Kernchemie

Die Kernchemie, auch Nuklearchemie (englisch nuclear chemistry) genannt, ist der Teil der Chemie, der sich mit radioaktiven Stoffen beschäftigt, insbesondere der Kernbrennstoffe. Sie befasst sich vor allem mit den wissenschaftlich-technischen Aspekten in der Kerntechnik und der Nutzung von Kernenergie. Dazu zählen die Methoden und Verfahren der Radiochemie sowie deren technische Anwendungen, beispielsweise Probleme im Kernbrennstoffkreislauf wie die Entsorgung und Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen.

Geschichte

Die Kernchemie ergänzt die Radiochemie in einigen Bereichen, die erst nach den ersten Jahrzehnten der Untersuchungen hinzukamen. Die Arbeitsgebiete überschneiden sich teilweise, es gibt aber auch Schwerpunktsetzungen. Die Kernchemie basiert auf dem Wissen über Radioaktivität und ionisierende Strahlung sowie deren Messtechnik (Radiometrie).

Arbeitsgebiete der Kernchemie

Typische Arbeitsgebiete der Kernchemie sind:

Chemie der Erzaufbereitungsprozesse
Chemie der nichtnuklearen und nuklearen Materialien
Chemie der Kernbrennstoffe (Th, U, Pu) und Brennelementeherstellung
Extraktions- und Reinigungsprozesse, z. B. Lösungsmittelextraktion
Isotopentechnik, Isotopentrennung und Chemie vgl. Urananreicherung
Metallurgie der Kernbrennstoffe (chemische und physikalische Eigenschaften)
Materialwissenschaften der nichtnuklearen und nuklearen Materialien
Chemie der Kernreaktorsystemen, z. B. Reaktorregelung, Kinetik, Isotopengehalt
Chemie der Korrosion von nichtnuklearen und nuklearen Materialien
Prozesse des Kernbrennstoffkreislaufs inkl. Chemie der Wiederaufarbeitung und radioaktiver Abfälle

Angrenzende Fachgebiete

Chemie der Trennungsverfahren (Separation), vgl. auch Extraktion
Dosimetrie
Kernmaterialüberwachung bzw. Kernmaterialsicherheit
Kernreaktoren bzw. Kernreaktorkinetik
Kernfusionsmaterialien
Radioökologie
Reaktionskinetische Studien
Reaktorsicherheit
Strahlenphysik
Strahlenschutz

Weitere angrenzende Wissenschaften, d. h. Anwendungsbereiche der Kernchemie, sind die medizinische Diagnostik, Nuklearmedizin und Umweltanalytik. Die Physik der Kernspaltung ist ein eigenständiges, physikalisches Fachgebiet und befasst sich mit den Mechanismen, die zu dieser Kernreaktion gehören. Radiochemische Analysen haben die Spaltung radioaktiver Kerne nachgewiesen und untersuchen auch die Spaltprodukte, die die resultierenden radioaktiven Elemente nach einer Kernspaltung darstellen. Eine scharfe Abgrenzung der Fachgebiete Radiochemie und Kernchemie ist nicht möglich. In beiden Fällen sind Labortätigkeiten erforderlich. Ein Beispiel für den Aufgabenbereich der Kernchemie ist die Errichtung kerntechnischer Anlagen und Verfahren.

Kernchemische Grundlagenforschung

Zerfallsreihen

Beim Kernzerfall eines Nuklids entsteht oft kein stabiles Zerfallsprodukt, sondern ein ebenfalls radioaktives Nuklid. Das bedeutet, dass selbst aus einem isotopenreinen Element mit der Zeit ein Gemisch mehrerer Elemente entsteht. Die von einem solchen Gemisch ausgehende Strahlung ist naturgemäß schwerer zu identifizieren als diejenige eines einzelnen Elements. Durch eine chemische Trennung der Elemente voneinander können anschließend die einzelnen Elemente anhand ihrer Strahlung identifiziert werden. Auch lässt sich dadurch der Reaktionsmechanismus klären, also in welcher Reihenfolge die verschiedenen Zerfallsarten erfolgen. Das Ergebnis ist eine Zerfallsreihe. Die Kernchemie ermöglicht damit die Zuordnung der Strahlung zu einem bestimmten Nuklid.

Äußere Einflüsse auf Halbwertszeit

Im Fall des radioaktiven Zerfalls durch Elektroneneinfang gibt es messbare Einflüsse äußerer Bedingungen wie Aggregatzustand, Druck oder chemischer Bindung auf die Halbwertszeit, denn die Zerfallsrate hängt hier neben den inneren Eigenschaften des Mutterkerns auch von der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen am Ort des Kerns ab.

Ein seit dem Ende der 1940er Jahre diskutierter Fall ist der EC-Zerfall des Be-7 zu Li-7. T. Ohtsuki und Kollegen untersuchten die Halbwertszeit von radioaktivem Be-7 zum einen in Be-Metall und zum anderen in C₆₀-Käfigen (Buckminster-Fulleren). Sie fanden die Halbwertszeiten 52,68 ± 0,05 Tage (Metall) und 53,12 ± 0,05 Tage (C₆₀), d. h. eine Differenz von 0,83 %.

Unter extremen Druckverhältnissen, wie sie in den äußeren Schichten von Neutronensternen oder kurzzeitig während Teilchenkollisionen in irdischen Teilchenbeschleunigern auftreten, sind auch sonst instabile, neutronenreiche Eisenisotope stabil.

Fortführung des Periodensystems

Bei den Elementen mit Ordnungszahlen größer etwa 100 könnten durch quantenmechanische Effekte Umordnungen im Periodensystem auftreten. Es ist daher ein aktuelles Forschungsthema der Kernchemie, die chemischen Eigenschaften der schwersten bisher synthetisierten Elemente zu ermitteln. Dabei müssen physiko-chemische Experimente mit teilweise nur einem Atom durchgeführt werden. Die schwersten bisher untersuchten Elemente (Dubnium, Seaborgium, Bohrium) zeigen noch keine fundamentalen Änderungen gegenüber ihren Homologen (Ta, W, Re).

Literatur

Fachbücher

B. R. T. Frost, M. B. Waldron: Reaktorwerkstoffe (= Kerntechnik in Einzeldarstellungen (Nuclear Engineering Monographs). Band 7). Vieweg+Teubner Verlag (Temple Press), Wiesbaden 1959, ISBN 978-3-663-03984-6, doi:10.1007/978-3-663-05430-6.
Roland Lindner: Kern- und Radiochemie. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1961, ISBN 978-3-642-87163-4, doi:10.1007/978-3-642-87162-7.
G. Friedlander, Joseph W. Kennedy: Lehrbuch der Kern- und Radiochemie. Karl Thiemig, München 1961.
Manson Benedict, Thomas H. Pigford, Hans Wolfgang Levi: Nuclear Chemical Engineering (= McGraw-Hill Series in Nuclear Engineering). 2. Auflage. McGraw-Hill, New York 1981, ISBN 978-0-07-004531-6 (englisch, archive.org).
R. J. M. Konings, R. E. Stoller: Comprehensive Nuclear Materials. 2nd Auflage. Elsevier, San Diego, CA 2020, ISBN 978-0-08-102866-7 (englisch, sciencedirect.com).

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