Weissbuch Radiochemie Schweiz - Chemie radioaktiver Substanzen zum Nutzen der Gesellschaft: Ein interdisziplinäres Forschungsgebiet mit Zukunft
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Vol. 15, No. 4, 2020
akademien-schweiz.ch
Weissbuch Radiochemie Schweiz
Chemie radioaktiver Substanzen zum Nutzen der Gesellschaft:
Ein interdisziplinäres Forschungsgebiet mit Zukunft
IMPRESSUM Herausgeberin und Kontakt Akademie der Naturwissenschaften Schweiz (SCNAT) • Plattform Chemie Haus der Akademien • Laupenstrasse 7 • Postfach • 3001 Bern • Schweiz +41 31 306 93 30 • chemistry@scnat.ch • chem.scnat.ch Zitiervorschlag Alberto R, Burger M, Gäggeler H (2020) Weissbuch Radiochemie Schweiz. Swiss Academies Reports 15 (4). Autoren Prof. Dr. Roger Alberto, Universität Zürich • Dr. Mario Burger, Labor Spiez Prof. em. Dr. Heinz Gäggeler, Universität Bern / Paul Scherrer Institut Beitragende Prof. Dr. Sergey Churakov, Universität Bern / Paul Scherrer Institut • Dr. Robert Eichler, Paul Scherrer Institut Dr. Pascal Froidevaux, CHUV Lausanne • PD Dr. Cristina Müller, Paul Scherrer Institut • Prof. Dr. Roger Schibli, Paul Scherrer Institut / ETH Zürich • Dr. Dorothea Schumann, Paul Scherrer Institut • Dr. Marietta Straub, CHUV Lausanne Prof. Dr. Sönke Szidat, Universität Bern • Prof. Dr. Andreas Türler, Universität Bern • Dr. Nicholas P. van der Meulen, Paul Scherrer Institut Lektorat Adrian Heuss (advocacy) • Dr. Leo Merz (SCNAT) Auftraggeber Präsidium der Plattform Chemie Prof. Dr. Christophe Copéret, ETH Zürich • Prof. Dr. Christian Bochet, Universität Freiburg • Prof. Dr. Thomas Bürgi, Universität Genf • Prof. Dr. Catherine Housecroft, Universität Basel • Dr. Klemens Koch, PH Bern Prof. Dr. Laura Nyström, ETH Zürich • Prof. Dr. Shana Sturla, ETH Zürich • Prof. Dr. Oliver Wenger, Universität Basel Layout Sandra Schwab, Bern Titelfoto Roger Schibli Dieser Bericht kann gratis bei der Plattform Chemie bezogen (solange vorrätig) oder unter chem.scnat.ch/Radiochemie heruntergeladen werden. 1. Auflage, 2020 ISSN (print): 2297-1564 ISSN (online): 2297-1572 DOI: 10.5281/zenodo.4147524 Das vorliegende Weissbuch richtet sich an wissenschaftspolitische Gremien wie das Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI), den Schweizerischen Nationalfonds (SNF), swissuniversities und den ETH-Rat, sowie die Direktorien von Chemieinstituten resp. Departementen und naturwissenschaftlichen Fakultäten an schweizerischen Hochschulen. Einen detaillierteren Überblick für Fachpersonen wird die geplante Ausgabe 12/2020 zu «Radio- und Nuklearchemie» des Fachjournals Chimia bieten (www.chimia.ch).
Weissbuch Radiochemie Schweiz
Chemie radioaktiver Substanzen zum Nutzen der Gesellschaft:
Ein interdisziplinäres Forschungsgebiet mit Zukunft
2 Weissbuch Radiochemie Schweiz Inhaltsverzeichnis Vorwort������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 3 Zusammenfassung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������4 Radiochemieausbildung in der Schweiz: Vom Ist- zum Soll-Zustand����������������������������������������������������������������������� 7 Ist-Zustand: Radiochemie in der Schweiz vor ungewisser Zukunft���������������������������������������������������������������������������8 Soll-Zustand: Spitzenforschung erhalten, künftigen Bedarf an Fachkräften abdecken�������������������������������9 Optionen, um den Soll-Zustand zu erreichen������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������10 Radiochemische Forschung in der Schweiz����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 13 Geschichte der Radiochemie in der Schweiz�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 14 Laufende radiochemische Forschungsaktivitäten in der Schweiz��������������������������������������������������������������������������� 15 Radiochemische Grundlagenforschung mit schwersten Elementen des Periodensystems�������������������16 Radioanalytik����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������18 Radioanalytik in den Ämtern der Eidgenossenschaft (Bund)��������������������������������������������������������������������������������������18 Radioanalytik am Paul Scherrer Institut (PSI)�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������22 Radiochemische Analysen, Radioökologie und Langzeitüberwachungen der Umwelt (GRE) des Instituts de Radiophysique (IRA)���������������������������� 24 Radioanalytik mittels Beschleunigermassenspektrometrie���������������������������������������������������������������������������������������� 25 Radiopharmazie���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 26 Konzepte der Radiopharmazeutischen Forschung������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 26 Produktion und Anwendungen von Radionukliden in der Nuklearmedizin������������������������������������������������������� 28 Koordinationschemische und organometallische Grundlagenforschung mit Radionukliden���������������� 28 Radiopharmazeutische Forschung���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 30 Weitere ausgewählte Beispiele radiopharmazeutischer Forschung am PSI������������������������������������������������������32 Radioanalytische Analysen im Bereich der Radiopharmazie und Radiotoxikologie (GCR) am Institut de Radiophysique (IRA)������������������������������������������������������������������������������������������33 Aufnahme von radioaktiven Stoffen: Radiotoxikologie����������������������������������������������������������������������������������������������������33 Forschung zur sicheren Entsorgung von Radionukliden����������������������������������������������������������������������������������������������� 34 Geologische Tiefenlagerung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 34 Tiefenlager Radiochemie���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������35 Kompetenzzentren in der Schweiz������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������35 Hauptautoren��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 36 Weitere Autorinnen und Autoren��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������37 Abkürzungsverzeichnis����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 39
Swiss Academies Reports, Vol. 15, Nr. 4, 2020 3 Vorwort Seit ihrer Entdeckung verursachen radioaktive Elemen- Der vorliegende Bericht gibt einen Überblick über die be- te (Radioelemente), ob natürliche oder synthetische, eine stehende Expertise in der Schweiz auf diesem Gebiet. Er ständige Debatte über «Nukleares» in unserer Gesell- zeigt die Stärken auf, etwa auf dem Gebiet der Entwick- schaft. Die Radiochemie, das Teilgebiet der Chemie, das lung von Analyseverfahren zur Detektion und Überwa- sich mit der Analyse und Anwendung dieser radioaktiven chung von Radioelementen in der Umwelt, der Synthe- Elemente beschäftigt, hat in der Schweiz starke und inter- se und Trennung neuer Radioelemente im Rahmen der national anerkannte Kompetenzen entwickelt. Bundesrat Grundlagenforschung, aber auch für angewandte Zwecke und Parlament haben zwar entschieden, langfristig aus wie beispielsweise diagnostische und therapeutische Me- der Kernenergie auszusteigen und die Kernenergie nicht dizin. Der Bericht weist weiter auf zukünftige Herausfor- im Rahmen des Energiewandels zu nutzen. Nichtsdesto- derungen hin, insbesondere auf die Tatsache, dass wir trotz befinden wir uns in einem nuklearen Zeitalter. Die auch in Zukunft radiochemische Kompetenzen benöti- instabilen, radioaktiven Elemente zeigen durch ihre Ra- gen, um die gesellschaftlichen Herausforderungen zu be- dioaktivität sowohl schädliche Eigenschaften für Mensch wältigen, sei es im Bereich der Energie, der Umwelt oder und Umwelt, aber auch zahllose Möglichkeiten, bildge- der Gesundheit. bende Verfahren und medizinische Behandlungen zu ent- wickeln, die unsere Gesundheit verbessern. Es ist daher Christophe Copéret unerlässlich, dass die Schweiz auch in Zukunft starke Präsident der Plattform Chemie/ETH Zürich Kompetenzen in der Radiochemie sowohl in der Lehre als auch in der Forschung besitzt und zielorientiert wei- terentwickelt.
