Radioaktivität und Strahlung
Radioaktivität. Ein Wort, das viel Gewicht und viele Assoziationen mit sich bringt. Wir können sie weder direkt sehen noch riechen oder schmecken und doch kann sie große Schäden verursachen. Kein Wunder, dass Radioaktivität vielen sogar Angst macht. Hinter Radioaktivität steckt aber noch mehr. Moderne bildgebende Verfahren in der Medizin oder bestimmte Therapieformen, beispielsweise bei Krebs, wären ohne sie undenkbar. Wie so oft ist es also die Art des Umgangs, die entscheidend für Schaden und Nutzen, Vorsicht oder Angst ist.
Um besser zu verstehen, was unsere Strahlenschützer*innen in ihrem Berufsalltag tun, um Mensch und Umwelt vor potenziell gefährlichen Stoffen zu schützen, wollen wir auf dieser Seite einen kurzen Überblick über Atome, Radioaktivität und Strahlung geben.
Natürliches Vorkommen von Strahlung
Ionisierende Strahlung ist überall. Natürlich vorkommende, radioaktive Nuklide finden sich im Erdboden, in der Luft und im Wasser. Weitere Quellen sind zum Beispiel die kosmische Strahlung aus dem Weltall oder Röntgenstrahlung von medizinischen Untersuchungen. Je nach Wohnort, Essgewohnheiten oder Hobbies schwankt die natürliche Belastung zwischen 1 und 10 Millisievert pro Jahr, der Durchschnitt der natürlichen Strahlenbelastung in Deutschland liegt bei 2,1 Millisievert pro Jahr.
Nahrungsmittel enthalten radioaktive Nuklide. Ein Beispiel dafür ist das natürlich auftretende Kalium-40, das in allen kaliumhaltigen Stoffen und damit z. B. auch in Bananen vorkommt. In Deutschland werden pro Jahr und Person etwa 12 Kilo gegessen, die aus dem Verzehr einer Banane folgende Dosis liegt aber nur bei 0,0001 Millisievert. In den Bergen oder bei Flügen ist die natürliche Belastung durch die kosmische Strahlung etwas höher als auf Meereshöhe, die Zusammensetzung der Böden und Gesteinsschichten lässt die terrestrische Strahlung variieren. Dazu kommt die individuelle Belastung durch medizinische Untersuchungen wie Röntgenaufnahmen. Alles in allem sind diese Werte im Bereich weniger Millisievert pro Jahr aber kein Grund zur Sorge.
Beim Umgang mit kontaminierter Salzlösung in der Schachtanlage Asse ist Umsicht geboten. Schutzkleidung ist dabei unerlässlich.
Jedes Atom besteht aus einem Atomkern und der umgebenden Atomhülle. Im Kern befinden sich Protonen und Neutronen, in der Hülle bewegen sich Elektronen. Die Zahl der Protonen ist bei einem Element gleich groß wie die Zahl der Elektronen, zum Beispiel bei Wasserstoff nur eins, bei Sauerstoff acht oder bei Eisen 26. Die Menge der Neutronen kann sich aber unterscheiden – man spricht von Isotopen eines Elements, die häufig instabil sind. Bei Wasserstoff gibt es zum Beispiel noch das stabile Deuterium mit einem Neutron und das instabile Tritium mit zwei. Um wirklich jedes Atom genau bezeichnen zu können, egal ob stabil oder nicht, wird im Strahlenschutz auch von einem Nuklid gesprochen. Das ist ein allgemeiner Ausdruck für einen Atomkern mit einer bestimmten Anzahl Protonen und Neutronen.
Ein instabiles Nuklid hat, vereinfacht gesagt, zu viel Energie. Diesen Überschuss möchte es verlieren und so kommt es zum radioaktiven Zerfall – es wird Strahlung freigesetzt. Diese Energieabgabe wird als ionisierende Strahlung bezeichnet. Je nachdem welches Nuklid zerfällt, gibt es unterschiedliche Wege, diese Energie abzubauen: durch Alpha-, Beta- und Gammastrahlung.
Ionisierende Strahlung
Es gibt viele verschiedene Strahlungstypen. Das sichtbare Licht gehört auch dazu. Im Bereich des Strahlenschutzes der BGE betrachten wir insbesondere die ionisierende Strahlung. Nur bestimmte Strahlung kann auch andere Atome ionisieren – also aus einem elektrisch neutralen Atom ein geladenes Teilchen machen.
