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Spurenanalyse im BfS
- Mit hochempfindlichen physikalischen Messsystemen ist es dem BfS möglich, geringste Spuren radioaktiver Stoffe in der Luft festzustellen.
- Dabei kann genau unterschieden werden, ob die nachgewiesenen radioaktiven Spuren natürlichen oder künstlichen Ursprungs sind.
- Diese Untersuchungen werden als Spurenanalyse bezeichnet und dienen unter anderem zur Überprüfung des weltweiten Stopps von Atomwaffenversuchen.
Aufgaben und Ziele der Spurenanalyse des BfS sind es,
- geringste Mengen radioaktiver Stoffe in der Luft nachzuweisen sowie
- deren Herkunft, Verteilung und Transport in der Umwelt zu untersuchen und
- kurz- und langfristige Änderungen auf niedrigstem Aktivitätsniveau verfolgen zu können.
Gesetzliche Grundlagen
Gesetzliche Grundlagen für die Untersuchungen im Rahmen der Spurenanalyse sind
- das Strahlenschutzvorsorgegesetz (StrlVG) mit den Messprogrammen zur AVV-IMIS,
- der EURATOM-Vertrag sowie
- der Vertrag zur Überwachung des Kernwaffenteststoppabkommens (CTBT) und
- das Strahlenschutzgesetz (StrlSchG), das im Juli 2017 in Kraft trat und nach einer Übergangszeit das StrlVG und die Strahlenschutzverordnung ersetzen wird.
Die Messergebnisse werden von der Leitstelle Spurenanalyse im BfS zusammengefasst und an das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU), die Internationale Atomenergieorganisation (International Atomic Energy Agency, IAEA) sowie an die Europäische Union (EU) berichtet.
Die Ergebnisse werden sie im Ereignisfall (zum Beispiel bei einem Unfall in einem Kernkraftwerk) zusätzlich im System der elektronischen Lagedarstellung des Notfallschutzes (ELAN) bereitgestellt.
Luftstaubsammler der Spurenanalyse auf dem Dach der BfS-Dienststelle in Freiburg
Luftproben
An der Messstation Schauinsland und in Freiburg werden Luftstaub- und Edelgasproben genommen und in den Spurenanalyselaboren am Standort Freiburg aufbereitet und gemessen.
Die Luftstaub- und Edelgasproben werden kontinuierlich – in der Regel jeweils über eine Woche – gesammelt. Bei Bedarf (zum Beispiel nach dem Unfall in Fukushima) werden Niederschlagsproben genommen und auf Radionuklide untersucht. Darüber hinaus werden Edelgasproben aus aller Welt im Edelgaslabor in Freiburg analysiert.
Labore
Gammaspektrometrielabor
- Spuren radioaktiver Stoffe im Luftstaub werden mit Hilfe der Gammaspektrometrie nachgewiesen.
- Die hierfür benötigten Proben werden mit Hochvolumensammlern genommen, der Sammelzeitraum beträgt in der Regel eine Woche.
Gammaspektrometrielabor
Ziel der Messungen ist die Bestimmung der Aktivitäten und Aktivitätskonzentrationen der verschiedenen gammastrahlenden Radionuklide, die aus der Luft auf Filtern abgeschieden wurden.
Für die Suche nach radioaktiven Spuren werden im Gammaspektrometrielabor der Dienststelle Freiburg Luftstaubproben gemessen, die mit Hochvolumensammlern
- an der Messstation auf dem Schauinsland und
- auf dem Dach der Dienststelle in Freiburg
genommen werden. Hierfür wird die Luft mit einem Durchsatz von 700 bis 900 Kubikmetern pro Stunde über großflächige Aerosol-Filter gesaugt. Die Staubpartikel mit den anhaftenden Radionukliden werden auf diesen Filtern abgeschieden.
Verfahren
Besaugter Aerosolfilter
Die Filter werden nach Ende der Sammelzeit (in der Regel eine Woche) zu Tabletten gepresst. Um auch noch kleinste Mengen von Radionukliden nachweisen zu können, werden die Tabletten mit hochempfindlichen Reinstgermaniumdetektoren über mehrere Tage hinweg gemessen. Bleiabschirmungen dienen hierbei zur Reduzierung der überall vorhandenen Umgebungsstrahlung, die die Messung stören kann.
Typische Nachweisgrenzen für die Aktivitätskonzentration von Cäsium-137 liegen bei circa 0,1 Mikrobecquerel pro Kubikmeter Luft.
Nicht alle Radionuklide können anhand der Gammastrahlung identifiziert werden. Radionuklide wie zum Beispiel Strontium-90 oder Plutonium müssen zunächst radiochemisch abgetrennt und für die jeweilige Messung entsprechend aufbereitet werden. Dies erfolgt in der Regel jeweils monatsweise im Radiochemielabor der Dienststelle Freiburg.
Gepresster Filter auf dem Detektor
Die Überwachung von radioaktiven Spuren am Luftstaub ist unter anderem ein Bestandteil der Messprogramme nach AVV-IMIS und des EURATOM-Vertrags.
