Lumineszenzstudie von Strahlenschäden in Mineralen

Für die sichere Endlagerung hochradioaktiver Stoffe, die beim Rückbau von Atomwaffen, bei der Nutzung von Atomkraftwerken oder bei medizinischen Anwendungen anfallen, wird neben dem Verfahren der Vitrifizierung (Verkapselung in Spezialgläsern) seit Jahren auch die Immobilisierung in kristallinen Keramiken diskutiert. Letzteres Verfahren birgt den Vorteil einer wesentlich sichereren Lagerung radioaktiver Stoffe über geologische Zeiträume und Bedingungen. Derartige Keramiken entsprechen zum großen Teil natürlich vorkommender akzessorischer Minerale, die radioaktive Elemente wie die Aktiniden Uran und Thorium in die Kristallstruktur einbauen. Der radioaktive Zerfall der Aktiniden führt zu Stoßprozessen auf atomarer Ebene, welche die reguläre kristalline Umgebung zerstören. Über geologische Zeiträume kann es durch die Anhäufung von Strahlenschäden daher zum teilweisen oder vollständigen Verlust der kristallinen atomaren Ordnung in diesen Mineralen kommen, welches negative Auswirkungen auf die chemisch-physikalische Resistenz des Materials hat. Die Mineralogie als materialbezogene Geowissenschaft widmet sich seit geraumer Zeit diesem Prozess (Metamiktisierung). Mineralogische Studien an natürlichen Analoga, wie Zirkon, Monazit, Titanit, Pyrochlor oder Zirkonolit, tragen daher wesentlich zur Einschätzung der geologisch- langfristigen Eignung dieser Phasen für die Immobilisierung radioaktiver Aktiniden bei. Eine bedeutende Herausforderung besteht weiterhin in der quantitativen Charakterisierung des Strukturzustandes (Kristallinität) derartiger Phasen mit einer hohen Ortsauflösung im Mikrometerbereich. Eine mögliche, vergleichsweise wenig kostenintensive, schnelle, bildgebende und zerstörungsfreie Methode für diesen Zweck stellt die Seltenerd-basierte Lumineszenzspektroskopie dar, dessen Eignung für diesen Zweck in diesem Projekt untersucht werden soll. Seltenerdelemente (SEE) werden typischerweise neben den Aktiniden ebenfalls in geringen Mengen in der Kristallstruktur akzessorischer Minerale eingebaut. Diese Elemente zeigen vergleichsweise schmale Lumineszenzbanden die von der strukturellen Umgebung der SEE-Kationen abhängig sind und daher als strukturelle, atomare Sonden dienen können. Es ist bekannt, dass eine zunehmende strukturelle Unordnung, wie z.B. bei der Akkumulation von Strahlenschäden, eine Verbreiterung dieser Banden zur Folge hat. In diesem Projekt soll systematisch die Verbreiterung geeigneter Lumineszenzbanden mit zunehmender Strahlenschädigung untersucht werden, um die Lumineszenzspektroskopie zur Quantifizierung dieser zu etablieren. Zu diesem Zweck sollen kontrolliert Strahlenschäden mit Hilfe von Schwerionenbestrahlungsexperimenten in ausgewählten, wichtigen Mineralphasen erzeugt werden. Die Erkenntnisse aus dieser Studie sind potentiell auch den Geowissenschaften von Nutzen: Die Quantifizierung von über geologische Zeiträume akkumulierten Strahlenschäden in Mineralen erlauben Auskunft über mögliche thermische Ereignisse in ihrer geologischen Vergangenheit. Ein Vergleich mit dem aufgrund der chemischen Konzentration der Aktininden und dem geologischen Alter der Probe zu erwartenden Schädigung mit dem tatsächlich vorhandenen Schädigungsgrad erlaubt Aussagen über eine potentielle thermische Einwirkung auf die Mineralphasen, welche üblicherweise zur teilweisen oder vollständigen Ausheilung von Strahlenschäden in Mineralen führt.

Für die sichere Endlagerung hochradioaktiver Stoffe, die beim Rückbau von Atomwaffen, bei der Nutzung von Atomkraftwerken oder bei medizinischen Anwendungen anfallen, wird neben dem Verfahren der Vitrifizierung (Verkapselung in Spezialgläsern) seit den späten 70ern auch die Immobilisierung in kristallinen Keramiken diskutiert. Letzteres Verfahren birgt den Vorteil einer wesentlich sichereren Lagerung radioaktiver Stoffe über geologische Zeiträume und Bedingungen. Derartige Keramiken entsprechen zum großen Teil natürlich vorkommender akzessorischer Minerale, die radioaktive Elemente wie die Aktiniden Uran und Thorium in die Kristallstruktur einbauen. Der radioaktive Zerfall der Aktiniden führt zu Stoßprozessen auf atomarer Ebene, welche die reguläre kristalline Umgebung zerstören. Über geologische Zeiträume kann es durch die Anhäufung von Strahlenschäden daher zum teilweisen oder vollständigen Verlust der kristallinen atomaren Ordnung in diesen Mineralen kommen. Dies hat in der Regel negative Auswirkungen auf die chemisch-physikalische Resistenz des Materials. Die Mineralogie als materialbezogene Geowissenschaft widmet sich seit geraumer Zeit diesem Prozess ("Metamiktisierung"). Mineralogische Studien an natürlichen Analoga, wie Zirkon, Monazit, Titanit, Pyrochlor oder Zirkonolit, tragen daher wesentlich zur Einschätzung der geologisch-langfristigen Eignung dieser Phasen für die Immobilisierung radioaktiver Aktiniden bei. In Zusammenarbeit mit dem ANSTO in Sydney, Australien (Australian Nuclear Science and Technology Organization), einem der bedeutendsten Nuklearforschungseinrichtungen weltweit, wurde in diesem Projekt ein neuartiges Verfahren entwickelt, um Schädigungen dieser wichtiger Materialphasen quantitativ zu charakterisieren. Eine besondere Herausforderung dabei ist den strukturellen Zustands des Materials und dessen Kristallinität mit einer hohen Ortsauflösung im Mikrometerbereich zu erfassen. Dafür wurde die laser-basierte Lumineszenzspektroskopie der Seltenen Erden als mögliche, vergleichsweise wenig kostenintensive, schnelle, bildgebende und zerstörungsfreie Methode weiterentwickelt. Seltenerdelemente (SEE) werden typischerweise neben den Aktiniden wie Uran und Thorium ebenfalls in geringen Mengen in der Kristallstruktur akzessorischer Minerale eingebaut. Die Lumineszenz dieser Elemente ist vergleichsweise stark von der strukturellen Umgebung der SEE-Kationen abhängig und können daher als strukturelle, atomare Sonden dienen. Ergebnisse basierend auf dieser weiterentwickelten Methode sind nicht nur für Materialwissenschaftler von Belang, welche die Eignung bestimmter Immobilisierungs-Keramiken untersuchen, sondern auch für Geowissenschaftler. Über den radioaktiven Zerfall von Uran- und Thorium-Isotopen zu Blei werden die geologischen Alter akzessorischer Minerale wie Zirkon bestimmt. Einer der Grundvoraussetzungen für die Funktionalität dieser 'geologischen Uhr' ist die Stabilität der Mineralphase gegenüber ihrer Selbstbestrahlung, welche mit der entwickelten Methode begutachtet werden kann.