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Radioaktivität im Boden (Cäsium-134 und Cäsium-137) 1991

Einleitung

Der Reaktorunfall von Tschernobyl am 26. April 1986 hat schlagartig die Gefahren, wie sie durch künstliche radioaktive Strahlung entstehen können, deutlich gemacht. Durch die gegenüber dem Reaktorunglück in Harrisburg (USA) im Jahre 1979 ungleh3. Ihre Überschrift :ich größere Katastrophe in Tschernobyl wurden enorme Mengen radioaktiver Substanzen freigesetzt, mit Wind und Wetter verfrachtet und schließlich als radioaktiver Staub und Regen (Fallout, Washout) auf dem Erdboden deponiert.

Quellen natürlicher Strahlung

Unabhängig von solchen, vom Menschen verursachten Ereignissen, gibt es natürliche Strahlenquellen. Sie wirken als kosmische Strahlung bzw. als durch den Zerfall natürlich vorkommender radioaktiver Substanzen entstehende terrestrische Strahlung auf die Umwelt ein. Seit dem Beginn der Industrialisierung vor 200 Jahren werden durch Bergbau (besonders bei der Urangewinnung), Kohleverbrennung, aber auch durch Zementproduktion, Straßenbau und andere menschliche Aktivitäten zunehmend radioaktive Stoffe erzeugt oder umgelagert und damit zusätzliche Strahlung freigesetzt. Man unterscheidet zwischen radioaktiven Elementen, die durch die Anzahl der Protonen im Atomkern definiert sind und ihren Isotopen. Hier hat sich durch das Eindringen von Teilchen (z. B. Neutronen) in den Atomkern ein neuer, meist unbeständigerer Kern gebildet. Über Lebensmittel, Trinkwasser und Luft gelangen diese natürlichen Radionuklide in den menschlichen Körper und führen damit zu einer großräumig verbreiteten Hintergrundbelastung. Je nach geologischer Beschaffenheit des Bodens und Höhenlage des Wohnortes schwankt dabei der Belastungswert in Deutschland um bis zu 20 %. In Abbildung 1 werden einige natürliche radioaktive Isotope gezeigt.

Abb. 1: Quellen natürlicher radioaktiver Strahlung (H=Wasserstoff, Be=Beryllium, C=Kohlenstoff, Na=Natrium, P=Phosphor, S=Schwefel, K=Kalium, Ra=Radium, U=Uran, Th=Thorium)
Abb. 1: Quellen natürlicher radioaktiver Strahlung (H=Wasserstoff, Be=Beryllium, C=Kohlenstoff, Na=Natrium, P=Phosphor, S=Schwefel, K=Kalium, Ra=Radium, U=Uran, Th=Thorium)
Bild: Umweltatlas Berlin

Quellen künstlicher Strahlung

Zu der oben genannten natürlichen Strahlenbelastung kommt die künstliche, d. h. vom Menschen verursachte Strahlenbelastung hinzu. Hier waren in den 50er und 60er Jahren in erster Linie die oberirdischen Kernwaffenversuche für einen hohen globalen Fallout verantwortlich. Abhängig von Umfang und Form der Freisetzung haben sich die radioaktiven Zerfallsprodukte verteilt und sind selbst in ansonsten vom Menschen noch weitgehend unbeeinflußten Gebieten deutlich nachzuweisen.

Man unterscheidet bei der vom Menschen hervorgerufenen Strahlenbelastung vor allem die der medizinischen Diagnostik und Therapie sowie die der kerntechnischen Anlagen. Bei der Kernspaltung in einem Atomreaktor entsteht eine Fülle radioaktiver Stoffe, die Spaltprodukte. Die genaue Art und Zusammensetzung dieser oft langlebigen Produkte hängt vom Typ des Reaktors, seiner Betriebsdauer und seiner Auslastung ab. Daher ließen sich durch Kenntnis dieser Faktoren eindeutige Angaben über die Art der Emissionen während des Reaktorunfalls von Tschernobyl machen. Es handelte sich vor allem um radioaktives Jod und Cäsium, aber auch um Strontium, Molybdän, Barium und das weniger bekannte Ruthenium. Als Leitnuklid kann dabei aufgrund seines prozentualen Anteils am Tschernobylspezifischen Gesamtnuklidspektrum sowie seiner Langlebigkeit das Isotop Cäsium-137 gelten (vgl. Tab.1).