4 Weissbuch Radiochemie Schweiz
Zusammenfassung
Radiochemie ist ein Spezialgebiet der Chemie, das sich genannten Hotlabor die schweizweit einzige Einrichtung,
mit den Grundlagen und den Anwendungen radioaktiver in der hochradioaktive Proben wie bestrahlte Brennstäbe
Nuklide, sowie deren chemischen Verbindungen befasst. von Kernkraftwerken in «heissen Zellen» mit Manipu-
Isotope sind Atome eines Elements gleicher Protonenzahl, latoren untersucht werden können. Das PSI ist auch das
aber mit unterschiedlicher Neutronenzahl im Atomkern. einzige Institut der Schweiz, das eine Vielzahl von Be-
Rund ein Drittel der momentan 118 bekannten Elemente schleunigern betreibt, mit denen radioaktive Nuklide her-
kommen ausschliesslich in Form radioaktiver Isotope vor gestellt werden können. Daher ist das PSI zentral für die
und alle in der Natur vorkommenden stabilen Elemente Radiochemie in der Schweiz. Verschiedene andere Insti-
besitzen auch radioaktive Isotope. Aufgabe der Radioche- tute betreiben kleinere Beschleuniger, meist Zyklotrone,
mie ist es, derartige Isotope zu produzieren, ihr chemi- mit denen Radionuklide für nuklearmedizinische und ra-
sches Verhalten zu verstehen und sie auch analytisch in diopharmazeutische Zwecke produziert werden können.
geringsten Mengen nachzuweisen. Ein Beispiel aktueller
radiochemischer Spitzenforschung ist das Studium soge- Radiochemieausbildungen werden momentan an ver-
nannter superschwerer Elemente, bei denen relativisti- schiedenen Hochschulen angeboten. Gut abgedeckt ist
sche Effekte zunehmend die Grundregeln des Perioden- die Ausbildung in Radiopharmazie (ETHZ, Universitäten
systems beeinflussen. Bern, Basel, Zürich und Lausanne). Spezifische Ausbil-
dungsblöcke, meist auf Masterniveau, bieten die Univer-
Die Radiochemie ist aber auch Basis für zahlreiche An- sität Zürich (hauptsächlich Grundlagenchemie mit Radi-
wendungen von radioaktiven Isotopen. Hier sind einer- onukliden wie Technetium) sowie die Universität Bern
seits Themen mit Bezug zur Nuklearenergie zu nennen, (Entsorgung, Umwelt, Eigenschaften exotischer Elemen-
insbesondere unumgängliche Aufgaben nach Schliessung te, Radiopharmazie). Allerdings sind etliche dieser Studi-
der schweizerischen Kernkraftwerke wie Rückbau und engänge nach Emeritierungen nicht mehr gesichert.
Entsorgung radioaktiver Abfälle. Andererseits gewinnen
Themen wie die Herstellung, Abtrennung, Verwendung Damit akzentuiert sich ein Problem, das sich seit Län-
und Entsorgung radioaktiver Nuklide für die Radiophar- gerem abzeichnet: Die Ausbildung einer ausreichenden
mazie, Nuklearmedizin und die Industrie massiv an Be- Anzahl an Fachleuten in Radiochemie in der Schweiz ist
deutung. Radioaktive Isotope spielen in den Umweltwis- nicht sichergestellt, der Bedarf an entsprechenden Fach-
senschaften, insbesondere in der Klimaforschung eine leuten kann in Zukunft nicht mehr durch eigene Ausbil-
nicht sofort offensichtliche, aber entscheidende Rolle. dung abgedeckt werden. Dazu kommt, dass etliche der
Andererseits ist für die Einhaltung der Strahlenschutz- momentan laufenden radiochemischen Tätigkeiten der
verordnung (StSV) zum Schutz der schweizerischen Be- Schweiz durch Fachpersonen im fortgeschrittenen Be-
völkerung eine durchgehende Kontrolle der radioaktiven rufsleben geleitet werden. Es stellt sich deshalb die Frage,
Isotope in der Umwelt notwendig – auch dazu braucht es wer diese Fachpersonen kurz- resp. mittelfristig ersetzen
entsprechende Expertise. soll. Da sich in Nachbarländern eine ähnliche Situation
abzeichnet, könnte es schwierig werden, auf ausländi-
Das Arbeiten mit radioaktiven Substanzen bedarf speziel- sche Studienabgängerinnen und -abgänger zurückzugrei-
ler Sicherheitsanforderungen, um die Dosis gering zu hal- fen. Ausserdem darf z. B. das zum VBS gehörende Labor
ten. Entsprechend sieht die Strahlenschutzverordnung Spiez nur eingeschränkt ausländische Spezialistinnen
verschiedene Typen von Laboren vor, die es erlauben, mit bzw. Spezialisten rekrutieren.
Proben unterschiedlichster Aktivitäten zu arbeiten. Sol-
che Labore sind an verschiedenen schweizerischen Uni- Das Problem wird dadurch verschärft, dass eine nationale
versitäten etabliert, insbesondere am Paul Scherrer Insti- Sicht dazu fehlt. Die verschiedenen Hochschulen und Fa-
tut (PSI), das zum ETH-Bereich gehört. Das PSI beherbergt chinstitutionen sind in Bezug auf die Ausbildung unterei-
eine breite Infrastruktur dieser Art und bietet mit dem so- nander wenig koordiniert. Eine kritische minimale Grösse
Swiss Academies Reports, Vol. 15, Nr. 4, 2020 5
kann aber nur mit genügend Lehrstühlen und Kooperatio- Im ersten Teil des Berichts werden vier Optionen dar-
nen erreicht werden. gelegt: Es handelt sich dabei um Kooperationsmöglich-
keiten des PSI mit vier verschiedenen Schweizer Hoch-
Diese sich abzeichnende Lücke, die daraus entstehenden schulen. Zudem wird darauf hingewiesen, dass auch ein
Konsequenzen und wie ihnen begegnet werden könnte, übergeordnetes, nationales oder internationales Ausbil-
sind Gründe für das vorliegende Weissbuch. Der Bericht dungscurriculum wünschenswert wäre.
fokussiert einerseits auf den künftigen Bedarf an ausge-
bildeten Spezialistinnen und Spezialisten, andererseits In einem zweiten Teil des Berichts werden die momentan
auf verschiedene Optionen, wo diese in Zukunft ausge- laufenden Forschungsprojekte in Radiochemie und ange-
bildet werden könnten. Der Bericht dient somit auch der wandter Radiochemie zusammengefasst, um aufzuzeigen,
Evaluation von Radiochemieprofessuren an schweizeri- dass nebst der Grundlagenforschung ein reichhaltiges An-
schen Universitäten resp. den beiden ETHs. wendungsspektrum existiert.
Foto: Noemí Carabán6 Weissbuch Radiochemie Schweiz
Foto: Roger SchibliSwiss Academies Reports, Vol. 15, Nr. 4, 2020 7 Radiochemieausbildung in der Schweiz: Vom Ist- zum Soll-Zustand In diesem Kapitel wird der Ist-Zustand im Bereich der Radiochemieausbildung in der Schweiz analysiert. Dies mit Blick auf die bestehenden Angebote und Kompetenzen an den verschiedenen Universitäten in der Deutschschweiz und der Romandie, auf ETHZ und EPFL sowie mit einem besonderen Fokus auf das PSI. Weiter geht es darum, den künftigen Bedarf an Spezialistinnen und Spezialisten in diesem wichtigen Forschungsgebiet zu erörtern, um auch in Zukunft in Forschung wie auch in der Anwendung an der Spitze bleiben zu können. Am Schluss werden verschiedene Optionen vorgestellt, wie die Ausbildung auf dem Gebiet der Radio chemie in Zukunft aussehen könnte.
8 Weissbuch Radiochemie Schweiz
Ist-Zustand: Radiochemie in der Schweiz vor – Ausbildungsstätte für den Umgang mit radioaktiven
ungewisser Zukunft Proben (Strahlenschutzschule)
– Ausbildungsstätte für den Betrieb von Kernkraftwer-
Das Paul Scherrer Institut als Knotenpunkt für die ken (Reaktorschule).