Alpha-Strahlung
Bei der Alpha-Strahlung (α) wird ein Heliumkern ausgestoßen, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Insbesondere schwere Radionuklide zerfallen auf diese Weise.
Das α-Teilchen ist ein Kern ohne Elektronen, also positiv geladen und kann andere Atome ionisieren. Aufgrund ihrer hohen Masse und Kernladung können sie nicht weit in Materie eindringen. Selbst in der Luft haben sie unter Normaldruck nur wenige Zentimeter Reichweite und können bereits von einem Blatt Papier gänzlich abgeschirmt werden. Auf diesem kurzen Weg kann der geladene Kern aber eine große Zahl von Ionen und damit auch große Gewebeschäden erzeugen, insbesondere wenn ein Alphastrahler direkt in den Körper gelangt.
Beta-Strahlung
Bei dieser Strahlung gibt es zwei Varianten – Beta-Minus (β-) und Beta-Plus (β+). Hier werden negativ geladene Elektronen bzw. die positiv geladenen Positronen vom Kern ausgesendet. Beim β-Zerfall wird ein Neutron zu einem Proton, im β+ ist es umgekehrt.
Auch wenn die β-Teilchen viel weniger Masse als ein α-Teilchen haben, können sie als geladene Teilchen immer auch andere Atome ionisieren. Es kann einen deutlich längeren Weg durch die Luft zurücklegen und auch in feste Materie eindringen. Einige Blatt Papier oder ein Aluminiumblech reichen aber bereits zur Abschirmung.
Gamma-Strahlung
Nach oder während eines Alpha- oder Betazerfalls kann der Atomkern in einem angeregten Zustand zurückbleiben. Durch die anschließende Neuordnung der verbleibenden Protonen und Neutronen im Kern des Atoms wird Energie in Form von sogenannten Gammaquanten frei.
Da diese Gammaquanten weder elektrische Ladung noch Masse besitzen, können sie sehr weit in Materie eindringen und nur durch z. B. dicke Bleischichten abgeschwächt werden. Auf ihrem Weg können sie z. B. durch Stoßprozesse andere Atome ionisieren. Bildlich gesprochen: Sie stoßen Elektronen eines Atoms an, übertragen Energie und stoßen das Elektron so aus der Atomhülle heraus.
Es kann nicht genau vorhergesagt werden, wann ein einzelnes Nuklid zerfällt. Da aber schon in einem Gramm Sand mehr Atome enthalten sind, als es Sandkörner in der Sahara gibt, können auch viele Zerfälle beobachtet und Statistiken aufgestellt werden. Dadurch lässt sich gut vorhersagen, in welchem Zeitraum die Hälfte der Kerne eines Nuklids zerfallen werden. Diese Zeitspanne nennt man Halbwertszeit und ist für jedes Nuklid unterschiedlich. Die Spanne reicht von extrem kurzen Zeiträumen bis hin zu Trillionen von Jahren, sodass selbst die wissenschaftliche Beobachtung schwierig wird. Jenseits solcher Extremfälle ist die Halbwertszeit für die allermeisten Nuklide sehr genau bestimmbar.
Ionisierende Strahlung kann lebendes Gewebe schädigen. Durch die Ionisierung im Körper können z. B. das Erbgut beschädigt und Zellen abgetötet werden. Bei Alpha- und Beta-Strahlung hängt die Schwere der Schäden stark davon ab, ob die Radionuklide in den Körper gelangen oder sie „nur“ von außen wirken. Die Wirkung unterscheidet sich auch, je nachdem, welches Gewebe der Strahlung ausgesetzt ist – zum Beispiel ist die Haut unempfindlicher als das Auge.
Durch Strahlung können Veränderungen im Erbgut der Zellen auftreten. Greifen die Reparaturmechanismen
des Körpers nicht, kann es zu Mutationen kommen. Bei steigender Anzahl solcher Mutationen kann beispielsweise Krebs entstehen. Solche Schäden werden im Strahlenschutz als stochastische Wirkung bezeichnet. Die Wahrscheinlichkeit dafür beträgt nie Null, steigt aber mit der Strahlungsintensität an. Bei hohen Strahlenintensitäten werden Zellen auch aufgrund der hohen Energieeinwirkung in ihren Funktionen gestört und es kommt direkt zum Absterben der Zellen. Diese unmittelbar eintretenden Wirkungen werden deterministische Strahlenschäden genannt.
