Entfernung der Radioaktivität aus Atommüll

Die Dekontaminierung radioaktiven Mülls ist schwierig und oft gefährlich, vor allem, wenn es sich um Uran handelt. Um das Problem lösen und sicher mit Atommüll umgehen zu können, muss Uran näher erforscht werden.

Die Partner des EU-geförderten Projekts UNCLE, das 2014 abgeschlossen wurde, konzentrierten sich auf die Verbesserung des Dekontaminierungsprozesses und verfassten zu diesem Zweck eine Studie darüber, wie Uran chemische Bindungen eingeht und welche Auswirkungen dies auf die Radioaktivität hat. Aus dieser Arbeit schlussfolgerten die UNCLE-Forscher, das Urannitride und Oxo-Komplexe im Wesentlichen gleich sind. Der einzige Unterschied besteht darin, dass ein einzelnes Stickstoffatom im Nitrid bei einem Oxo-Komplex ein Sauerstoffatom ist. Die Forscher erkannten, dass die Symmetrie der Komplexe und der Oxidationszustand der Uranionen sie zu idealen Systemen machten, aus denen man quantitative Modelle entwickeln konnte.

Das Problem ist jedoch, dass der Übergang von qualitativen zu quantitativen Ansätzen eine große Familie von Molekülen erfordert. Um diese Hürde zu überwinden, ermittelten die Forscher eine zuverlässige neue Methode zur Herstellung von Urannitridkomplexen, welche die Gewinnung einer großen Familie von Molekülen möglich macht.

Mit Arsenködern angeln

Mit dem im Projekt UNCLE entwickelten quantitativen Modell und dem Wissen, wie Elemente wie Thorium und Uran mit Elementen aus dem Periodensystem reagieren, entdeckten die Forscher, wie Arsenmoleküle eingesetzt werden können, um die giftigsten Elemente aus radioaktivem Atommüll „herauszuangeln“. Erkenntnissen zufolge, welche in Kürze in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht werden sollen, berichten die Forscher über erste Beispiele von Thorium mit Mehrfachbindungen zu Arsen, das unter Normalbedingungen in Mengen von mehreren Gramm existiert. Bevor man mit der Forschung begann, wurde dies nur im sehr kleinen Maßstab und bei Temperaturen, wie sie im interstellaren Raum herrschen (d. h. 3 bis 10 Kelvin), erreicht.

Das bedeutet, dass die Stilllegung von Kernkraftwerken bald sicherer und effektiver umgesetzt werden könnte und auch Hoffnung auf umweltfreundlichere Energieerzeugung besteht. „Durch Kernenergie entsteht weit weniger Kohlenstoffdioxid als durch fossile Brennstoffe, jedoch sind die resultierenden Abfälle lange Zeit radioaktiv und müssen entsprechend behandelt werden“, sagt die Forscherin Elizabeth Wildman. „Wir müssen das Volumen des Atommülls reduzieren, damit die Handhabung und Verarbeitung einfacher wird und man unkritische Elemente entnehmen oder hochradioaktiven von weniger radioaktivem Abfall trennen kann.“

Potenzial in schwachen Donatoratomen

Das oberste Ziel besteht darin, organische Moleküle einzusetzen, um selektiv Metallionen aus der „Suppe“ radioaktiver Abfälle zu extrahieren, die radioaktiveren und giftigen Anteile herauszuangeln und den Rest zurückzulassen. „Dafür muss man die chemischen Bindungen verstehen und wissen, wie sich die organischen Extrakte an die verschiedenen Metalle binden“, sagt Stephen Liddle, Projektkoordinator von UNCLE, der ebenfalls an den jüngsten Forschungsarbeiten beteiligt war. „Mithilfe dieses Wissens könnten wir dann eine Trennung erzielen, indem wir sie selektiv an eine Metallart binden und aus der Suppe entfernen.“

Laut Liddle gibt es zunehmend Gewissheit, dass dies am besten mit Molekülen erreicht wird, die über eine schwache Bindung zwischen Donator und Metall verfügen. „Arsen ist ein schwacher Donator, daher haben wir Modellkomplexe damit vorbereitet, um das Wesen der Bindung verstehen zu können“, erläutert er. „Hierbei haben wir Moleküle in Mengen von mehreren Gramm hergestellt, die unter Umgebungsbedingungen stabil sind und somit einfacher untersucht werden können.“

Mit dem neuen Wissen und dem Verständnis, dass die Forscher aus dieser neuesten Arbeit zu gewinnen hoffen, könnten die Ergebnisse des Projekts UNCLE bald in einem funktionsfähigen System angewandt werden.

Weitere Informationen:
CORDIS-Projektwebseite