Radiochemie Schweiz
Es bildet zudem ca. 100 Lernende in verschiedenen Berufs-
Das Paul Scherrer Institut (PSI) mit heute nahezu 2000 richtungen aus. Verschiedene Gruppierungen am PSI be-
Mitarbeitenden baut und betreibt Grossforschungsan- sitzen die Genehmigung und die dazu erforderliche Infra-
lagen zum Nutzen der wissenschaftlichen Forschung struktur für die Handhabung von radioaktiven Substanzen
der schweizerischen, aber auch der internationalen For- – und zwar in allen Aktivitätsbereichen (Labore der Typen
schungsgemeinde. In diesem Sinne ist das PSI ein User A, B, und C). Speziell zu erwähnen ist das Hotlabor, die ein-
Lab. Die zurzeit betriebenen Grossanlagen umfassen: zige Einrichtung in der Schweiz, in der hochradioaktive
– 600 MeV Protonenbeschleuniger mit weltweit höchs- Materialen wie z.B. bestrahlte Brennstäbe aus Kernkraft-
ten Strahlintensitäten werken in heissen Zellen, die mit Manipulatoren ausge-
– durch Protonenbeschleuniger betriebene Spallations- stattet sind, aufgearbeitet und analysiert werden können.
quelle SINQ für die Produktion von Neutronenstrahlen Einige radiopharmazeutische und nuklearmedizinische
– durch den Protonenbeschleuniger betriebene, welt- Tätigkeiten erfolgen in GMP-zertifizierten Laboren. Diese
weit stärkste Myonenquelle und einer Quelle von Infrastruktur zusammen mit den Grossforschungsanlagen
ultrakalten Neutronen UCN machen das PSI zu einer wichtigen Institution für radio-
– dedizierter 240 MeV Protonenbeschleuniger für die chemische Forschung, sowohl im Bereich Grundlagen
nuklearmedizinische Strahlentherapie wie auch für Anwendungen. Allerdings kann das PSI als
– Synchrotronstrahlenquelle SLS der dritten Generation Forschungsinstitut keine akademischen Abschlüsse wie
– Free Electron Laser SWISSFEL Bachelor, Master oder Doktortitel vergeben, dies ist aus-
– 70 MeV Injektorzyklotron II (für den 600 MeV Protonen- schliesslich Fachhochschulen (Bachelor und Master) so-
beschleuniger) für die Produktion von Radionukliden wie den Universitäten und den beiden ETHs vorbehalten.
– Hotlabor für Arbeiten mit hochradioaktiven Proben
(z.B. Brennstäbe von Kernkraftwerken)
Ausbildungsangebote in der Deutschschweiz
Um für diese hervorragende Infrastruktur die Funktiona-
lität sicherzustellen, sind grössere Aufwendungen und An der Universität Bern wird eine breit ausgerichtete Radio-
Verbesserungen unabdingbar. Tatsache ist, dass das Phi- chemieausbildung angeboten. Sie umfasst Ausbildungs-
lips Zyklotron abgeschaltet wurde und für die Isotopen- blöcke sowohl auf Bachelor- wie auch auf Masterstufe.
produktion am Injektor II kaum Gelder investiert werden. Im Masterausbildungsgang für Chemiker wird zudem ein
Auch die Spallationsquelle SINQ ist üblicherweise wäh- Fokus auf Radiopharmazie gelegt (im Hinblick auf den
rend Monaten ausser Betrieb und ein Upgrade der SINQ Betrieb eines medizinischen Zyklotrons am Inselspital
wäre dringend wünschenswert. Der Bau einer neuen Be- für die Produktion von Radionukliden für die Nuklear-
amline für diese Zwecke ist in Planung und wird womög- medizin und für die radiopharmazeutische Forschung).
lich in die Schweizer Forschungsinfrastruktur-Roadmap Eine assoziierte Professur auf Dozentenlevel betreibt an
aufgenommen. der Universität Bern einen Beschleunigermassenspektro-
meter (MICADAS) zwecks Anwendung von Radiokohlen-
Unter der neuen PSI-Führung werden aktuell Verbesse- stoff in der Umweltforschung und der Überwachung der
rungen in Angriff genommen. Umweltradioaktivität.
Um den hohen wissenschaftlichen Ansprüchen eines An der Universität Zürich bestehen eine Professur mit Spe-
modernen User Labs gerecht zu werden, betreibt das PSI zialisierung auf Technetiumchemie sowie eine Assistenz-
auch interne Forschung auf den Gebieten: professur mit Fokus auf bildgebende Verfahren, haupt-
– Materie und Materialien sächlich mit PET-Radionukliden. Das Forschungsgebiet
– Mensch und Gesundheit Technetium demonstriert eindrücklich, wie Erkennt-
– Energie und Umwelt nisse aus der Grundlagenforschung zu einer erfolgrei-
chen Anwendung (in diesem Fall in der Radiopharma-
Zudem deckt das PSI zahlreiche Dienstleistungsaufgaben zie) führen können. Angeboten wird auf der Masterstufe
der Eidgenossenschaft ab, z.B.: eine zweisemestrige Wahlpflichtvorlesung in radio- und
– Radioanalytik für öffentliche Ämter (z.B. Überwa- kernchemischen Grundlagen sowie die Anwendung von
chung der Umweltradioaktivität) Radionukliden in verschiedensten Gebieten der Natur-
– Eichlabor für Messgeräte zur Radioaktivitätsmessung wissenschaften. Ein radiopharmazeutisches /-chemischesSwiss Academies Reports, Vol. 15, Nr. 4, 2020 9
Praktikum deckt zudem Teile der experimentellen Arbeit Das Institut für Geologie an der Universität Bern bietet
mit Radionukliden ab. eine Mastervorlesung «Geological Disposal of Radioacti-
ve Waste» im Rahmen des Bern-Fribourg Mastermoduls
An der ETHZ wird grosser Wert auf die Radiopharma- «Ressourcen und Umwelt Geochemie» an. Dort werden
zieausbildung gelegt. So ist beispielsweise die Radiophar- auch Masterprojekte und Dissertationen zu endlagerrele-
mazie ein fester Bestandteil des Bachelorstudiums für vanten Themen angeboten und durchgeführt.
angehende Pharmazeutinnen. Die ETHZ führt im Zwei-
jahresrhythmus einen CAS-Nachdiplomstudiengang in
radiopharmazeutischer Chemie/Radiopharmazie durch, Labore
zusammen mit den Universitäten Ljubljana und Leipzig
(www.radiochem.pharma.ethz.ch/). Dieser CAS ist von Für die Ausbildung in Radiochemie ist die Verfügbarkeit
der Europäischen Gesellschaft für Nuklearmedizin (www. von Radioaktivitätslaboren unerlässlich – inklusive der
eanm.org) akkreditiert und qualifiziert Absolventen als dazugehörenden Strahlenschutzvorkehrungen. Unten-
Qualified Persons. Das Zertifikat ist in der Schweiz zwin- stehende Tabelle fasst die momentane Situation zusam-
gend für Personen, die Radiopharmaka zur Anwendung men. Nicht aufgeführt sind die zahlreichen Radiolabore
am Menschen herstellen wollen. an nichtuniversitären Forschungszentren (z.B. PSI, Labor
Spiez etc.). Das PSI ist der einzige Standort der Schweiz
mit Laboren der Aktivitätsstufe A.
Ausbildung in der Romandie
Radiochemielabore an schweizerischen Hochschulstandorten
Die IRA-GCR-Gruppe am Universitätsspital Lausanne (CHUV)
Hochschule Labor Typ B Labor Typ C
ist in der theoretischen und praktischen Ausbildung auf
dem Gebiet der ionisierenden Strahlung tätig, insbeson- UZH (Chemie) 4* 2*
dere in den Bereichen Strahlenschutz, Qualitätskontrolle UZH (Biochemie) * 2*
von Radiopharmaka und Umgang mit offenen radioak- ETHZ (D-CHAB) 3 3
tiven Quellen. Sie befasst sich mit der Ausbildung von UniBE 1 3
Strahlenschutzexpertinnen und Strahlenschutzexperten,
UniBE (Inselspitalkomplex) 3 9
der Graduiertenausbildung sowie der Aus- und Weiterbil-
CHUV&UniL 1 7
dung von medizinischem und technischem Personal in
der Nuklearmedizin. EPFL (Nuclear Engineering) 2 3
* Im Neubau UZ-5 der Universität Zürich (Eröffnung 2021) sind 3 grosse Labore der
Stufe B geplant.