Wirkungszusammenhänge

Über die Beschreibung der reinen Emissionswerte hinaus interessieren besonders die gesundheitlichen Auswirkungen durch ionisierende Bestrahlung. Diese komplexen Wirkungszusammenhänge sind bis heute nicht vollständig geklärt. In vereinfachter Form können die Zusammenhänge in folgender Weise beschrieben werden: Beim radioaktiven Zerfall wandeln sich instabile Nuklide durch Aussenden von Teilchen (z.B. Elektronen, Positronen, Neutronen) und/oder elektromagnetischer Strahlung (Photonen) in stabile Isotope um, wobei die Energie der Strahlung für die gesundheitliche Gefährdung von großer Bedeutung ist. Nach der Aussendung der Partikel entstehen häufig neue Nuklide, die weiter zerfallen können.

Die Aktivität einer radioaktiven Substanz wird durch die Einheit Becquerel (Bq) gekennzeichnet, die die Anzahl der Kernzerfälle pro Sekunde ausdrückt. 1 Bq bedeutet einen Zerfall pro Sekunde. Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der die Aktivität durch Zerfallsprozesse um die Hälfte abgenommen hat; sie bestimmt somit auch den Zeitraum hoher Anreicherungen des jeweiligen Elementes in der Umwelt. Die Aktivität ist nicht die einzige physikalische Größe, die man benötigt, um die Wirkung ionisierender (Ladungsenergie übertragender) Strahlung im menschlichen Körper zu beurteilen. Grundsätzlich besteht die Gefährdung durch ionisierende Strahlung darin, daß durch Veränderungen in den Zellen z. B. Krebserkrankungen oder Erbschäden verursacht werden können. Um diese Gefahren im Einzelfall zu beurteilen, müssen weitere physikalische Größen betrachtet werden. Dabei kommt der sogenannten effektiven Äquivalentdosis, angegeben in Sievert (Sv), eine besondere Bedeutung zu. Hierbei wird versucht, durch Umrechnungsfaktoren die unterschiedliche biologische Wirksamkeit verschiedener Strahlungsarten in den einzelnen menschlichen Organen – auch im Hinblick auf ihre unterschiedliche Strahlungsempfindlichkeit – quantitativ auszudrücken. In der Strahlenschutzverordnung werden auf dieser Grundlage unter Berücksichtigung mittlerer Verzehrgewohnheiten eines gesunden Erwachsenen verschiedene Grenzwerte festgeschrieben. Es wird bei der Grenzwertfestsetzung auch zwischen beruflich strahlenexponierten Personen und der allgemeinen Bevölkerung unterschieden.

Entwicklung der Belastung durch künstliche Radioaktivität

Seitdem durch Kernwaffenversuche künstliche Radionuklide in die Atmosphäre gelangten, sind Untersuchungen angestellt worden, die Kenntnisse über globale Ausbreitung und Verteilung der Radionuklide in den verschiedenen Bereichen der Biosphäre geliefert haben.

Für Berlin liegt eine langjährige Meßreihe zur mittleren künstlichen radioaktiven Belastung der Luft vor. Auch in Zeiten hoher Belastung beträgt die mittlere künstliche Radioaktivität danach nur weniger als 10 % der natürlichen, die etwa 5–7 Bq/m3 beträgt; Tagesspitzenwerte, wie sie etwa nach dem Reaktorunfall in Tschernobyl erreicht wurden, können jedoch beträchtlich über diesen Werten liegen (vgl. Abb.4). Im Verlauf der Graphik in Abbildung 2 wird eine Abhängigkeit der Luftbelastung von den oberirdischen Kernwaffenversuchen deutlich, wobei die gemessenen Berliner Werte zeitlich versetzt um etwa ein Jahr zu den Kernwaffentests zu interpretieren sind. Hier spielen die Aufenthaltszeiten der Nuklide in höheren Atmosphärenschichten eine entscheidende Rolle. 1963 stellt ein Jahr besonders hoher Kontaminationen dar. Die Ursache liegt in den Kernwaffenversuchen 1961/62, bei denen Wasserstoffbomben hoher Sprengkraft oberirdisch gezündet wurden.

