Einfluss des Hochwassers 2013 auf die Urankontamination entlang der Mulde

Die ehemalige DDR, genauer das Gebiet des westlichen Erzgebirges und dessen Vorland, war zur Zeit des Warschauer Paktes der weltweit viertgrößte Uranproduzent und bedeutendster Uranlieferant der damaligen UdSSR. Diese seit der Wiedervereinigung beendete Tätigkeit hat zu großen Kontaminationen geführt, insbesondere entlang der Zwickauer Mulde, welche die ehemaligen Uranbergbaugebiete im sächsischen Erzgebirge entwässert. Untersuchungen von 2008 [Bis12], [Rie12] haben gezeigt, dass der Uranbergbau bis heute Einfluss auf das Flusssystem ausübt, wie sich in den Urangehalten des Wassers widerspiegelt. So steigt der Urangehalt des Wassers beim Durchfließen des Uranbergbaugebietes auf den zwölffachen Wert an. Beim Zusammenfluss mit der uranbergbaulich unbeeinflussten Freiberger Mulde, fällt der Urangehalt im Wasser, des nun Vereinigten Mulde genannten Flusses, auf weniger als die Hälfte; siehe Abbildung 1 [Bis10].

<br />Abbildung 1: Urangehalt des Flusswassers der Mulde entlang des Flusslaufes

Die uranbergbaulich unbelasteten Bereiche zeigen dabei Urangehalte (6,2 mBq/L, was etwa 0,25 g/kg entspricht), die für deutsche Oberflächenwasser als normal zu bezeichnen sind und z.B. auch in der Leine bei Hannover zu finden sind. Wenngleich der uranbergbauliche Einfluss deutlich erkennbar ist, ist die radiologische Bedeutung gering und auch die erhöhten Urangehalte liegen noch unter dem vom Umweltbundesamt empfohlenen Höchstwert in Trinkwasser von 10 µg/L [Bis10]. Der größte Teil der als Folge der Uranbergbauaktivitäten freigesetzten Mengen an Uran und seinen Tochternukliden wurden an Sedimente gebunden abgeschieden. Im Falle von Hochwassern können diese allerdings mobilisiert werden und Agrarflächen kontaminieren. Ein solches Hochwasser trat in Sachsen im Mai und Juni 2013 mit teils über 60 Millimeter Niederschlag in 12 Stunden auf. Am Morgen des 31. Mai schwollen viele Flüsse, einschließlich der Mulde, an und traten über die Ufer. Die maximalen Pegelstände entlang der Zwickauer Mulde lagen größtenteils sogar über denen von 2002. Abbildung 2 gibt einen Eindruck von der Höhe der Flut. Ziel des laufenden Projektes ist daher, die Verlagerungen der durch den Uranbergbau eingetragenen Radionuklide entlang des Muldesystems nach den Flutereignissen zu erfassen. Hierzu werden die Radionuklidgehalte in Flusssedimenten und Auenböden entlang der Mulde untersucht und mit den Ergebnissen aus vorangegangenen Projekten [Bis12], [Rie12] verglichen. Zur Messung wird die Gamma-Spektrometrie eingesetzt; hierbei wird ein Teil der beim Kernzerfall auftretenden Strahlung, die sogenannte Gamma-Strahlung, zum Nachweis genutzt.

<br />Abbildung 2: Schwemmgut in den Bäumen lässt erkennen, wie hoch der Wasserstand war. Im Hintergrund ist die Vereinigte Mulde zu sehen.
Abbildung 3: Lage des Untersuchungsgebietes und Probenahmestellen

Abbildung 3 zeigt das Untersuchungsgebiet. Die Zwickauer Mulde trägt die Hauptkontamination, da sie das Zentrum des erzgebirgischen Uranbergbaus bei Aue entwässert und auch an der ehemalige Uranerzaufbereitungsanlage Crossen bei Zwickau vorbeifließt. Die Mulde ist der europäische Fluss mit der höchsten mittleren Fließgeschwindigkeit. In Verbindung mit einem regenreichen Einzugsgebiet bewirkt dies ein extremes Hochwasserpotential. Dadurch kommt es zu regelmäßigen Überschwemmungen der relativ ebenen Auenflächen. Dort verringert sich die Fließgeschwindigkeit des Wassers und es lagern sich radionuklidhaltige Sedimente ab, unter anderem auch auf landwirtschaftlich genutzten Flächen.