Die IRA-GRE-Gruppe bietet einen Lehrgang «Radioakti-
vität in der Nahrungskette» im Rahmen des Masterstudi-
engangs Umwelt an der Fakultät für Umweltgeowissen-
schaften der Universität Genf an. Zudem unterhält die Soll-Zustand: Spitzenforschung erhalten,
Gruppe drei Lehrmodule an der Doktorandenschule der künftigen Bedarf an Fachkräften abdecken
Fakultät für Biologie und Medizin der Universität Lau
sanne (radiometrische Methoden in den forensischen Um das Curriculum einer Radiochemieausbildung kurz
Wissenschaften; Radioaktivität in Lebensmitteln; Radio- zu skizzieren, sei auf die Situation am Departement für
analyse: von der Probenahme bis zur Messung). Chemie und Biochemie der Universität Bern hingewie-
sen: Alle Chemie-, Biochemie- und Pharmaziestudieren-
den erhalten während der Bachelorausbildung in der Vor-
Angebote im Bereich der nuklearen Entsorgung lesung Allgemeine Chemie eine einwöchige Einführung
in Radioaktivität resp. Radiochemie. Anschliessend folgt
Die Ausbildungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der nuk- im weiteren Bachelorausbildungsgang im Teil Physika-
learen Entsorgung sind relativ begrenzt. Zurzeit werden lische Chemie eine Vorlesung über die Grundlagen der
in der Schweiz nur einzelne Vorlesungen auf Masterstu- Radiochemie. Diese Vorlesung wird durch diejenigen Stu-
fe zum Thema Endlagerung angeboten: Im Rahmen des dierenden besucht, die sich für die Richtung Chemie und
«Master of Science in Nuclear Engineering» (ETHZ-EPFL-PSI) Molekulare Wissenschaften entschieden haben. Zudem ist
wird ein Einführungskurs zum Thema Endlagerung und ein Teil der Vorlesung Instrumentalanalytik den radioana-
Brennstoffzyklus angeboten. Die Studierenden haben die lytischen Verfahren gewidmet. Ebenfalls wird ein Prakti-
Möglichkeit, an endlagerrelevanten Masterprojekten zu kumsversuch in Radioanalytik durchgeführt. Die Master-
arbeiten. Die vergangenen Jahre zeigten allerdings, dass ausbildung beinhaltet zudem in englischer Sprache die
die Studierenden dieses Masterprogrammes über geringe Vorlesungen Nuclear/Radiochemistry mit einer vertieften
radiochemische Kenntnisse verfügen. Einführung zu den Themen Nuclear Energy and Heavy Ele-10 Weissbuch Radiochemie Schweiz
ments, Environmental Radionuclides and Nuclear Dating, Zudem hat sich die Einstellung der Gesellschaft zu Ra-
sowie Introduction to Radiopharmaceutical Chemistry. dioaktivität in den letzten Jahren stark gewandelt: Heute
stehen vermehrt auch die positiven Aspekte der Radioak-
tivität (z. B. Therapien) im Vordergrund.
Ausbildung
Es ist dringend notwendig, mindestens eine breit ausge- Optionen, um den Soll-Zustand zu erreichen
richtete, gemeinsame Professur zwischen dem PSI und
einer schweizerischen Hochschule zu etablieren, gegebe- Der Soll-Zustand umfasst zwei wichtige Punkte: Einer-
nenfalls mit Integration weiterer nationaler Fachinstitu- seits geht es darum, den künftigen Bedarf an Radioche-
te. Eine derartige Zusammenarbeit erzeugt eine Win-win mie-Spezialistinnen und -Spezialisten sicherzustellen.
Situation: Die Hochschule profitiert vom Zugang zu einer Andererseits darf man auch den Anschluss an dieses
Institution mit einem breiten Angebot an Beschleunigern wichtige Forschungsgebiet im Rahmen internationaler
zur Produktion von Radionukliden sowie vom Zugang zu Projekte nicht verlieren. Um diesen Soll-Zustand zu er-
hochspezialisierten und somit teuren Analysegeräten. Das reichen, braucht es genügend Ressourcen in Lehre und
PSI wiederum profitiert von hochmotivierten jungen For- Forschung. Unsere Analyse ergibt einen Bedarf von 1 – 2
scherinnen und Forschern, die im Rahmen ihrer Masterar- Professuren – vorzugsweise mit einer Anbindung ans PSI.
beiten und Dissertationen Einblick ins PSI erhalten. Da die
Radiochemieausbildung für vielerlei Bereiche der Chemie,
Biochemie, Biologie und Physik essentiell ist, bieten sich Option A: Gemeinsame Professur ETHZ und PSI
entsprechend der Spezialisierung der Labore weitere In-
teraktionen an (z. B. im Rahmen von Forschungsprojekten. Am Departement Chemie und angewandte Biowissen-
schaften (CHAB) der ETHZ existiert bereits eine Radio-
Eine solche «Radiochemieschule» sollte sich in der Spit- pharmazieprofessur (Prof. R. Schibli), die gemeinsam mit
zenforschung profilieren, denn es ist hinlänglich bekannt, dem PSI alimentiert ist. Mit einer Tandem-Professur in
dass nur Spitzenforschung Basis sein kann für eine kom- Radiochemie (Grundlagen) und Radiopharmazie (ange-
petente und technologisch den Bedürfnissen der heutigen wandte Radiochemie) würden attraktive Synergien ent-
Zeit genügenden Ausbildung. stehen. Allerdings existiert am CHAB der ETHZ keine La-
borinfrastruktur für radiochemische Forschung (sondern
nur eine Laborinfrastruktur für Radiopharmazie). Die Idee
Bedarf an Fachleuten hinter diesem Modell wäre eine enge Zusammenarbeit
mit dem relativ nahe gelegenen PSI. Studierende würden
Die Gesamtzahl der gegenwärtig in der Schweiz tätigen entsprechende Laborexperimente im Rahmen ihrer Ba-
Radiochemiespezialistinnen und -spezialisten mit akade- chelor- oder Masterausbildung in Villigen durchführen.
mischer Ausbildung (Master und/oder Doktorat) wird auf
etwa 50-100 geschätzt. Dies beinhaltet alle in diesem Be-
richt aufgeführten Bereiche. Experten gehen davon aus, Option B: Gemeinsame Professur Universität
dass mit dem Rückbau schweizerischer Kernkraftwerke Zürich und PSI
der Bedarf an zusätzlichen Radiochemikerinnen resp. Ra-
diochemikern erheblich zunehmen wird, dies insbeson- Die Laborinfrastruktur an der Universität Zürich ist her-
dere beim Labor Spiez, beim BAG (Strahlenschutz) sowie vorragend für radiochemische Forschung geeignet. Weiter
am PSI. Zudem hat die Erfahrung gezeigt, dass zahlrei- hat die UZH entschieden, die radiochemischen Laborka-
che Absolventinnen und Absolventen dank ihrer breiten pazitäten auch im Neubau des Chemiegebäudes (Eröff-
chemietechnologischen und analytischen Kompetenz oft nung 2021) einzuplanen. Die ETHZ und die Universität
problemlos eine Stelle in einem fachfremden Gebiet fin- Zürich sind am nächsten zum PSI gelegen und bieten so-
den. Die Radiochemie-Ausbildung bildet eine sehr solide mit kürzeste Reisewege für Forschende.
naturwissenschaftliche Basis und öffnet den Absolventin-
nen und Absolventen viele verschiedene berufliche Wege.
