2017 kam es bei der Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente in der russischen Anlage Majak zur Freisetzung von Ruthenium-106. Ein Luftfilter aus Wien half dabei, die Unfallursache zu eruieren.

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Georg Steinhauser ist Professor für Radioökologie an der Universität Hannover. Der Österreicher erforschte den Majak-Unfall von 2017.

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Die kerntechnische Anlage Majak, 1.500 Kilometer östlich von Moskau gelegen, wurde 1946 errichtet.

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Im September 2017 meldeten europäische Messstationen eine beunruhigende Entdeckung: In der Luft über Europa ließ sich fast 100-mal mehr Radioaktivität nachweisen als in der Folge der Nuklearkatastrophe von Fukushima 2011. Zwar ging von der Belastung noch längst keine gesundheitliche Gefahr aus, doch Forscher standen vor einem Rätsel: Anders als bei dem Unfall in Japan handelte es sich dabei nicht um das Radionuklid Jod-131, sondern um Ruthenium-106. Zudem lagen keinerlei Informationen über nukleare Unfälle irgendwelcher Art vor. Was war also passiert?

Schnell stellte sich heraus, dass der Ursprung der radioaktiven Wolke im Südural liegen musste – und dort gibt es nur einen Ort, der als Quelle dieses Radionuklids infrage kommt: die kerntechnische Anlage Majak in der russischen Oblast Tscheljabinsk, in der einst Plutonium für das sowjetische Atomwaffenprogramm hergestellt wurde und sich 1957 einer der schwersten Nuklearunfälle in der Geschichte ereignete. Heute werden dort vor allem abgebrannte Brennelemente aus Kernkraftwerken wiederaufbereitet. Russland dementierte umgehend, dass es zu einem Unfall gekommen war, doch der Verdacht erhärtete sich.

Radioaktive Quelle geklärt

2019 legte ein Forscherteam, zu dem auch der aus Österreich stammende Radioökologe Georg Steinhauser von der Universität Hannover zählte, Details über die radioaktive Freisetzung vor. Aus Messdaten ließ sich das Verteilungsmuster des Radionuklids über Europa nachzeichnen und der Zeitpunkt der Ruthenium-106-Freisetzung auf 25. bis 26. September 2017 eingrenzen. Außerdem fanden die Forscher Hinweise darauf, dass es zu einem Vorfall mit einem ungewöhnlich "jungen" Brennstoff gekommen sein dürfte.

In zwei neuen Studien, an denen Steinhauser maßgeblich beteiligt ist, konnten Forscher diese Hinweise nun verdichten – und noch mehr Licht ins Dunkel des Unfalls bringen, den Russland bis heute abstreitet: Zum einen konnten sie nachweisen, dass die Quelle der Freisetzung keinen militärischen Hintergrund hatte. Zum anderen konnten sie auch die wahrscheinliche Unfallursache klären.

Verräterische (stabile) Isotope

In der vergangene Woche veröffentlichten Studie in "Nature Communications" gingen Steinhauser und Kollegen von der Uni Münster noch einmal der Frage nach, aus welcher Quelle die Radioaktivität freigesetzt wurde. Neben vergleichsweise hohen Werten an Ruthenium-106, das eine Halbwertszeit von 374 Tagen hat, wurden in einigen Messstationen auch Spuren des kurzlebigeren Isotops Ruthenium-103 gefunden.

Aus dem Verhältnis der beiden Spaltprodukte ergaben sich zwei Möglichkeiten, wie Steinhauser im Gespräch mit dem STANDARD erklärt: Entweder es handelte sich bei der Quelle um Brennstoff aus einem zivilen Kernkraftwerk, der zum Zeitpunkt der Freisetzung erst weniger als zwei Jahre aus dem Reaktor draußen war – eine ungewöhnlich kurze Abklingphase.

"Die andere, hochbrisante Möglichkeit war, dass es nur kurz bestrahlter Brennstoff war, der eine lange Abklingzeit hatte. Das wäre ein Szenario für die Herstellung von waffenfähigem Plutonium." Eine Unterscheidung lässt sich aber anhand der beiden Radionuklide allein nicht treffen. Also kam den Forschern die Idee, auch die stabilen Ruthenium-Isotope, die bei der Kernspaltung entstehen, aus Luftfiltern einer Messstation in Wien zu untersuchen.