Abbildung 4: Uranaktivitäten in Auenböden entlang der Mulde

Abbildung 4 zeigt die Uranaktivität im Oberboden der untersuchten landwirtschaftlich genutzten Auenflächen entlang der Mulde. Diese wurde zur Beurteilung der Nutzbarkeit gemäß der empfohlenen Richtwerte der Strahlenschutzkommission [SSK91] herangezogen. 80 % der untersuchten Flächen entsprechen in ihrer Nutzung der Empfehlung. Bei zwei Flächen ist eine Überschreitung der für diese Nutzung empfohlenen Aktivität festzustellen. Da auf diesen Flächen Getreide angebaut wird und aufgrund der Vertriebswege in der heutigen Agrarindustrie eine Verdünnung der Radionuklidgehalte anzunehmen ist, sind auch diese Flächen unproblematisch. Eine dahingehende Änderung der SSK-Empfehlung ist angedacht [Bis12].

Der Vergleich mit Untersuchungen von 2008 zeigt generell große Übereinstimmungen. Viele Aspekte die bei der Untersuchung 2008 gefunden wurden, deuten sich auch im Rahmen dieser Arbeit an. So sind auf Grünlandflächen generell höhere Aktivitäten zu beobachten auf als auf Ackerlandflächen. Dies zeigt auch Abbildung 3, wobei die Grünlandfläche etwa bei Flusskilometer 140 eine Besonderheit darstellt. Die Fläche war sehr stark durch das Hochwasser betroffen. Es wurden große Mengen Kies aufgespült, während radionuklidhaltiger Boden fortgespült wurde. Dies spiegelt sich in einer deutlichen Abnahme der Radionuklidgehalte verglichen mit 2008 wider. Auch die Aktivitäten sind ähnlich, wobei etwa 64 % der Messwerte mit denen aus 2008 vereinbar sind. Jedoch ist zu beobachten, dass die überwiegende Mehrzahl der Messwerte geringere Aktivitäten zeigt, wenngleich die Abnahmen an sich oft nicht signifikant sind.

Störungen radiochemischer Gleichgewichte erlauben Rückschlüsse auf Herkunft und Transport der gefundenen Radionuklide. Die natürlichen Radioelemente Uran und Thorium zerfallen nicht direkt in ein stabiles Isotop sondern über eine Reihe von Radionukliden unterschiedlicher Elemente mit unterschiedlichem chemischem Verhalten. In einem abgeschlossenen System bildete sich gemäß dem Zerfallsgesetz ein radiochemisches Gleichgewicht zwischen dem Ursprungsnuklid, welches als Mutter bezeichnet wird, und den Zerfallsprodukten, welche als Töchter bezeichnet werden, um den generischen Zusammenhang zu betonen. Uranerze stellen z. B. ein solches abgeschlossenes System dar. Wird das Material nun einem offenen System wie der Umwelt ausgesetzt führen Wechselwirkungen z.B. mit Luftsauerstoff und Wasser zu Störungen dieses Gleichgewichtes indem z.B. leichter lösliche Stoffe ausgewaschen werden. Hierbei spielt die aquatische Chemie der Radionuklide eine wichtige Rolle. In der Natur ist Uran als Gemisch aus drei verschiedenen radioaktiven Isotopen vorzufinden. Den Hauptanteil bildet das U-238 mit 99,27 %, sowie U-235 mit 0,7200 % und U-234 mit 0,0055 % (jeweils Stoffmengenprozent). U-238 und U-235 sind jeweils Ausgangsnuklid einer der drei natürlichen Zerfallsreihen. Die dritte geht aus dem Th-232 hervor. Das kurzlebigere U-234 entsteht aus dem Zerfall des U-238. Wird nun U-238 im Überschuss gegenüber seiner Tochter Ra-226 gefunden, deutet dies auf eine Anreicherung von Uran, z.B. durch Fällung oder Absorption gelösten Urans, hin. Ist hingegen Ra-226 im Überschuss, kann dies für eine Radiumanreicherung oder Uranauswaschung sprechen. Sind beide weitgehend im Gleichgewicht, deutet dies auf einen Transport von Erzpartikeln, wobei das Gleichgewicht kaum gestört wird. Auch das Verhältnis der natürlichen Zerfallsreihen erlaubt Rückschlüsse. So konnte für die untersuchte Region nachgewiesen werden, dass das Aktivitätsverhältnis der Nuklide der Thorium-Zerfallsreihe zu den Nukliden der U-238-Zerfallsreihe unter Berücksichtigung der natürlichen Schwankungen 0,5 nicht unterschreitet [Mic05]. Verhältnisse kleiner 0,5 können daher als Nachweis eines uranbergbaulichen Einflusses betrachtet werden; und tatsächlich zeigen fast alle untersuchten Proben ein Aktivitätsverhältnis kleiner 0,5 und damit einen uranbergbaulichen Einfluss. Ebenso ist in allen Proben ein Uranüberschuss gegenüber seinen Töchtern festzustellen.