Dies zeigt das Beispiel CERN: Die zahlreichen Dissertati-
onen in Teilchenphysik führen eben oft nicht zu zukünf-
tigen beruflichen Lebensläufen in diesem Fachgebiet. Es
ist die breite naturwissenschaftliche Fachkompetenz, die
auf dem Arbeitsmarkt gefragt ist. Es ist daher nicht ver-
wunderlich, dass das Interesse der Wirtschaft an Radio-
chemie-Fachleuten gross ist.Swiss Academies Reports, Vol. 15, Nr. 4, 2020 11 Option C: Gemeinsame Professur Universität Nationales (eventuell international Bern und PSI eingebundenes) Masterprogramm In Bern existiert eine umfassende Infrastruktur mit Ra- Interessant wäre auch der Aufbau eines nationalen oder diochemielaboren der Aktivitätsklassen B und C. Zudem gar internationalen Masterprogramms. Das PSI und ermöglicht eine 252Cf-Quelle die Durchführung radioche- mehrere Schweizer Universitäten würden Ausbildungs- mischer Experimente mit kurzlebigen Spaltprodukten bis blöcke beisteuern, vergleichbar mit dem europäischen in den Halbwertszeitbereich von Sekunden unter Verwen- CINCH-Programm (um Prag, Helsinki und Oslo). Das Pro- dung eines Gas-Jet-Transportsystems. Der Tandem-Mas- gramm würde schweizweit koordiniert, wäre aber delo- senbeschleuniger MICADAS erlaubt zudem die Analyse kalisiert. Allenfalls wäre auch eine enge Beteiligung am geringster Mengen an Radiokohlenstoff im Rahmen von CINCH zu prüfen, um die Nachfrage an Schweizer Fach- Umweltforschungsprojekten. Auch am Inselspital in Bern kräften zu befriedigen. existieren mehrere B-Labore sowie ein Protonenzyklotron zur Produktion von diversen Radionukliden mit Anwen- dungspotential in Radiopharmazie. Option Fachhochschule Zudem sollte das Eidgenössische Institut für Metrologie Unseres Wissens wird Radiochemie in der Schweiz – im METAS in Wabern erwähnt werden, das eine Anlage zur Gegensatz zu Deutschland – auf Fachhochschulstufe nicht Produktion hochenergetischer γ-Strahlen besitzt. Mit die- angeboten. Angesichts der zahlreichen (wie in diesem sen Strahlen können photonukleare Prozesse studiert und Weissbuch aufgeführt) sehr anwendungsorientierten The- zur Produktion von Radionukliden verwendet werden. In menbereiche der Radiochemie (z.B. Rückbau von Kern- diesem Sinne besitzt die Universität Bern die schweizweit kraftwerken, Entsorgung etc.) wäre es wünschenswert, beste universitäre Infrastruktur zur Durchführung radio- die Option einer Professur auf FH Stufe zu evaluieren. chemischer Forschung. Option D: Gemeinsame Professur EPFL und PSI Die EPFL ist als Standort für eine Radiochemieprofessur gut geeignet. Dies dank ihrer starken und schweizweit gut vernetzten nukleartechnologischen Abteilung, die von Prof. A. Pautz gemeinsam mit dem Bereich Nukleare Energie und Sicherheit am PSI geleitet wird. Das Portfo- lio des Ausbildungsganges «Nuclear Engineering Master» (ETHZ-PSI-EPFL) könnte durch eine Verknüpfung mit ei- ner Radiochemieprofessur an der EPFL um einen wich- tigen Aspekt erweitert werden. Zudem existiert in Lau- sanne eine attraktive Infrastruktur mit Laboren auf dem Aktivitätslevel B, die momentan nicht genutzt wird. Ein Nachteil dieser Option ist die (Reise-)distanz zwischen EPFL und PSI.
12 Weissbuch Radiochemie Schweiz
Foto: Roger SchibliSwiss Academies Reports, Vol. 15, Nr. 4, 2020 13 Radiochemische Forschung in der Schweiz In radiochemischen Studien werden Verfahren der Chemie so adaptiert, dass sie mit radiometrischen Bestimmungsmessungen gekoppelt werden können. Wegen der radioaktiven Strahlung sind spezielle Sicherheitsmassnahmen (z.B. Strahlenschutz) notwendig. Radiochemische Studien können oft mit nur wenigen Atomen resp. Molekülen durch- geführt werden, insbesondere bei Radionukliden mit kurzer Halbwertszeit. Wenn nötig, kann mittels radioaktiver Markierung auch mit klassischen makroskopischen Mengen gearbeitet werden. Die Markierungsisotope verhalten sich im Allgemeinen chemisch nahezu identisch wie die stabilen Isotope. Die Bilanzierung der chemi schen Prozesse kann dann leicht mittels radioanalytischer Messverfahren erfolgen. Zusätzlicher Vorteil ist das Vorhandensein einer systemischen Uhr, die über den radioaktiven Zerfall und seine Halbwertszeit bestimmt ist und somit die Möglichkeit bietet, direkt chemische Reaktionsgeschwindigkeiten zu bestimmen, die in der klas- sischen Chemie nur schwer zugänglich sind. Moderne radiochemische oder radiopharmazeutische Forschung wird meist an Beschleunigern oder Forschungsreaktoren mit automatisierten, computerkontrolli- erten Apparaten durchgeführt, nicht zuletzt auch, um die Strahlenbelastung der in- volvierten Personen zu minimieren. Als Beispiel sei die PET (Positronen-Emis- sions-Tomographie) an Spitälern erwähnt, die mit kurzlebigen Radionukliden (z.B. 11C mit einer Halbwertszeit von 20 min) durchgeführt wird. Radiochemische Grundlagenforschung ist meist interdisziplinär (Chemie, Physik, Bio- logie). So wurden beispielsweise etliche kernphysikalische Studien mittels radio chemischer Verfahren durchgeführt, da kernphysikalische Prozesse oft mit Element umwandlung einhergehen.
14 Weissbuch Radiochemie Schweiz
Geschichte der Radiochemie in der Schweiz (2009) wurden bis 2017 Prof. Dr. Andreas Türler und seither Dr. Ro-
bert Eichler Leiter dieses Labors. Zudem wurde der Bereich «Um-
Die Radioaktivität wurde durch Henry Becquerel im Jahre 1896 ent- weltforschung» des vormaligen Labors für Radio- und Umweltche-
deckt. 1903 erhielt er zusammen mit Pierre und Marie Curie den mie ab 2016 als neues Labor für Umweltchemie, geleitet durch Prof.
Nobelpreis in Physik für Untersuchungen zu diesem neuen Phäno- Dr. Margit Schwikowski, gegründet.
men. Historisch gesehen wurde der Begriff Radiochemie von Marie
Curie eingeführt und für die Chemie der Elemente der Uran- und Deshalb hat der ETH-Rat (damals Schulrat) schon 1992 darauf hin-
Thorium-Zerfallsreihen verwendet, also der Elemente zwischen gewiesen, dass das PSI eine zentrale Rolle übernehmen soll auf
Uran und Blei. Sie selbst hatte daraus Polonium und Radium abge- dem Gebiet der Ausbildung sowie als nationales Kompetenzzent-
trennt, wofür sie 1911 den Chemienobelpreis erhielt. Radiochemie rum in Radiochemie und zwar durch Unterstützung einer ordentli-
bezeichnet die Chemie radioaktiver Elemente. Weiter wird unter chen Professur auf diesem Gebiet mit einer schweizerischen Hoch-
dem Begriff Radiochemie auch die Chemie von Radioisotopen an- schule. Eine solche Zusammenarbeit existierte mit der Universität
sonsten stabiler Elemente subsummiert. Bern bis 2017. Seitdem wird die dortige Radiochemieprofessur nicht
mehr vom PSI unterstützt.