Die Werte der 70er Jahre können mit den trotz des Kernwaffen-Teststopps durchgeführten chinesischen und französischen Versuchen begründet werden. In den 80er Jahren erfolgte dann ein Absinken der Werte auf ein sehr niedriges Niveau; so war die künstliche Radioaktivität 1963 tausendmal intensiver als in der Zeit von 1982 bis 1985. Erst der Unfall in Tschernobyl 1986 ließ die Belastungswerte wieder hochschnellen. Innerhalb weniger Tage wurde durch ein Einzelereignis über einem Großteil Europas ein Belastungsniveau erreicht, das nur mit den Folgen der Kernwaffenversuchsserien von 1961/62 vergleichbar ist. Auswaschung durch Niederschlag und Sedimentation führten zu einer Reduzierung der Luftbelastung bereits 1986 auf ”Vor-Tschernobyl-Niveau”.

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Abb. 2: Tagesmittelwerte der künstlichen Radioaktivität in der Luft am Messpunkt Dahlem (Rest-Beta-Aktivität)
Bild: FU Berlin 1992

Verlauf des Reaktorunfalls in Tschernobyl

In Tschernobyl trat am 26. April 1986 um 01.23 Uhr Ortszeit ein plötzlicher Leistungsabfall im Reaktorkern eines Blockes auf. Der im Reaktor entstehende Brand und die damit verbundenen hohen Temperaturen trugen die freigesetzten Radionuklide in Höhen bis zu 1 500 m. Diese Emissionshöhe, Windrichtung und Windgeschwindigkeiten waren Ursachen dafür, daß die radioaktiven Stoffe in der Luft über einen Weg von mehreren tausend Kilometern auch in den Berliner Raum verfrachtet wurden. Die Freisetzung der Stoffe wurde erst am 13.5.1986 gestoppt. Die radioaktiven Luftmassen erreichten Berlin am 30. April 1986 und führten hier zu einer ersten ausgeprägten Belastungsspitze.

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Abb. 3: Ausbreitung von am 29. April 1986 emittierten Partikeln in 1 500 m Höhe; das Zeitintervall zwischen zwei Teilstrichen beträgt 12 Stunden
Bild: Neider 1986

Abbildung 3 zeigt als Beispiel die Ausbreitung von am 29. April emittierten Partikeln. Während der ersten zwei Tage mit vorherrschenden Ostwinden waren überwiegend Ungarn und Österreich betroffen, am 2. Mai wechselte die Windrichtung auf Süd und verfrachtete die Schadstoffe auch über weite Teile Deutschlands. Die Radionuklide in diesen Luftmassen erreichten am 4. Mai Berlin und führten hier zu einer zweiten Belastungsspitze bei den Luftmessungen (vgl. Abb. 4).

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Abb. 4: Tages-Maximumwerte der Beta-Gesamt-Aktivität (natürliche und künstliche Radioaktivität) der Luft vom 27. April bis 12. Mai 1986 in Berlin am Hahn-Meitner-Institut
Bild: Neider 1986

Die Freisetzung radioaktiver Stoffe aus dem brennenden Reaktor sowie deren Verlagerung bedeutete zunächst einmal eine Gefährdung der Bevölkerung durch das Einatmen kontaminierter Luft. Doch auch die langfristig wirkenden Prozesse – etwa mittels Deposition von Radionukliden mit dem Niederschlag – sind von Bedeutung und im Hinblick auf die Belastung der Umweltmedien Boden, Grund- und Oberflächenwasser sowie Nahrungsmittel zu bewerten. Dabei kommt dem Boden als wichtigstem Ausgangsmedium für alle Verlagerungsprozesse eine besondere Rolle zu.