Spurenanalyse von Uran und Plutonium sowie Speziationsuntersuchungen an Plutonium mit massenspektrometrischen und kapillarelektrophoretischen Methoden

Die Elemente Uran und Plutonium besitzen seit Entdeckung der Kernspaltung und der technischen Nutzung der Kernenergie eine globale Bedeutung. So trägt Pu hauptsächlich zur Radiotoxizität von abgebrannten Brennelementen bei und erfordert im Falle einer Endlagerung in einer tiefen geologischen Formation einen sicheren Verschluss für bis zu einer Million Jahre. Das Wissen über die vorliegenden chemischen Spezies ist dabei entscheidend für das Verständnis der chemisch-physikalischen Wechselwirkungen im jeweiligen geochemischen System, insbesondere mit dem Wirtsgestein (hier Ton) und den allgegenwärtigen Huminstoffen (hier Fulvinsäure). Längerfristig sind so Vorhersagen über einen Transport des hochradioaktiven Abfalls nach Auslaugung und Austritt aus einem Endlager bis in die Biosphäre möglich. Gerade der Ultraspurenbereich, im Fernfeld eines Endlagers zu erwarten, ist dabei von besonderem Interesse. Darüber hinaus machen nuklearforensische Untersuchungen – in Hinblick auf illegal benutztes Nuklearmaterial, Schmuggel oder Nuklearterrorismus – zur Bestimmung der Herkunft, des Alters oder der Radiotoxizität isotopenselektive Nachweismethoden im Ultraspurenbereich notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden hierfür die Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) zur isotopenselektiven Spuren- und Ultraspurenanalyse von U und Pu sowie die Kapillarelektrophorese (CE) gekoppelt an die induktiv gekoppelte Plasma (ICP)-Massenspektrometrie (CE-ICP-MS) zur Speziation von Pu eingesetzt. Für den isotopenselektiven Nachweis von Ultraspurenmengen von Uran mittels RIMS wurden vorbereitende Studien durchgeführt und mehrere zweifach resonante Anregungsleitern mit nicht-resonanter Ionisation untersucht. Eine Effizienz von ca. 10^-10 bei einer Nachweisgrenze von 10^12 Atomen U-238 konnte erzielt werden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Radiochemie, TU München, wurde mittels RIMS die Isotopenzusammensetzung von Plutonium, abgetrennt aus einem panzerbrechenden Urangeschoss aus dem Kosovokonflikt, bestimmt und dieses als Waffenplutonium mit einem Gehalt von 15 pg Pu-239/g Uran identifiziert. Rückschlüsse über Herkunft und Alter des Plutoniums konnten daraus gewonnen werden. Für Studien zur Umweltüberwachung von Plutonium in Rheinland-Pfalz wurden Grund-, Oberflächen- und Klärwasserproben mittels RIMS untersucht. Oberhalb der Nachweisgrenze von ca. 10^7 Atomen Pu-239/500 mL konnte kein signifikanter Gehalt bestimmt werden. Zusätzlich wurden Klärschlammproben untersucht, wobei in einer Probe 5,1*10^7 Atome Pu-239/g gemessen wurde, was auf eine Anreicherung von Pu im Klärschlamm aus großen Wasservolumina hindeuten könnte. Speziationsuntersuchungen von Plutonium in Kontakt mit Fulvinsäure und dem Tonmineral Kaolinit wurden in Hinblick auf die Wechselwirkungen im Umfeld eines nuklearen Endlagers durchgeführt. Die Redoxkinetik von Pu(VI) in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure zeigt eine mit steigendem pH zunehmend schnellere und vollständige Reduktion und ein vergleichbares Verhalten zur Huminsäure. Für ein Plutoniumgemisch aus allen vier umweltrelevanten Oxidationsstufen in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure konnte nach ca. 1 Monat Kontaktzeit eine fasst vollständige Reduktion zum tri- und tetravalenten Pu beobachtet werden. Sorptionsuntersuchungen der stabilsten Oxidationsstufe, Pu(IV), in Kontakt mit Kaolinit bei pH = 0 bis 13 im Konzentrationsbereich 10^-7 bis 10^-9 mol/L verdeutlichen das ausgeprägte Sorptionsverhalten von Pu(IV) (ca. 60% bis 90% Sorption) im umweltrelevanten pH-Bereich bei einem Einsetzen der Sorption bei pH = 0 bis 2. Im Rahmen des "Colloid and Radionuclide Retardation" (CRR) Experiments im Felslabor Grimsel, Schweizer Alpen, wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Nukleare Entsorgung, Karlsruhe, die kolloidgetragene Migration von Pu(IV) in einem Grundwasserstrom durch Scherzonen im Granitgestein unter umweltrelevanten Bedingungen untersucht. Bei Zugabe von im Grundwasser stabilen Bentonitkolloiden – Bentonit wird als ein geeignetes Verschlussmaterial für nukleare Abfälle erforscht – konnte ein erhöhter Transport des Pu(IV) beobachtet werden, der durch Sorption des Pu an die mobilen Kolloide hervorgerufen wird. Zur Speziation von Plutonium im Ultraspurenbereich wurde im Rahmen dieser Arbeit an der Entwicklung der Kopplung der CE mit der sehr sensitiven RIMS gearbeitet. Das Prinzip der offline-Kopplung basiert auf dem Sammeln der zu unterschiedlichen Zeiten am Ende der Kapillare eluierten Oxidationsstufen in einzelnen Fraktionen. Aus jeder Fraktion wird ein eigenes Filament hergestellt und mit RIMS auf seinen Plutoniumgehalt untersucht. Eine erste Validierung der Methode konnte durch Bestimmung der Oxidationsstufenzusammensetzung eines bekannten Gemischs erfolgreich für einen Gehalt von ca. 6*10^9 Atome Pu-239 durchgeführt werden. Dies stellt einen möglichen Zugang zu dem erwarteten Konzentrationsbereich im Fernfeld eines Endlagers dar.