Das berühmteste Beispiel ist wohl die Untersuchung der durch Enri-
co Fermi in den 1930er-Jahren postulierte Synthese von Transuran Nach der bereits erwähnten «Atoms for Peace» Konferenz 1955 in
elementen beim Beschuss von Uran mit Neutronen. Dafür erhielt Genf haben verschiedene Hochschulen begonnen, Radiochemie in
er 1938 den Nobelpreis für Physik. Die Radiochemiker Otto Hahn ihr Ausbildungsprofil aufzunehmen (dasselbe gilt übrigens auch
und Fritz Strassmann konnten Ende 1938 jedoch mit chemischen für Kernphysik). Allerdings haben nur die EPFL und die Universi-
Methoden nachweisen, dass diese neuen Elemente nicht Trans tät Bern ordentliche Radiochemieprofessuren installiert (Proffs. P.
urane waren wie von Fermi behauptet, sondern Produkte aus der Lerch und H.R. von Gunten). Zu erwähnen ist auch die Universität
Kernspaltung! Die kernphysikalische Deutung erfolgte durch Lise Zürich mit einer ordentlichen Professur in anorganischer Chemie,
Meitner. Mit anderen Worten: Radiochemische Analysen führten zur die sich auf Technetium-Verbindungen spezialisierte, also eigent-
Entdeckung des kernphysikalischen Prozesses der Kernspaltung. lich ein radiochemisches Forschungsgebiet. Andere Hochschulen
Dafür erhielt Otto Hahn 1944 den Chemie Nobelpreis. wie die ETHZ, die Universitäten Basel, Lausanne und Genf haben
Radiochemie auf dem Dozentenlevel offeriert (PD oder Tit. Prof.). Da
In der Schweiz wurde radiochemische und übrigens auch kernphy- die EPFL 1992 die ordentliche Radiochemieprofessur nach Emeri-
sikalische Forschung stark angetrieben durch die «United Nations tierung von Prof. P. Lerch nicht weiterführte, wurde die Universität
International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy» Bern zur einzigen Hochschule mit einer vollen Professur in Radio-
(besser bekannt als «Atoms for Peace») in Genf (1955). Dabei haben chemie im klassischen Sinn. Es war deshalb nachvollziehbar, dass
die USA am Konferenzort einen Schwimmbadreaktor aufgebaut, nach dem erwähnten ETH-Ratsbeschluss von 1992 das PSI gemein-
um zu demonstrieren, dass Nukleartechnologie auch zum Nutzen sam mit der Universität Bern die Gründung einer gemeinsamen
der Menschheit eingesetzt werden kann und nicht nur zum Bau Radiochemieeinheit beschloss. Dies beinhaltete Forschungsakti-
von Atombomben! Dieser Forschungsreaktor wurde dann der Eid- vitäten an beiden Orten, sowie freien Zugang zur PSI-Infrastruk-
genossenschaft geschenkt und hat als SAPHIR-Reaktor am Eidge- tur, insbesondere auch für Studierende und Doktorierende. Dieses
nössischen Institut für Reaktorforschung (EIR) über viele Jahre für Modell hat sich über viele Jahre für beide Seiten sehr bewährt. Die
Forschung in Kerntechnologie, Kernphysik, Radiochemie, sowie der Universität Bern hatte Zugang zur Infrastruktur des PSI mit sei-
Neutronenstreuung (Festkörperforschung und Materialforschung) nen Grossanlagen, Laboren und oft exklusiven analytischen Ge-
gedient. Er war von 1957 bis 1994 in Betrieb. räten, während das PSI davon profitierte, dass junge Studierende
am PSI die Forschung massgeblich mitgestalteten. Eine Eigenheit
Geschichte des EIR resp. PSI und der dortigen Radiochemie: 1955 dieser Radiochemieeinheit war die zusätzliche Ausrichtung auf
gründen Paul Scherrer und Walter Boveri die Reaktor AG, zwecks Bau Umweltforschung, meist unter Verwendung radioaktiver Nuklide
und Betrieb eines schweizerischen Kernreaktors. Dieser Reaktor, in der Umwelt. Später wurde durch Prof. A. Türler Radiopharmazie
DIORIT, wurde ab 1960 mit Natururan und Schwerwasser betrieben als neues Forschungsthema aufgenommen. Dadurch entstand eine
und war bis 1977 in Betrieb. 1956 wurde mit PD Dr. Peter Bärtschi für das PSI grundsätzlich attraktive neue Konstellation: Eine bereits
(Isotopenspezialist der Universität Basel) ein erster Leiter einer existierende gemeinsame Professur mit der ETHZ in Radiopharma-
Chemieabteilung angestellt sowie mit Dr. Peter Graf (Radiochemiker zie, mit Schwerpunkt pharmazeutische Forschung, wurde erweitert
der Universität Bern) ein Verantwortlicher für den Bau und Betrieb durch die Kompetenz in nuklearer Radiopharmazie, also dem Teil
eines Hotlabors. Nach Pensionierung von PD Dr. P. Bärtschi (1984) aspekt, der sich mit der Produktion von Radionukliden befasst.
übernahm Dr. Heinz W. Gäggeler die Leitung der Chemieabteilung.
Nach der am 1.1.1988 erfolgten Gründung des Paul Scherrer Instituts
aus den vormaligen Instituten EIR (jetzt PSI Ost) und SIN (1968 ge-
gründet als Grundlagenforschungsinstitut für Kern- und Teilchen-
physik, jetzt PSI West) wurde die Abteilung umbenannt in Labor
für Radiochemie. Nach Pensionierung von Prof. Dr. H. W. GäggelerSwiss Academies Reports, Vol. 15, Nr. 4, 2020 15 Laufende radiochemische Forschungsaktivitäten in der Schweiz In diesem Kapitel werden laufende radiochemische, ra- dioanalytische und radiopharmazeutische Forschungs- aktivitäten der Schweiz präsentiert. Die Beiträge wurden durch leitende Wissenschaftlerinnen resp. Wissenschaft- ler der ETHZ, den Universitäten Zürich, Bern und Lau sanne, des Paul Scherrer Instituts sowie des Labors Spiez verfasst. Für die Inhalte zeichnen die entsprechenden Autorinnen und Autoren verantwortlich. Für einen de- taillierteren Überblick über die radiochemischen For- schungsinhalte in der Schweiz verweisen wir auf die Aus- gabe 12/2020 des Fachjournals Chimia (www.chimia.ch).
16 Weissbuch Radiochemie Schweiz
Radiochemische Grundlagenforschung mit schwersten Elementen
des Periodensystems
Die Erforschung chemischer Eigenschaften von schwersten Elementen am Ende des Periodensystems ist ein spektakuläres
und attraktives Wissenschaftsgebiet, weil relativistische Effekte zunehmend die Grundregeln des Periodensystems beein-
flussen. Zudem ist nicht bekannt, wie viele Elemente das Periodensystem besitzt. Forschung auf diesem Gebiet ist sehr
interdisziplinär und bedarf des Einsatzes von chemischer Hochtechnologie, gekoppelt mit modernsten Datenerfassungssys-
temen. Ergebnisse dieser Forschung finden üblicherweise direkten Zugang in Chemielehrbücher. Die Schweiz ist weltweit
führend auf diesem Gebiet.
Robert Eichler, Labor für Radiochemie, mischer Eigenschaften auf der Basis von Einzelatomen
Paul Scherrer Institut dar. Dabei werden die exotischen Elemente mehrstufigen
chemischen Gleichgewichtseinstellungen unterworfen.
Das multidisziplinäre Grundlagenforschungsgebiet zur So können Konzentrationen durch Wahrscheinlichkeiten
chemischen Untersuchung von Transactinoiden, die häu- ausgetauscht werden, das Atom in dem einen oder einem
fig auch als «Superschwere Elemente» bezeichnet werden anderen chemischen Zustand zu beobachten. Chromato-
und am Ende des heute bekannten Periodensystems posi- graphische Systeme mit Gas- oder Flüssigphasen als mo-
tioniert sind (siehe Abbildung) ist historisch ein Schwer- bile Phasen erfüllen grundsätzlich diese Anforderungen.
