Auf der Suche nach einer Alternative zu Tritium

Im April 2023 wurden die letzten noch in Betrieb befindlichen Kernkraftwerke in Deutschland abgeschaltet. Die BfG kann damit künftig einen zuverlässigen Markierstoff ("Tracer") nicht mehr zu Forschungszwecken nutzen: Das Tritium.

Mit diesem konnten die BfG-Wissenschaftler die verschiedenen Prozesse im Wasser- und Stoffkreislauf eines Flusses nachvollziehen. Daher wurde die letzte Möglichkeit vor der Abschaltung genutzt, um unter natürlichen Bedingungen am Neckar zu untersuchen, wie sich der ebenfalls als Tracer geeignete Farbstoff Amidorhodamin G im Vergleich zum Tritium bei der Ausbreitung im Fluss verhält.

5:45 Uhr, Wasserkraftwerk Besigheim am Neckar, 7 Fluss-Kilometer flussaufwärts vom Kernkraftwerk (KKW) Neckarwestheim, wenige Tage vor Abschaltung des KKW: Es ist noch dunkel, als sich die beiden BfG-Wissenschaftler Dr. Svenja Sommer und Dr. Tim Scheufen die weißen Overalls überziehen. "Die rote Farbe ist zwar abwaschbar, aber wir wollen den Hautkontakt und das Einatmen des Pulvers beim Anmischen der Farbe vermeiden", erklärt die Physikerin Svenja Sommer.

Zuvor haben die beiden bereits alles vorbereitet: Auf einer Brücke, die über das Wasserkraftwerksbecken führt, stehen Kanister mit dem roten Markierstoff und zwei Wasserfässer. Der gesamte Bereich ist zum Schutz vor Verunreinigungen mit einer Plane abgedeckt. Jetzt vermischen die beiden den roten Farbstoff mit dem Wasser in den Fässern.

Bei dem eingesetzten Markierstoff, auch Tracer genannt, handelt es sich um Amidorhodamin G. Dieser für das Gewässer und den Menschen unschädliche, fluoreszierende Farbstoff ist noch in sehr geringen Konzentrationen im Flusswasser mit Fluoreszenzsonden nachweisbar. Zusammen mit anderen BfG-Wissenschaftler untersuchen Sommer und Scheufen am Neckar, wie sich der Farbstoff Amidorhodamin G im direkten Vergleich zu Tritium im Fluss verhält. Denn bei Neckarwestheim leitet das gleichnamige Kernkraftwerk im Routinebetrieb Tritium mit dem Kühlwasser, unter Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben, in den Fluss ein.

Eine ideale Punktquelle also, denn die genaue Konzentration und der Zeitpunkt der Einleitung sind hier bekannt. "Tritium ist aufgrund seiner Eigenschaften eigentlich ein idealer Markierstoff", erklärt die BfG-Umweltwissenschaftlerin Dr. Annika Linkhorst, die ebenfalls zum Forscherteam gehört. Tritium, eingebaut in ein Wassermolekül, reagiere nicht weiter in der Umwelt und werde daher als konservativer Tracer bezeichnet. "Durch das Abschalten der Kernkraftwerke in Deutschland steht uns aber dieser zuverlässige "Gratistracer" in Zukunft nicht mehr zur Verfügung", so Linkhorst.

Neuen Stoffen auf der Spur

Markierstoffe werden in der Hydrologie vielseitig eingesetzt und sind oft bei speziellen hydrologischen und hydrogeologischen Fragestellungen hilfreich, zum Beispiel wie sich Stoffe in Flüssen ausbreiten, wie hoch die Uferfiltrationsrate ist, wie viel Grundwasser neu gebildet wird oder wie Oberflächen- und Grundwasser in Verbindung stehen. Letzteres war übrigens auch Thema der Folge "Spurensuche" im BfG-Podcast "GewässerWissen". Den Versuch führen dabei die Referate für Hydrologische Grundsatzangelegenheiten, Hydrometrie und Gewässerphysik und für Radiologie und Gewässermonitoring gemeinsam durch.

