Diese Methode bietet eine schnellere und kostengünstigere Alternative zu den derzeitigen Ansätzen, die oft komplex und teuer sind. Diese Arbeit wurde am 2. September 2024 in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Tritium (3H), Krypton-85 (85Kr) und Kohlenstoff-14 (14C) gehören zu den am häufigsten von der Kernindustrie freigesetzten radioaktiven Gasen bei der Stromerzeugung oder dem Recycling radioaktiver Abfälle [1].
Obwohl diese Radionuklide [2] kein erhebliches Risiko darstellen, ist ihre präzise Messung ein entscheidender Indikator zur Überwachung des sicheren Betriebs von Kernkraftwerken und zur Unfallvermeidung. Diese Radionuklide gehören jedoch zu denjenigen, deren radioaktiver Zerfall nicht mit der Emission von Gammastrahlung einhergeht. Sie sind reine Betastrahler und erfordern spezifische Nachweismethoden.
Derzeit basieren die eingesetzten Technologien auf Gas-Flüssigkeits- und Gas-Gas-Gemischen, sind jedoch teuer und komplex. Sie erlauben keine schnelle Unterscheidung der Radionuklide, erzeugen Abfälle und sind für einige der analysierten radioaktiven Gase sehr ineffizient.
Die Forschungen von Wissenschaftlern des Instituts Lumière Matière (CNRS/Universität Claude Bernard Lyon 1), des Labors für Chemie der ENS Lyon (CNRS/ENS Lyon/Universität Claude Bernard Lyon 1) und des Nationalen Henri-Becquerel-Labors (CEA) haben zur Entwicklung einer zuverlässigen, kostengünstigen Echtzeit-Detektionstechnologie auf Basis eines Gas-Feststoff-Gemisches geführt.
Diese basiert auf der Synthese eines Aerogels von etwa einem Zentimeter Dicke und einigen Zentimetern Durchmesser, bestehend aus Nanopartikeln scintillierender Materialien mit einer Größe von etwa 5 Nanometern. Dieser Verbundwerkstoff besitzt eine ultraporöse Struktur, die nur aus 15 % Feststoff besteht und zugleich transparent ist, ähnlich einem Schwamm.
Diese besondere Architektur ermöglicht es den Gasen, leicht zu diffundieren. Wenn das Gas in die Szintillationskammer eintritt und mit dem Aerogel in Kontakt kommt, wandelt dieses die bei der Elektronenemission während des Zerfalls der Radionuklide freigesetzte Energie in sichtbares Licht um. Dieser Lichtblitz wird sofort von einem hochsensiblen Detektionssystem erfasst, das in der Lage ist, jedes Photon nahezu sofort zu messen.
Die detaillierte Analyse dieser Lichtemissionen ermöglichte es, eine innovative Methode zu entwickeln, um Betastrahlung unterschiedlicher Energien in Echtzeit zu unterscheiden und zu messen, wie etwa die von Tritium und Krypton-85 in einer Gasprobe. Diese Erkenntnisse wurden sowohl theoretisch als auch experimentell durch hochmoderne Experimente mit radioaktiven Gasen entwickelt und validiert. Die erzielten Nachweisraten betragen 20 % für Tritium und fast 100 % für Krypton. Darüber hinaus wird der anorganische Szintillator nicht durch radioaktive Gase kontaminiert, was ihn wiederverwendbar macht und die Abfallproduktion im Gegensatz zu anderen Techniken auf ein Minimum reduziert.
Dieser neue Ansatz zur Detektion radioaktiver Gase ermöglicht eine breite Anwendung von Sensoren zur Überwachung zivilen Kernaktivitäten. Die Methode könnte auf andere beta-emittierende Radionuklide ausgeweitet werden, die ebenfalls entscheidend für die Überwachung von Gebieten sind, wie Kohlenstoff-14 (14C), Xenon-133 (133Xe) und Argon-37 (37Ar), wodurch die Anwendungsmöglichkeiten auf zivile, medizinische und militärische Bereiche ausgeweitet werden könnten.
Diese Entdeckung ist Teil des europäischen Projekts SPARTE [3] und wurde durch mehrere Patente geschützt.
Anmerkungen:
[1] Im Durchschnitt 400 Terabecquerel (d. h. 400 x 1012 Becquerel) pro Gigawatt elektrische Leistung, pro Jahr bei der Stromproduktion.
[2] Atom mit instabilem Kern.
[3] Finanziert durch die Europäische Union im Rahmen des Horizon 2020 FET - OPEN Programms.