punktthema radiochemischer Forschung. Schweizer Ra-
diochemikerinnen und Radiochemiker waren führend Mit innovativen Weiterentwicklungen dieser Methoden
bei der erstmaligen chemischen Untersuchung von fünf war es möglich, in den letzten 25 Jahren vorherige Mes-
superschweren Elementen (Seaborgium, Bohrium, Hassi- sungen von chemischen Eigenschaften der superschwe-
um, Copernicium und Flerovium). ren Elemente Rf (Rutherfordium) und Db (Dubnium) zu
bestätigen, zu verbessern und erstmals die Elemente Sg
Die chemische Untersuchung der superschweren Elemen- (Seaborgium), Bh (Bohrium), Hs (Hassium), Cn (Coper-
te ist wohl die fundamentalste Validierung der Gesetzmäs- nicium), Nh (Nihonium) und Fl (Flerovium) chemisch
sigkeiten des Periodensystems. Sie trägt zum generellen zu charakterisieren. In enger Zusammenarbeit mit dem
Erkenntnisprozess der uns umgebenden Materie bei. Die Forschungsgebiet der theoretischen Chemie konnten die
Resultate halten deshalb Einzug in die Chemielehrbücher. gewonnenen Ergebnisse in moderne relativistische Rech-
Superschwere Elemente wurden bisher nicht in der Natur nungen einfliessen und dienten als Benchmark für unser
nachgewiesen. Deshalb müssen sie in Beschleunigerex- Verständnis der Auswirkung der hohen Kernladungszah-
perimenten durch Kernfusionsreaktionen künstlich her- len dieser Atome auf die chemischen Eigenschaften der
gestellt werden. Die Herausforderungen bei der Untersu- Elemente durch sog. relativistische Effekte. Dies führte
chung ihrer Eigenschaften sind zum einen die niedrigen unter anderen zu Publikationen in hochrangigen wissen-
Produktionsraten von Einzelatomen pro Minute bis Ein- schaftlichen Journalen wie Science und Nature. Unter
zelatomen pro Monat und zum anderen die kurzen Halb- Benutzung der Grossforschungsanlagen des Paul Scherrer
wertszeiten von Millisekunden bis Minuten, in selten Instituts z.B. der SINQ Neutronenbestrahlungsanlagen und
Fällen bis zu einigen Stunden. Die Kenntnis von produk- der Isotopenproduktion am Injektor II Zyklotron (70 MeV
tionsrelevanten kernphysikalischen Zusammenhängen Protonen) zur Herstellung von Modellnukliden der leich-
ist für die Planung und Durchführung von Experimenten teren Homologen der superschweren Elemente wurden
mit Transactinoiden von grosser Bedeutung. Geeignete diese Experimente intensiv vorbereitet.
Beschleunigersysteme stehen z.B. in Dubna (Russland),
Darmstadt (Deutschland), bei RIKEN (Japan) und in Ber- An dieser Stelle sei auf die beobachtete sehr hohe Flüch-
keley (USA) zur Verfügung. Bis 1994 existierte auch am tigkeit der schwersten bisher untersuchten Elemente (Cn,
PSI ein Beschleuniger, mit dem superschwere Elemente Nh, Fl) sowie zur thermochemischen Stabilität von flüch-
hergestellt werden konnten. tigen Carbonylkomplexen von Übergangsmetallen der
Gruppen 6-9 hingewiesen, zu denen die superschweren
Experimente mit superschweren Elementen werden vor- Elemente Sg, Bh, Hs und Mt gehören. Innovative gaschro-
wiegend in internationalen Kollaborationen durchgeführt. matographische Systeme erlauben massive Erhöhungen
Eine Herausforderung stellt dabei die Untersuchung che- der chemischen Untersuchungsgeschwindigkeiten bis inSwiss Academies Reports, Vol. 15, Nr. 4, 2020 17
den Sekundenbereich und eindeutige Identifizierungen
von Einzelatomen durch den Nachweis ihrer spezifischen
Zerfallsmuster.
Allein die Aufzählung der vielen Aspekte dieser For-
schung zeigt ihr innovatives Potenzial, welches für die
Ausbildung von Radiochemikern attraktiv ist. Die Aus-
bildungsbreite erlaubt den Absolventinnen und Ab-
solventen, Aufgaben in verschiedensten Bereichen der
industriellen Isotopenproduktion, deren chemischer Auf-
bereitung und Anwendung (z.B. für radiopharmazeuti-
sche Zwecke), der Reaktorsicherheit und Strahlenschutz,
und nicht zuletzt des Rückbaus von Kernanlagen sowie
der Konzeption und Umsetzung der Endlagerung radioak-
tiver Abfälle zu übernehmen. Andererseits besteht auch
weiterhin spannendes akademisches Forschungspoten-
zial, da etliche der superschweren Elemente bisher che-
misch noch nicht untersucht worden sind.
H
Periodensystem der Elemente He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba Ln* Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ano Transactinoide / Superschwere Elemente
Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
*Lanthanoide La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
°Actinoide Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Abb. 1: Periodensystem mit Elementsymbolen nach IUPAC Nomenklatur. Die acht farbigen superschweren Elemente (Rf-Hs und
Cn-Fl) inklusive ihrer Gruppenvertreter sind bisher chemisch untersucht worden.18 Weissbuch Radiochemie Schweiz
Radioanalytik
Radioanalytik umfasst die quantitative Bestimmung radioaktiver Spezies, basierend auf der Verwendung radiometrischer
(α-, β-, γ-Spektrometrie) oder massenspektrometrischer Verfahren. Dabei steht zunehmend nicht nur die Quantifizierung des
radioaktiven Isotops, sondern auch die Bestimmung der chemischen Form, in dem dieses Radionuklid vorkommt, im Vor-
dergrund, z.B. mittels Synchrotronstrahlung (SLS am PSI).
Die Thematik Radioanalytik wird in vier Beiträgen zu- jeder zusätzlichen radioaktiven Belastung künstlichen
sammengefasst. Diese beinhalten i) die Aktivitäten an Ursprungs, die schwerwiegende Auswirkungen auf die
öffentlichen Institutionen der Eidgenossenschaft, ii) die Gesundheit der Bevölkerung haben kann (Strahlenunfall).
umfangreichen radioanalytischen Aufgaben am Paul Mit dem Überwachungsprogramm sollen andererseits
Scherrer Institut, iii) die hauptsächlich radioökologisch auch die Referenzwerte für die Umweltradioaktivität in
ausgerichteten Aufgaben am IRA in Lausanne, sowie, iv) der Schweiz und deren Schwankungen bestimmt werden,
die Anwendung höchstempfindlicher Beschleunigermas- damit die Strahlendosen für die Schweizer Bevölkerung
senspektrometrie an der Universität Bern für den Nach- ermittelt werden können. Diese allgemeine Überwachung
weis langlebiger Radionuklide. umfasst auch heute noch die Messung der Kontaminati-
onen infolge der oberirdischen Kernwaffenversuche der
USA und der Sowjetunion in den 50er- und 60er-Jahren
Radioanalytik in den Ämtern der Eidgenossen- sowie des Reaktorunfalls von Tschernobyl.
schaft (Bund)
Mit der Überwachung müssen sich ausserdem die effekti-
Mario Burger, Labor Spiez ven Auswirkungen auf die Umwelt und die Bevölkerung
in der Umgebung von Kernanlagen, Forschungszentren
Radioanalytik wird auf Bundesebene in verschiedenen und Unternehmen, die radioaktive Substanzen einsetzen,
Instituten der Eidgenossenschaft betrieben. Sie wird an- feststellen lassen. Diese spezifische Überwachung der An-
gewendet in der Forschung, in der Umweltüberwachung, lagen, welche über eine streng beschränkte Bewilligung
in der Überwachung von Kernanlagen, im Rückbau von zur Freisetzung von radioaktiven Stoffen in die Umwelt
Kernanlagen, im Umfeld der Lagerung von radioaktiven verfügen, erfolgt in Zusammenarbeit mit den betreffenden
Abfällen, in der radiologischen Ereignisbewältigung, im Aufsichtsbehörden, das heisst mit dem eidgenössischen
Umfeld der Inneren Sicherheit und in der Kooperation Nuklearsicherheitsinspektorat (ENSI) für die Kernkraft-
mit internationalen Partnerinstituten und Organisationen. werke und der Suva für die Industriebetriebe. Sie beginnt
mit der Überwachung der Emissionen (effektive Freiset-
Bundesseitig in der Forschung tätig sind primär spezifi- zung von radioaktiven Stoffen) dieser Unternehmen und
sche Gruppen und Institute der Eidgenössischen Tech- setzt sich mit der Kontrolle der Immissionen (effektiv ge-
nischen Hochschule (ETH Zürich), des Paul Scherrer messene Konzentrationen) in der Umwelt fort. Um allen
Instituts (PSI) und des Eidgenössische Wasserforschungs- diesen Zielen nachzukommen, erstellt das BAG jährlich
instituts (Eawag). Angewandte Forschung in Radioanaly- ein Probenahme- und Messprogramm in Zusammenarbeit
tik wird neben dem ETH-Bereich auch im Labor Spiez des mit dem ENSI, der Suva und den Kantonen. Es koordi-
Bundesamtes für Bevölkerungsschutz betrieben. Die Akti- niert dieses Überwachungsprogramm, an dem auch die
vitäten und Forschungsschwerpunkte der Stellen sind in Laboratorien des Bundes und verschiedene Hochschulin-
den jeweiligen Jahresberichten publiziert. stitute beteiligt sind.