Es gibt Schwellenwerte, unterhalb derer keine direkten Schäden zu erwarten sind, aber nur durch konsequente Minimierung der Strahlungsexposition lassen sich stochastische Strahlenschäden verringern.
Im Strahlenschutz trifft man immer wieder auf verschiedene Messeinheiten – besonders auf Becquerel und Sievert.
Aktivität in Becquerel (Bq)
Das ist das Maß für einen radioaktiven Zerfall pro Sekunde und beschreibt damit die Aktivität des radioaktiven Stoffes. Da schon winzigste Mengen eines Stoffes sehr viele Atome enthalten, ist 1 Bq auch eine sehr kleine Einheit. Üblicherweise wird bei der Angabe daher mit Vorsilben wie Kilo-, Mega- oder Gigabecquerel bzw. der Angabe mit Potenzen gearbeitet. Die Aktivität ist abhängig von der Halbwertszeit und der Menge der im Material vorliegenden Nuklide.
Dosis in Sievert (Sv)
Dies beschreibt die Äquivalentdosis, mit der die Wirkung ionisierender Strahlung auf Gewebe angegeben wird. Hierbei wird nicht nur die Energie der Strahlung berücksichtigt, die auf einen Körper trifft, sondern auch, wo diese Strahlung wirkt, wie lange sie gewirkt hat und um welche Strahlungsart es sich handelt: Die Haut ist vergleichsweise unempfindlich, das Auge deutlich sensibler und wenn ein Radionuklid in den Körper gelangt, ist die schädliche Wirkung ungleich höher. 1 Sv ist dabei schon ein sehr großer Wert, der in der Praxis nicht vorkommt. Deswegen wird die Dosis in Milli- oder Mikrosievert angegeben.
Dosisleistung in Sievert pro Stunde (Sv/h)
Das beschreibt die Dosis innerhalb einer definierten Zeitspanne und damit die Wirkung ionisierender Strahlung, die im Moment auf das Gewebe wirkt.
Die A's des Strahlenschutzes
Strahlenschutz ist vor allem eine präventive Aufgabe. Der Kontakt und die Kontamination mit radioaktiven Stoffen soll soweit wie möglich unterbunden und die Strahlenbelastung damit so klein wie möglich gehalten werden. Dafür gibt es als einfache Faustregel die A's des Strahlenschutzes:
Möglichst viel Abstand zu radioaktiven Materialien zu halten, verringert die Belastung.
Nur so lange in der Nähe radioaktiver Stoffe zu sein wie unbedingt nötig ist, verringert die Belastung.
Durch eine geeignete und ausreichend dicke Abschirmung wird Gammastrahlung effektiv verringert.
Radioaktive Substanzen sollten nicht in den Körper gelangen, da sie hier große Schäden anrichten können.
Die aufwendigste Abfallentsorgung Deutschlands
Seit 1957 gibt es in der Bundesrepublik kerntechnische Anlagen – und damit auch radioaktive Abfälle. Auch wenn der Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen ist und die Kernkraftwerke zurückgebaut werden, werden uns deren Überreste sowie die Abfälle aus Industrie und Forschung noch lange beschäftigen.
Bis zum Jahr 2080 rechnen die Expert*innen der Bundesregierung mit folgenden Mengen an schwach- und mittelradioaktivem Abfall:
- 360.000 Kubikmeter Abfall aus Betrieb und Rückbau der Kernkraftwerke und Nuklearanlagen der öffentlichen Hand sowie aus Industrie, Forschung und Medizin
- 200.000 Kubikmeter zurückgeholter Abfall aus der Schachtanlage Asse
- 100.000 Kubikmeter Rückstände aus der Urananreicherung
Hinzu kommen etwa 27.000 Kubikmeter hochradioaktiver Abfall. Dieser Abfall setzt sich zusammen aus abgebrannten Brennelementen aus Kernkraftwerken und Forschungsreaktoren sowie Glaskokillen aus der Wiederaufarbeitung. Das sind zwar nicht einmal fünf Prozent der Gesamtmenge – aber sie enthalten 99 Prozent der Aktivität.