Reaktortyp identifiziert

"Als wir damit begonnen haben, ist es mir vorgekommen, als würden wir in den Neusiedler See spucken und versuchen, die Erhöhung des Wasserstandes zu messen", sagt Steinhauser. Denn Ruthenium kommt auch in der Natur vor, die Forscher mussten in den Proben also die winzigen Mengen an stabilem Ruthenium aus nuklearem Hintergrund vom natürlichen trennen. Überraschenderweise stellte sich heraus, dass der Anteil an nuklearem Ruthenium fast 80 Prozent ausmachte und somit einen eindeutigen Isotopen-Fingerabdruck ergab: Die Zusammensetzung entspricht der Signatur von abgebranntem AKW-Brennstoff – der Atomwaffenverdacht ist damit ausgeräumt.

Den Wissenschaftern ist es sogar gelungen, den Reaktortyp zu identifizieren, aus dem der Brennstoff stammt. "Wir sehen eine Übereinstimmung mit dem WWER 440, das ist ein Reaktortyp, der weltweit noch etwa 20-mal im Einsatz ist. WWER-440-Brennstoff wird auch in Majak wiederaufbereitet", sagt Steinhauser.

Riskante Wiederaufbereitung

In der zweiten Studie, die diese Woche im Fachblatt "PNAS" veröffentlicht wurde, konnte ein kanadisch-deutsch-österreichisches Forscherteam um Steinhauser die Unfallursache rekonstruieren: Eine riskante Vorgangsweise bei der Wiederaufbereitung des Brennstoffs führte demnach zu einer überschießenden Reaktion, die eine Explosion oder zumindest einen Brand auslöste.

"Bei der Wiederaufbereitung wird Brennstoff in Säure aufgelöst, dabei entsteht unter anderem eine hochradioaktive und äußerst reaktive gasförmige Ruthenium-Verbindung: Rutheniumtetroxid", erklärt Steinhauser. Dieses gefährliche Gas wird in Salzsäure eingeleitet, um es abreagieren zu lassen, und wird zu stabilem Rutheniumchlorid umgewandelt, das dann endgelagert werden kann.

Wie die Wissenschafter anhand der chemischen Spuren im Wiener Luftfilter nachweisen konnten, lief das im September 2017 aber anders ab: Da der verwendete Brennstoff viel frischer war als üblich, war er auch noch deutlich radioaktiver. Daher war auch die Gasphase viel radioaktiver und heißer, als sie in die Salzsäure eingeleitet wurde – und erzeugte dort eine thermische Reaktion, die das ohnehin labile Rutheniumgas möglicherweise zur Explosion brachte und so die radioaktive Wolke freisetzte.

Explosive Reaktion

Warum aber wurde überhaupt Brennstoff mit so kurzer Abklingzeit verwendet? "Die einzige Erklärungsmöglichkeit, die ich sehe, ist, dass es mit einer Bestellung für das europäische Neutrinoprojekt im italienischen Gran-Sasso-Labor zusammenhängt", sagt Steinhauser. Diesen Zusammenhang vermuten Forscher schon länger: Denn für ein Experiment wurde dort eine extrem radioaktive, aber sehr kompakte Quelle aus Cer-144 benötigt, ein Radionuklid, das ebenfalls aus abgebrannten Brennelementen hergestellt wird.

Um die Vorgaben der Neutrino-Forscher zu erfüllen, gab es kaum eine andere Möglichkeit: Der Brennstoff musste jünger und damit radioaktiver sein, als bei der Wiederaufbereitung üblich – sonst wären die für das Experiment erforderlichen Spezifikationen nicht machbar. Nachdem Frankreich den Auftrag abgelehnt hatte, ging die Bestellung nachweislich an Majak.

Im Dezember 2017, keine drei Monate, nachdem die rätselhafte radioaktive Wolke über Europa aufgetaucht war, wurde der Auftrag von Majak als nicht durchführbar storniert. Das Neutrino-Projekt wurde eingestellt. "Der Zusammenhang mit der Bestellung bleibt eine Hypothese, ergibt aber ein konsistentes Bild", sagt Steinhauser. "Ohne Grund würde keine Wiederaufbereitungsanlage einen Brennstoff weniger als zwei Jahre abklingen lassen." (David Rennert, 17.6.2020)