Die Strahlenschutzverordnung (StSV) überträgt im Arti- Im Rahmen der Überwachung von Kernanlagen betreibt
kel 191 dem Bundesamt für Gesundheit (BAG) die Verant- das Eidgenössische Nuklear Sicherheitsinspektorat
wortung für die Überwachung der ionisierenden Strah- (ENSI) ein kleines Laboratorium, das hauptsächlich zer-
lung und der Radioaktivität in der Umwelt. störungsfreie Messtechnik anwendet. Weitere Überwa-
chungen sind mit dem Umweltüberwachungsprogramm
Das angewandte Überwachungsprogramm besteht aus abgedeckt.
mehreren Teilen. Ziel ist einerseits der schnelle NachweisSwiss Academies Reports, Vol. 15, Nr. 4, 2020 19
Im Rahmen des Rückbaus von Kernkraftwerken, wo dem- Krieg in den Einsatz bringen kann, die neben umfassen-
nächst das KKW Mühleberg den Rückbau beginnen wird, den Probenahmen nach NATO und nationalen Standards
sind einerseits das ENSI (zerstörungsfrei) und anderer- bereits vor Ort in den mobilen Laboren limitierte Radio-
seits das PSI und Labor Spiez (LS) basierend auf umfas- analytik durchführen können.
senden radioanalytischen Methoden (radiochemisch und
zerstörungsfrei) aktiv. Das LS verfügt in seiner nach ISO/ Im Rahmen der Inneren Sicherheit geht es darum, den
EN 17025 akkreditierten Prüfstelle STS 0028 über die er- Schmuggel von radioaktivem Material durch die Schweiz
forderliche Radioanalytik und entwickelt diese stetig wei- – und den illegalen Besitz oder die Manipulation von
ter. Es bringt diese auch als Kompetenzzentrum der IAEA radioaktivem Material durch terrorverdächtige Personen/
mit Schwergewicht im IAEA ALMERA Labornetzwerk Organisationen zu verhindern, sowie herrenloses radio
ein und entwickelt in Zusammenarbeit mit zwei anderen aktives Material in Kehrichtverbrennungsanlagen, Stahl-
Kompetenzzentren Methoden, die im Netzwerk und den werken, Sortierwerken etc. aufzufinden sowie gestohle-
beteiligten Staaten angewendet werden können und eine nes radioaktives Material wieder zu finden. Zwischen
gute Qualität der Resultate versprechen. Das PSI deckt im dem BAG und Labor Spiez werden die planbaren jährli-
Umfeld des Rückbaus von KKW mehr die Routineanalytik chen Schwerpunktkontrollen Radioaktivität an Zollstel-
in Zusammenarbeit mit dem ENSI ab. len, Flughäfen, Strassen, etc. geplant und mit Portalmoni-
toren und mobilen Messsystem im Bereich von 50-tägigen
Im Umfeld der Lagerung von radioaktiven Abfällen ist für Messkampagnen durchgeführt. Mit dem Auffinden von
die Tiefenlagerung die NAGRA aktiv. Für das nationale herrenlosem radioaktivem Material oder Diebstahl ist
Zwischenlager ZWILAG ist das PSI zuständig. Im Über- erstinstanzlich die Bewilligungs- und Aufsichtsbehör-
wachungsprogramm zur bevorstehenden Tiefenlagerung de BAG mit der Suva die zentrale Stelle. Sie informiert
können das PSI und LS integriert werden. Beide Institute die NAZ, die Einsatzzentrale Fedpol, diese die Bundes-
verfügen über eine umfassende Radioanalytik. anwaltschaft über den Fund. Anhand der Beurteilung
durch die Aufsichtsbehörde wird die Weiche gestellt, ob
In der radiologischen Ereignisbewältigung sind die Bun- das Ermittlungsverfahren durch die Bundesanwaltschaft
deslabore und deren operative Mittel in der Probenah- mit der Bundeskriminalpolizei und im Nebenprozess die
me- und Messorganisation des Bundes bei erhöhter Ra- Nukleare Forensik Schweiz (NF CH) bearbeitet wird. Die
dioaktivität (kurz MO) organisiert. Unter der Führung der NF CH ist das operative Mittel (Einsatzequipe Nuklear des
Nationalen Alarmzentrale kommen diese in der Akut- VBS, A-EEVBS) aus dem Labor Spiez gekoppelt mit dem
phase in den Einsatz. Neben Messungen vor Ort werden Forensischen Dienst Zürich (FOR), das vor Ort die ermitt-
durch die MO Umweltproben verschiedenen Typs erho- lungsrelevanten, technisch-wissenschaftlichen Daten er-
ben. Die Proben werden umfassend radioanalytisch und hebt und das radioaktive Material für die konventionel-
ereignisbezogen untersucht. Die grösste Kapazität hat le und nuklearforensischen Untersuchungen im LS und
das Labor Spiez, da bei radiologischen Ereignissen oder FOR birgt und in das LS verschiebt.
grossem Probenanfall das Armeelabor ABC Abwehr La-
bor 1, die A-Spezialisten dieser Formation, in die radio Das Labor Spiez ist das national designierte Laboratorium
analytische Bewältigung des Ereignisses integriert wer- für die Nukleare Forensik. Es verfügt über die umfassen-
den kann. Es handelt sich um eine Formation mit hoher de Radioanalytik in diesem Gebiet. Es muss erwähnt wer-
Bereitschaft, d. h. sie steht am zweiten Tag nach Aufge- den, dass national in diesem Bereich unter der nuklearen
bot im Labor. Rund 60 A-Spezialistinnen und Spezialis- Forensik nicht nur die Bearbeitung von Nuklearmaterial,
ten sind an den meisten Messmitteln im Labor und den sondern radioaktivem Material generell, mit einer foren-
mobilen Messmitteln ausgebildet. Die meisten Milizspe- sischen Relevanz verstanden wird. Mit der Etablierung
zialisten sind zivil aktiv im naturwissenschaftlichen Stu- der Nuklearen Forensik im LS hat die schweizerische
dium, an Hochschulen, kantonalen Laboratorien und der Aussenpolitik die Verpflichtung, unterzeichnet in den
chemischen Industrie. Es werden jährlich zwei Wieder- Nuclear Security Summits und anderen Vertragswerken,
holungskurse durchgeführt, um sicherzustellen, dass die seit einigen Jahren erfüllt. Das LS ist auf dem Gebiet der
Messmethoden beherrscht werden. Das LS ist als einziges Nuklearen Forensik aktiv beteiligt in Arbeitsgruppen der
Bundeslabor vorbereitet auch Lebensmittel umfassend zu IAEA, der Global Initiative to Combat Nuclear Terrorism
analysieren. Weitere Radioanalytik für den Ereignisfall ist (GICNT) und der internationalen technischen Arbeits-
bundesseitig beim PSI und reduziert im BAG und der Ea- gruppe zur Nuklearen Forensik (ITWG). Daneben pflegt es
wag zu finden. In diesem Zusammenhang muss auch die die Zusammenarbeit mit dem Joint Research Center (JRC)
Armee erwähnt werden, die in den ABC-Abwehrformati- der EU in Karlsruhe, Livermore National Laboratory und
onen, neben dem oben erwähnten ABC Abw Lab 1, in der Los Alamos National Laboratory, beide USA. Mit der im
ABC-Einsatzkompanie und im ABC Abwehr Bataillon 10 LS angewendeten Radioanalytik kann Kernmaterial um-
mobile Messmittel und mobile Labore subsidiär oder im fassend analysiert werden. Spezifische VerunreinigungenSie können auch lesen