Messungen außerhalb des Akkreditierungsumfangs
Gasförmiges Jod
Gasförmiges Jod kann nicht auf Luftstaubfiltern abgeschieden werden. Um dieses Jod nachweisen zu können, wird es an die Oberfläche eines festen Stoffes (zum Beispiel Aktivkohle) angelagert. Die dabei entstandene Probe wird gammaspektrometrisch untersucht.
Niederschlagsproben
Bei Bedarf (zum Beispiel nach dem Unfall in Fukushima) werden an der Dienststelle in Freiburg sowie an der Messstelle auf dem Schauinsland Niederschlagsproben genommen und auf Radionuklide untersucht. Diese Proben enthalten die mit dem Niederschlag aus der Luft ausgewaschenen Radionuklide.
Edelgaslabor
Die radioaktiven Isotope der Edelgase Xenon (zum Beispiel Xenon-133) und Krypton (Krypton-85) spielen eine wichtige Rolle
- bei dem Nachweis von verdeckten nuklearen Aktivitäten wie unterirdischen Kernwaffentests sowie
- als Indikator für die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen (auch zur Produktion von Plutonium für Kernwaffen).
- Das BfS unterstützt mit seinem Labor die Vertragsorganisation zur Überwachung des Kernwaffenteststoppabkommens (CTBTO) als "Support Labor" beim Aufbau eines Qualitätssicherungsystems für das Edelgasmessnetz der CTBTO.
Edelgaslabor
Das BfS nimmt wöchentlich Luftproben
- in Freiburg,
- auf dem Schauinsland und
- bei Bremgarten gegenüber dem französischen Kernkraftwerk Fessenheim.
An derzeit weltweit weiteren acht Probeentnahmestationen werden in Zusammenarbeit mit anderen Institutionen Proben für die Analyse im Edelgaslabor des BfS gesammelt. Hierzu werden die Proben an den Probenahmestellen so aufbereitet, dass sie in Druckdosen oder Gasbehältern an das Edelgaslabor verschickt werden können.
Verfahren
Eine Edelgasprobe wird für die Aktivitätsmessung aufgearbeitet
Im Edelgaslabor wird die Luftprobe mittels eines gaschromatographischen Verfahrens analysiert; das heißt, das Gasgemisch wird in seine einzelnen chemischen Bestandteile getrennt.
Die Aktivitäten der Krypton- und Xenonanteile werden jeweils mit Hilfe von Messungen der Beta-Strahlung mit Proportionalzählrohren bestimmt. Die Gasvolumina der jeweils analysierten Krypton- beziehungsweise Xenonanteile werden anschließend gaschromatographisch ermittelt.
Nachweisgrenze
Typische Nachweisgrenzen des Messsystems liegen für die Aktivitäten von Krypton-85 bei zirka 0,03 Becquerel und bei zirka 0,01 Becquerel für Xenon-133.
Edelgaslabor des BfS unterstützt CTBTO
Das BfS unterstützt mit seinem Labor die Vertragsorganisation zur Überwachung des Kernwaffenteststoppabkommens (CTBTO) als "Support Labor" beim Aufbau eines Qualitätssicherungsystems für das Edelgasmessnetz der CTBTO.
Im Rahmen dieser Aufgaben betreibt das Edelgaslabor ein nuklidspezifisches Xenon-Messsystem, dessen Akkreditierung geplant ist.
Radiochemielabor
Radiochemielabor
An den Messstationen Schauinsland und in Freiburg gesammelte Luftstaubproben werden zunächst im Gammaspektrometrielabor ausgewertet. Danach werden sie im Radiochemielabor mit speziellen Methoden aufbereitet, um Strontium, Uran und Plutonium einzeln abzutrennen.
Verfahren
Um eine möglichst niedrige Nachweisgrenze zu erreichen, werden jeweils vier bis fünf Wochenproben zu Monatsproben zusammengefasst und verascht. Aus der Asche dieser Proben werden die Aktivitätskonzentrationen der oben genannten Nuklide bestimmt.
Hierfür wird die Probenasche mit Säure versetzt und in einem speziell dafür vorgesehenen Mikrowellengerät aufbereitet. Anschließend werden die zu bestimmenden Nuklide mittels radiochemischem Analyseverfahren abgetrennt und auf Filtern beziehungsweise Edelstahlplättchen abgeschieden.
Filterproben werden im Radiochemielabor aufgearbeitet
Die Strontiumisotope werden mit einem Low-Level alpha/beta Messplatz gemessen. Dabei handelt es sich um ein Messsystem, mit dem kleinste Aktivitäten von Alpha- und Beta-Strahlern nachgewiesen werden können.
Die Messung der Uran- und Plutoniumisotope erfolgt nach der elektrochemischen Abscheidung auf Edelstahlplättchen in einem Alphaspektrometer.
Nachweisgrenzen
Mit dem beschriebenen Verfahren werden Nachweisgrenzen von
- 1 Mikrobecquerel pro Kubikmeter Luft für Strontium-89,
- 0,03 Mikrobecquerel pro Kubikmeter Luft für Strontium-90 sowie
- 0,0005 Mikrobecquerel pro Kubikmeter Luft für die Isotope Uran-234, Uran-235, Uran-238, Plutonium-238, Plutonium-239 und Plutonium-240
erreicht.
Stand: 16.02.2018