Auffällig ist, dass die größten Aktivitätsabnahmen bei eher gut löslichen Radionukliden festzustellen sind. So sind von allen Radionukliden der U-238-Zerfallsreihe für U-238 die größten Aktivitätsrückgänge zu beobachten. Auch für die gut löslichen Radionuklide K-40 und Cs-137 ist ein genereller Trend der Aktivitätsabnahme erkennbar. K-40 ist ein natürliches Radionuklid des Kaliums. Cs-137 ist anthropogen und auf Einträge aus Fall-Out aufgrund des Tschernobyl-Unfalls und oberirdischer Kernwaffentest zurückzuführen. In der uranbergbaulich unbeeinflussten Thorium-Zerfallsreihe ist eine gegenüber 2008 größere Störung zwischen den Radionukliden Th-228 und Ra-228 festzustellen, hin zu einer leicht erhöhten Th-228-Aktivität. All die beschriebenen Aspekte können ein Indiz für eine längere Auslaugung des Bodens darstellen, wie sie bei einer länger andauernden, großflächigen Überflutung vorkommt. Insofern könnten diese Tendenzen als Folge des Hochwassers gewertet werden.

Literatur

[Bis10]        S. Bister, F. Koenn, M. Bunka, J. Birkhan, T. Lüllau, B. Riebe, R. Michel (2010) Uranium in water of the Mulde River Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Volume 286, Number 2, Page 367 – 372

[Bis12]        S. Bister: Radioökologische Untersuchungen landwirtschaftlich genutzter Auen der Mulde zu den Folgen des ehemaligen Uranbergbaus (2012), Dissertation

[Mic05]       Michel, R.; Feuerborn, J.; Knöchel, A.; Miller, F.; Ritzel, S.; Treutler, H.-C.; von Tümpling, W.; Wanke, C.: Radionuclides in the Mulde River System after the August-2202 Flood, Acta hydrochim. hydrobiol. 33/5, S. 492 ­506 (2005)

[SSK91]      Strahlenschutzkomission (SSK): Strahlenschutzgrundsätze für die Nut­zung von durch Uranbergbau kontaminierten Flächen zu forst-und Landwirtschaftlichen Zwecken sowie als Grünanlage (Parkanlage) und Wohngebiet, Empfehlung der Strahlenschutzkomission, Bundesanzeiger Nr. 227 (1991)

[Rie12]        Riebe, B. und Bister, S.: Abschlussbericht zum Projekt Transport und Verfügbarkeit von Uran und langlebigen Zerfallprodukten in Auenböden der Mulde (2012)