6:00 Uhr, Wasserkraftwerk Besigheim am Neckar: Sommer und Scheufen haben den Farbstoff in den Wasserwannen anhand der wasserrechtlichen Erlaubnis für den Versuch so abgewogen, dass die Farbstoffmenge ein Zehntel der gerade pro Sekunde im Fluss fließenden Wassermenge beträgt.

Unmittelbar nachdem sich der Farbstoff mit dem Wasser im Wasserkraftwerksbecken vermischt hat, tritt die typische orange-rote Färbung des Wassers auf. Durch die Strömung gelangt der Farbstoff zu den Turbinen. Sommer und Scheufen nutzen jetzt den Vorteil des Wasserkraftwerks.

"Durch die Turbinen gelangt der Farbstoff gut durchmischt in den Neckar unterhalb des Kraftwerks. Dieser färbt das Wasser kurzzeitig orange-rot und fluoresziert unter Lichteinfall grünlich. Nach wenigen Kilometern Fließstrecke wird dann nichts mehr von ihm zu sehen sein", erklärt Hydrologe Tim Scheufen. Laut der zuvor bestimmten Fließgeschwindigkeit von 0,33 m / s rechnen die Forschenden mit dem Durchfluss des Farbstoffes am KKW Neckarwestheim in ca. 6 Stunden, wo nach Asprache mit den Betreibern zu diesem Zeitpunkt das Kühlwasser mit dem Tritium in den Neckar geleitet wird. Um 12 Uhr mittags beginnt also die gemeinsame Reise der beiden Tracer entlang des Neckars, der Startschuss für den direkten Vergleich von Tritium und Amidorhodamin G.

Knappes Wasser, überflüssige Schadstoffe

Die Ergebnisse des Markierungsversuchs, und somit der direkte Vergleich zwischen einem reaktiven organischen und einem konservativen radioaktiven Tracer, fließen sowohl in das Projekt FLUXAM ein, welches ein besseres Verständnis der Wasser- und Stoffflüsse des Rheins und seiner Zuflüsse zum Ziel hat, als auch in das vom BMBF geförderte Projekt TRACE. Dieses befasst sich unter anderem mit der Erhebung der Datengrundlage für die Kalibrierung und Validierung von mathematisch-hydrologischen und -hydrodynamischen Modellen, die die zeitliche und räumliche Verteilung der Stoffkonzentration in Flüssen simulieren.

Mithilfe der neuen Daten können die Modelle zuverlässigere Ergebnisse liefern. Im Falle einer unfallbedingten Gewässerbelastung kann so der Zeitpunkt des Eintreffens, die Dauer sowie die Maximalkonzentration einer Schadstoffwelle unterhalb eines angenommenen Unfallortes bestimmt werden. Ein Prognosewerkzeug erlaubt den betroffenen Unterliegern, im Alarmfall rechtzeitig Maßnahmen zur Vermeidung bzw. Minimierung von Folgeschäden in die Wege zu leiten.

9:45 Uhr, Yachthafen Bad Friedrichshall, 25 Fluss-Kilometer flussabwärts vom KKW: Dr. Annika Linkhorst bereitet den automatischen Wasser-Probenehmer für die erste Entnahme aus dem Neckar vor. Dieser nimmt Wasserproben alle 15 Minuten und mischt sie zu jeweils einer Stundenprobe in einer Plastikflasche. Insgesamt sind in dem Probenehmer 24 Flaschen installiert, die täglich gewechselt werden.

Sieben Messstellen, etwa alle 25 Flusskilometer eine, haben die BfG-Wissenschaftler entlang des Neckars vom KKW bis zur Mündung in den Rhein bei Mannheim aufgebaut. An den Stationen werden per Sonde vor Ort die Amidorhodamin G- und später im Labor die Tritiumkonzentration bestimmt. Insgesamt decken die Messstellen eine Strecke von 125 Flusskilometern ab. In spätestens 9 Tagen sollen dann beide Stoffe in Mannheim angekommen sein. Die Ergebnisse des Versuchs werden im Laufe des Sommers vorliegen und werden zeigen, ob Amidorhodamin G für die Untersuchungen in Oberflächengewässern eine gute Alternative zu Tritium darstellt oder ob weitere Alternativen gefunden werden müssen.

Quelle: Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG)