Ruthenium-Wolke über Europa: Die Spur führt nach Russland

Die erste Meldung kam aus Mailand: Am 2. Oktober 2017 fand ein italienisches Labor im Luftfilter einer Messstation radioaktives Ruthenium-106 in ungewöhnlich hohen, wenn auch nicht gesundheitsgefährdenden Mengen. Ruthenium selbst zählt zu den seltensten nicht-radioaktiven Elementen, sein radioaktives Isotop Ruthenium-106 entsteht bspw. durch Kernspaltung in Brennelementen. In den Tagen nach der ersten Entdeckung durch die Italiener folgten entsprechende Befunde aus fast allen europäischen Ländern. Ein Schock für Expertinnen und Experten, wie Georg Steinhauser von der Leibniz Universität Hannover berichtet: "Uns war schnell klar, dass es einen größeren Zwischenfall gegeben haben muss." Als möglicher Unfallort deutete nach erster Sichtung der Radioaktivitäts- und Wetterdaten alles auf die südrussische Nuklearanlage Majak hin, vor allem unter Berücksichtigung der Luftströmungen im betreffenden Zeitraum.

Ruthenium-Konzentrationen über Europa
Die Karte zeigt die gemessenen Durchschnittskonzentrationen des Ruthenium-106 verteilt über Europa. (Grafik: Georg Steinhauser/PNAS)

Diesen Verdacht kann ein europäisches Forschungsteam um Prof. Dr. Georg Steinhauser und Dr. Olivier Masson vom französischen Institut für Strahlenschutz und nukleare Sicherheit (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, IRSN), nun erhärten. An ihrer Studie, die in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins PNAS veröffentlicht wurde, sind insgesamt 69 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 64 Forschungseinrichtungen, Wetterdiensten und Behörden beteiligt. Sie haben Luftfilter- und Bodenproben analysiert, mehr als 1.300 Daten gesammelt, akribisch ausgewertet und zusätzlich meteorologische Modelle verfeinert. So konnten sie die Entstehungsgeschichte der strahlenden Wolke in vielen Details rekonstruieren – ganz wie Kriminalisten den Ablauf eines Verbrechens

Übersicht über Luftfilter
In diesen und weiteren Luftfiltern wurde das radioaktive Material gefunden. (Foto: Georg Steinhauser)

Schnelligkeit ist gefragt – sonst sind alle Spuren verwischt

Bei der Spurensicherung kam es aufs Tempo an. "Radioaktives Ruthenium zerfällt sehr schnell", erklärt Georg Steinhauser. "Ruthenium-106 hat eine Halbwertszeit von nur 372 Tagen. Das heißt, dass es in Filtern mit geringer Kontamination bereits nach wenigen Monaten nicht mehr nachweisbar gewesen wäre. Die Halbwertszeit von Ruthenium-103, das wir ebenfalls in kleinen Mengen gefunden haben, beträgt sogar nur 39 Tage." Deshalb freut sich der Chemiker noch heute, dass die VolkswagenStiftung die Untersuchungen "ausgesprochen kurzfristig und unkompliziert" unterstützte. Nur drei Wochen lagen zwischen Antragstellung Anfang November 2017, der Bewilligung und der Freigabe der Gelder. In ihrer Förderinitiative "Offen – für Außergewöhnliches" unterstützt die Stiftung solch außergewöhnliche und gewagte Vorhaben, für die sich – nicht nur auf die Schnelle – kein anderer Geldgeber finden lässt.

INES Skala
Auf der INES-Skala werden sicherheitsrelevante Ereignisse, insbesondere die Sicherheit von Kernkraftwerken betreffende, eingruppiert.

Alle Untersuchungsergebnisse von Steinhauser und seinem Team deuten klar darauf hin, dass zwischen dem 25. und dem 26. September 2017 in der Nuklearanlage Majak radioaktives Ruthenium freigesetzt wurde. Die berechnete Aktivität des Stoffes vor Ort: 250 Terabecquerel. "So eine Freisetzung müsste wohl auf Stufe 5 der siebenteiligen Internationalen Bewertungsskala für nukleare und radiologische Ereignisse INES eingeordnet werden", sagt der Wissenschaftler. In diese Kategorie der "ernsten Unfälle" fallen Atomunfälle wie der 1957 im britischen Nuklearkomplex Windscale bei Sellafield oder der 1979 im Kernkraftwerk Three Mile bei Harrisburg in den USA. Ob Menschen vor Ort gefährdet waren, ist ungeklärt. Denn: Die russische Regierung bestreitet, dass es überhaupt eine Freisetzung in der Gegend um die Anlage Majak gab.

