Kosmische Strahlen durchleuchten Endlager

Sogenannte Myonen wurden bereits verwendet, um Pyramiden zu durchleuchten. Nun hoffen Physiker, mit einem ähnlichen Verfahren neuartige Nukleardetektoren zu entwickeln.

Diese Elementarteilchen sind geladen wie Elektronen, doch bei gleicher Ladung haben sie eine über 200 Mal größere Masse: Sogenannte Myonen entstehen, wenn kosmische Strahlen auf die obere Atmosphäre unseres Planeten treffen. Mindestens ein Mal pro Quadratzentimeter und Minute erreichen sie die Erdoberfläche. Die 1936 vom amerikanischen Physiker Carl David Anderson erstmals beschriebenen Partikel sind mehr als eine akademische Kuriosität. Sie lassen sich auch für eine Anzahl interessanter Anwendungen nutzen.

Aufgrund ihrer enormen Masse können sie dichtes Material gut durchdringen, beispielsweise Gestein. In den 60er Jahren platzierte der Nobelpreisträger Luis Alvarez deshalb Myonendetektoren in einer Kammer unter der zweiten Chephron-Pyramide in Ägypten, um zu messen, wie stark die Teilchen aus verschiedenen Richtungen auftrafen.

Die Idee des Physikers: Er wollte die Pyramide "röntgen", um nach versteckten Kammern innerhalb der Struktur zu suchen. Bis 1969 fand er keine Beweise dafür, dass es solche Kammern gab – zumindest in den 20 Prozent der Pyramide, die er direkt untersuchen konnte.

Myonen werden besonders von schweren Elementen wie Uran oder Plutonium abgelenkt, was es erlaubt, diese Materialien durch eine Analyse der Myonenbahnen zu detektieren. Entsprechend gab es bereits Vorschläge aus der Wissenschaft, die Teilchen zu nutzen, um beispielsweise nach versteckten Lagern mit waffenfähigem Plutonium Ausschau zu halten oder Uran in Schiffscontainern aufzufinden.

Das Problem bei dieser Idee ist allerdings, dass sich so ähnlich wie bei einer Röntgendarstellung nur ein Schattenbild ergibt. Das schränkt wiederum die Informationsmenge ein, die sich aus einem dreidimensionalen Objekt ablesen lässt.

Guy Jonkmans vom kanadischen Nuklearforschungsinstitut AECL hat nun eine neue Methode entwickelt, dreidimensionale Bilder aus Myonenereignissen zu generieren. Mit dem Verfahren sollen sich detaillierte Aufnahmen der Inhalte eines Atommülllagers anfertigen lassen.

Die Idee: Die Bahn der Myonen wird gleich zweimal gemessen – einmal beim ersten Auftreffen und anschließend wiederum, wenn die Teilchen den Bereich verlassen haben. Dazu müssen Detektoren sowohl auf als auch unter dem zu untersuchenden Bereich platziert sein. Das erlaubt eine Detektion der Myonenumlenkung durch schwere Atomkerne in drei Dimensionen.

So kann ein 3-D-Bild aller Strukturen angefertigt werden, die aus schweren Elementen bestehen. Jonkmans und sein Team haben ihr Verfahren bereits an Containern mit abgebrannten Brennstäben getestet und konnten zeigen, dass es erstaunlich gut funktioniert.

Die Entwicklung könnte sich künftig als sehr praktisch erweisen: Die Nuklearbranche kämpft schon seit Jahren damit, eine genaue Aufstellung der Zusammensetzung bestehender Altlagerstätten zu erstellen. Niemand weiß beispielsweise, was genau in im Atommüll der amerikanischen Hanford Site steckt – die Bücher sind entweder verloren gegangen oder wurden erst gar nicht adäquat geführt. Und konventionell lässt sich hier nichts mehr prüfen – das wäre zu gefährlich. ()