Auswirkungen des Klimawandels auf die klein- und großräumige genetische Populationsstruktur von Makrozoobenthos in Rhein, Main und Mosel

In den letzten Jahrzehnten wurde eine deutliche, anhaltende Veränderung des globalen Klimas beobachtet, die in Zukunft zu einer Erhöhung der durchschnittlichen Oberflächentemperatur, erhöhten Niederschlagsmengen und anderen gravierenden Umweltveränderungen führen wird (IPCC 2001). Der Klimawandel wird in Flüssen sowohl mehr Extremereignisse verursachen als auch das Abflussregime bisher schmelzwasserdominierter Flüsse zu grundwassergespeisten hin ändern; dies gilt insbesondere für den Rhein (MIDDELKOOP et al. 2001). Um die möglichen Auswirkungen dieser Veränderungen auf die genetische Populationsstruktur von Makrozoobenthosorganismen vorhersagen zu können, wurden in den grundwassergespeisten Flüssen Main und Mosel sowie im Rhein Entnahmestellen oberhalb und unterhalb von Staustufen beprobt, die durch kontrastierende Strömungsverhältnisse als Modell für die zu erwartenden Änderungen dienten. Als Untersuchungsobjekt wurden Dreissena polymorpha PALLAS 1771 sowie Dikerogammarus villosus SOWINSKI 1894 herangezogen. Sie zeichnen sich durch hohe Abundanzen aus, sind aber unterschiedlich u.a. hinsichtlich ihrer Besiedlungsstrategie und –historie. Bei beiden Spezies sind die phylogeographischen Hintergründe bekannt; daher wurde auch versucht, die Einwanderungsrouten in der Populationsstruktur nachzuweisen (phylogeographisches Szenario). Dies konkurrierte mit der möglichen Anpassung der Spezies an das Abflussregime des jeweiligen Flusses (Adaptations-Szenario). Die Populationen wurden molekulargenetisch mit Hilfe der AFLP-Methode („Amplified-Fragment Length Polymorphism“) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass D. polymorpha deutlich durch die Abflussregimes der Flüsse (Schmelz- oder Grundwasserdominanz) beeinflusst wird. Die Allelfrequenzen in Populationen des Rheins sind von denen der beiden grundwassergespeisten Flüsse Main und Mosel deutlich unterscheidbar (Adaptations-Szenario). Jedoch ist kein Unterschied der genetischen Diversitäten zu beobachten; das ist auf die lange Adaptation an ihre jeweiligen Habitate durch die lange Besiedlungsdauer zurückzuführen. Dies ist auch der Grund, warum die Einwanderungsrouten anhand der Populationsstruktur nicht mehr nachzuweisen waren. Die kontrastierenden Strömungsverhältnisse um die Staustufen hatten ebenfalls keine konsistenten Auswirkungen auf die genetische Diversität der Populationen. Diese Ergebnisse zeigen eine hohe phänotypische Plastizität der Spezies und dadurch eine große Anpassungsfähigkeit an wechselnde Umweltbedingungen, die unter anderem für den großen Erfolg dieser Spezies verantwortlich ist. D. villosus wanderte erst vor Kurzem in das Untersuchungsgebiet ein; die Einwanderungsroute war anhand der genetischen Diversität nachvollziehbar (phylogeographisches Szenario); durch die kurze Besiedlungsdauer war eine Adaptation an die divergenten Abflussregime der Flüsse nicht zu erwarten und wurde auch nicht gefunden. Dagegen war ein deutlicher negativer Einfluss von starker Strömung auf die genetische Diversität nachweisbar. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die zukünftigen Auswirkungen des Klimawandels auf die Strömungsgeschwindigkeit negative Konsequenzen auf die genetische Diversität von D. villosus haben werden, während D. polymorpha hier keine Auswirkungen erkennen lässt. Die Auswirkungen des veränderten Abflussregimes im Rhein sind für D. villosus mit den vorliegenden Daten aufgrund der kurzen Besiedlungsdauer nicht vorhersagbar; D. polymorpha wird durch die Veränderung des Rheins zu einem grundwassergespeisten Fluss zwar einen Wandel in der genetischen Struktur erfahren, aber auch hier keine Einbußen in der genetischen Diversität erleiden.

Untersuchung von Einflussfaktoren zur Ortsbruststabilität und Vortriebsgeschwindigkeit beim Tunnelbau im Rheinischen Schiefergebirge

Zusammenfassung Der ca. 1.555 m lange Tunnel Fernthal wurde von 1998 bis 2000 im Zuge der Bundesbahn-Neubaustrecke Köln – Rhein/Main erstellt. Der Tunnel durchquert devonische Schichten des Rechtsrheinischen Schiefergebirges. Die Ton- und Sandsteine sind tiefgründig verwittert, intensiv verfaltet mit wechselnden Vergenzen der Faltenschenkel und zudem stark durch Trennflächen zerlegt. Beim Auffahren des Tunnel Fernthal sind Phänomene in Bezug auf die Wechselwirkung zwischen dem Grundwasser und dem Tunnel sowie dem Fels und dem Tunnel beobachtet worden, die vom Verfasser der vorliegenden Arbeit im Nachgang der Baumaßnahme vertieft ausgewertet und interpretiert werden.Innerhalb von zwanzig strukturgeologischen Homogenbereichen wurden die geotechnisch und strukturgeologisch bestimmenden Einflussfaktoren (z.B. ungünstig zum Hohlraum einfallende Schichtung oder Querklüftung mit hohem Durchtrennungsgrad) im Hinblick auf Ihre Auswirkung auf die Sicherung der Ortsbrust und damit die Vortriebsgeschwindigkeit quantifiziert. Über das Produkt der den Vortrieb bestimmenden Einzelfaktoren wurde für den jeweiligen Homogenbereich ein Gesamteinflussfaktor errechnet.Aus dem neu eingeführten Gesamteinflussfaktors fn gesamt lassen sich dabei Empfehlungen über die notwendigen Sicherungsmaßnahmen im Bereich der Ortsbrust ableiten und Einteilungen in Ausbruchsklassen vornehmen. Über die Bewertungsmatrix und den sich daraus ergebenen Gesamteinflussfaktor können reduzierte Vortriebsgeschwindigkeiten ausgehend von einer 'idealen' Vortriebsgeschwindigkeit näherungsweise errechnet werden. Mithilfe der Bewertungsmatrix lässt sich die bautechnischen Eigenschaften des Gebirges besser bewerten. So zeigt sich im Rahmen dieser Arbeit deutlich, dass es bei einem vergenten Faltengebirge günstiger ist, den Tunnel gegen die Vergenz von Faltenschenkeln aufzufahren. Somit können schon im Vorfeld einer Tunnelbaumaßnahme verschiedene Vortriebsschemata durchrechnet werden. Neben der besseren Prognose von notwendigen Sicherungsmaßnahmen kann durch den Zeitgewinn auch ein finanzieller Vorteil für die Beteiligten entstehen.