von Atommüll vor

Wissenschaftler zeigen Szenarien zur Nutzung von Neutrinodetektoren in
atomaren Zwischenlagern auf

Um radioaktives Material in Atommülllagern besser zu überwachen und
sicherer aufzubewahren, könnten nach neuen wissenschaftlichen
Erkenntnissen Neutrinodetektoren einen wichtigen Beitrag leisten.
Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben die
von abgebrannten Kernbrennstoffen ausgehende Neutrinostrahlung
ermittelt. Anhand dieser Berechnungen können sie zeigen, dass der
Einsatz von Neutrinodetektoren in bestimmten Szenarien hilfreich wäre.

Neutrinos wechselwirken kaum mit Materie und können daher die Erde sowie
jede von Menschen gemachte Abschirmung praktisch ungehindert
durchdringen. „Von
der Sonne kommen in jeder Sekunde etwa 100 Milliarden Neutrinos pro
Quadratzentimeter auf der Erde an und zwar am Tag wie in der Nacht. Weil
aber Neutrinos nur über die schwache Wechselwirkung mit Materie in
Kontakt treten, sind sie die am schwersten zu detektierenden
Elementarteilchen überhaupt“, erklärt Prof. Dr. Joachim Kopp vom
Exzellenzcluster PRISMA der JGU. Der Wissenschaftler ist Experte auf dem
Gebiet der theoretischen Neutrinophysik und hat für seine Forschungen
2014 einen ERC Starting Grant erhalten, eine der höchstdotierten
Fördermaßnahmen der EU.

Beim Betazerfall von radioaktiven Spaltprodukten entstehen Neutrinos in
sehr großen Mengen. Für ihre Detektion über den inversen Betazerfall
müssen diese
Teilchen jedoch eine Mindestenergie von 1,8 Megaelektronenvolt
aufweisen. Dann können sie in einem Szintillationsdetektor, einem mit
speziellen Mineralölen
gefüllten Tank, nachgewiesen werden. Die hochenergetischen Teilchen
wechselwirken in dem Tank mit den vorhandenen Protonen, wobei ein
charakteristisches Lichtsignal entsteht.

Derartige Neutrinodetektoren werden versuchsweise bereits zur
Überwachung des laufenden Betriebs von Kernkraftwerken eingesetzt. Für
die Überwachung von gelagertem Atommüll gibt es bisher noch keine
Detektoren. „Laufende Reaktoren produzieren wesentlich mehr Neutrinos
als stillgelegte Reaktoren oder gelagertes radioaktives Material“,
erklärt Kopp mit dem Hinweis, dass es jedoch gerade aus
Sicherheitsgründen wichtig wäre, den Verbleib von Atommüll im Auge zu
behalten.

Neutrino-Überwachung von abgebranntem Kernbrennstoff

In ihrer Veröffentlichung im Fachmagazin Physical Review Applied
berechnen Joachim Kopp und Vedran Brdar von der JGU sowie Patrick Huber
von der US-Universität
Virginia Tech zunächst den Neutrinofluss, den radioaktives Strontium-90
und andere in abgebranntem Kernbrennstoff vorkommende Spaltprodukte
emittieren.
Sie betrachten dann einige Szenarien, wie oder wo die Emissionen
nachgewiesen werden könnten. Besonders hilfreich wäre ein entsprechender
Detektor demnach für die Überwachung oberirdischer Lagerstätten, zum
Beispiel auf dem Gelände von Kernkraftwerken. Hier könnte ein
Neutrinodetektor erkennen, falls radioaktives Material undokumentiert
weggeschafft würde. Den Berechnungen zufolge würden die Messungen bei
einem Detektor mit einem Volumen von 40 Tonnen etwa ein Jahr
lang laufen müssen. „Das klingt zwar lange, aber es genügt, den Detektor
hinzustellen und abzuwarten. Der große Vorteil ist, dass wir so den
Inhalt der
Container überprüfen können, ohne die Behälter überhaupt öffnen zu
müssen“, erklärt Kopp das Verfahren. Es würde in der Regel ausreichen,
wenn der Detektor 10 bis 100 Meter entfernt aufgestellt wird,
beispielsweise auf dem Anhänger eines Lastwagens. Die Methode ist nach
Einschätzung von Kopp insbesondere im Hinblick auf die Nichtverbreitung
atomwaffenfähigen Materials interessant, weshalb die Europäische
Atomgemeinschaft EURATOM bereits Interesse bekundet hat.

In einem zweiten Szenario berechnen die Physiker die Situation bei der
Überwachung von unterirdischen Endlagern am Beispiel der vorgeschlagenen
Endlagerstätte Yucca Mountain in Nevada. Hier würde ein signifikanter
Neutrinofluss selbst an der Oberfläche von einem kleinen 10-Tonnen-Tank
entdeckt. „Allerdings können
realistische Gefahren wie das Austreten nur geringer Mengen radioaktiven
Materials leider nicht erkannt werden“, so Kopp.

Ein drittes Szenario, das sich die Wissenschaftler in ihren Berechnungen
vornahmen, war das Aufspüren von unvollständig dokumentierten
Lagerstätten, wie sie etwa auf dem Hanford-Gelände, einer noch aus
Zeiten des Kalten Krieges stammenden und mittlerweile stillgelegten
Nuklearanlage im US-Bundesstaat Washington, existieren. „Dazu reicht die
aktuelle Detektortechnologie noch nicht ganz aus, unter anderem weil die
kosmische Strahlung die Messungen beeinträchtigt“,
erklärt Kopp. Allerdings gibt es bereits erste Prototypen für
Detektoren, die dieses Problem vermeiden können.

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