Forschungsergebnisse widerlegen offizielle Verlautbarungen

Den offiziellen Widersprüchen zum Trotz lassen sich mithilfe wissenschaftlicher Methoden neben Ort und Zeit auch Art und Ursprung des Unfalles sehr genau eingrenzen: Er muss sich in einem späten Stadium der Wiederaufarbeitung von Brennstäben ereignet haben, als andere radioaktive Stoffe schon abgetrennt worden waren, denn die Forscherinnen und Forscher fanden in allen Luftfilterproben ausschließlich Ruthenium. Ihre Daten untermauern außerdem einen Verdacht zur Unfallursache, den französische IRSN-Forscherinnen und -Forscher bereits Anfang 2018 im Fachmagazin Science äußerten: Sie vermuten, dass bei der Herstellung von radioaktivem Cer-144 etwas schiefgelaufen ist. Cer zählt zu den Metallen der Seltenen Erden, sein Isotop Cer-144 war von einem italienisch-französischen Wissenschaftlerteam bei Rosatom, dem Betreiber der Majak-Anlage, für ein Neutrino-Forschungsprojekt in Italien bestellt worden. Rosatom konnte das bestellte Material jedoch nicht liefern und stornierte den Auftrag seinerseits im Dezember 2017 – also rund drei Monaten nach der Ruthenium-Freisetzung.

Ruthenium bei spektroskopischen Messungen
Die Filterstücke wurden u. a. spektroskopischen Messungen unterzogen. (Foto: Georg Steinhauser)

"Wir haben ausgerechnet, dass für die Herstellung von Cer-144 mit der gefragten hohen Aktivität nur Brennstäbe infrage kommen, die maximal zwei Jahre abklingen konnten – statt wie üblich mindestens drei Jahre", erklärt Steinhauser. Und tatsächlich betrug das "Alter nach Bestrahlung" des in den Luftfiltern gefundenen Rutheniums zwischen anderthalb und zwei Jahren. Die Forscherinnen und Forscher konnten das Alter aus dem Mengenverhältnis von Ruthenium-106 und dem schneller zerfallenden Ruthenium-103 ermitteln. "Die hohe Aktivität des nur kurz abgeklungenen Brennstoffs könnte in Zusammenhang mit hohen Temperaturen eine Explosion ausgelöst haben", vermutet Steinhauser. Zumal gerade bei einem der letzten Aufarbeitungsschritte in diesem Prozess gasförmiges Rutheniumtetroxid entstehe, das leicht hätte entweichen können und mit organischen Verbindungen bereits bei Raumtemperatur explosiv reagiert – oder sich bei etwas über 100 °C von alleine explosiv zersetzt.

Andere Auslöser ausgeschlossen

Nicht zuletzt kann die Studie von Steinhauser und seinen Kolleginnen und Kollegen alle bisher geäußerten Alternativtheorien zur Unfallursache widerlegen. Zum Beispiel, dass ein Satellit mit radioaktiven Ruthenium-Batterien an Bord beim Eintritt in die Erdatmosphäre verglüht sei und so die strahlende Wolke verursacht haben könnte. "Dann hätte sich die Wolke von oben nach unten ausbreiten müssen. Wir haben aber genau das Gegenteil gefunden", erklärt Steinhauser. Auch Ruthenium-106-haltige Strahlungsmedikamente gegen Augentumore scheiden als Ursache aus. "Selbst, wenn man die ganze Weltjahresproduktion dieser Medikamente auf einen Schlag freisetzen würde, könnte das die freigesetzte Menge nicht erklären", betont der Forscher.

Georg Steinhauser erklärt bei Herrenhausen Late, wie sich freigesetzte radioaktive Partikel detektieren und sich der Verursacher ihrer Freisetzung aufspüren lassen (Foto: Isabel Winarsch für VolkswagenStiftung).
Georg Steinhauser berichtete bei Herrenhausen Late, einer Veranstaltungsreihe der VolkswagenStiftung, davon, wie sich freigesetzte radioaktive Partikel detektieren und sich so die Verursacher ihrer Freisetzung aufspüren lassen. (Foto: Isabel Winarsch für VolkswagenStiftung)

Ebenfalls nicht haltbar sei der Verdacht, der Unfall müsse sich in Rumänien ereignet haben, weil dort besonders hohe Werte gemessen worden seien. "Hier wurden die Luftfilter einfach häufiger gewechselt und das Ruthenium wurde deshalb weniger durch unbelastete Luft verdünnt. Nach Bereinigung der Daten deutet alles auf die Region um Majak hin."

Für Steinhauser ist der Fall damit aber noch nicht abgeschlossen. Derzeit nimmt er die stabileren Ruthenium-Isotope aus den Luftfilterproben unter die Lupe, um daraus Rückschlüsse auf die Art des aufbereiteten Brennstoffs zu ziehen. Und er will einen mutmaßlichen Augenzeugenbericht prüfen. "Ein Pilot, der in der Region unterwegs war, hat am Horizont eine grüne Wolke beobachtet. Und das könnte tatsächlich Luftsauerstoff gewesen sein, der durch die hohe Strahlungsaktivität am Unfallort ionisiert und angeregt wurde", sagt der Chemiker. Ob das stimmen kann, will er mit seinen Studierenden als Nächstes ausrechnen.
 

Förderinitiative "Offen – für Außergewöhnliches"

Für Projektideen, die ein außergewöhnliches Forschungsdesign verfolgen, visionäre Anstöße in die Wissenschaft geben oder für deren Akzeptanz die Neutralität eines privaten Förderers wichtig erscheint, gibt es das Angebot "Offen – für Außergewöhnliches". Hier fördert die Stiftung herausragende Ideen außerhalb vorgegebener Raster, quer zu Disziplinen und zum Mainstream.