Strahlenexposition & Wirkungen

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1 Strahlenexposition & Wirkungen Prof. Dr. S. Prys Fachkunde im Strahlenschutz Inhalte Ionisierende Strahlung Die Strahlenbelastung des Menschen Zivilisatorische Strahlenanwendungen Natürliche Radioaktivität Strahlendosen LD 50 Strahlungswichtungsfaktor Organdosis Biologische Strahlenwirkungen Strahlenschäden Strahlenbiologische Wirkungskette Seite 1

2 0 Ionisierende Strahlung Radioaktivität Eigenschaft bestimmter Stoffe, sich ohne äußere Einwirkung umzuwandeln und dabei charakteristische Strahlung auszusenden Alpha-Zerfälle Beta-Zerfälle Gamma-Zerfälle Röntgenstrahlung Spontanspaltung Spallation u.a. Aussenden von e 2+ - Teilchen Aussenden von e -,e + aus dem Kern Aussenden von Photonen aus dem Kern Aussenden von Photonen aus inneren Elektronenschalen Spaltung eines Atomkernes Zertrümmerung eines Atomkernes direkt und indirekt ionisierende Strahlung 0.1 Aktivität Aktivität = Anzahl der Zerfälle pro Sekunde 1 Becquerel = 1 Zerfall pro Sekunde Symbol : Bq 1 Gramm Radium-226: 37 Milliarden Zerfälle pro Sekunde 37 Milliarden Bq = 1 Curie (Ci) Seite 2

3 0.1.1 Spezifische Aktivität Massenaktivität (Aktivität pro Stoffmengeneinheit) A M dn m dt A m N M A Bq kg Volumenaktivität (Aktivität pro Volumeneinheit) dn A Bq A V 3 V dt V m Flächenaktivität (Aktivität pro Flächeneinheit) dn A Bq A F 2 F dt F m 0.2 Strahlendosis: Energiedosis Energiedosis D = absorbierte Energie 1 J 1Gray kg Definition: Energiemenge, die durch die Strahlung auf eine Masseneinheit übertragen wird Symbol: Gy Alte Einheit: rad (1 Gy = 100 rad) Seite 3

4 0.3 Strahlendosis: Personendosis Äquivalentdosismessung bis 2001 / 2006 Äquivalentdosis = Zellschädigung durch absorbierte Energie D Q Definition: Sievert Äquivalentdosis, gemessen an einer für die Strahlenexposition repräsentativen Stelle der Körperoberfläche Symbol: Sv Alte Einheit: rem (1 Sv=100 rem) = Personendosis D = Energiedosis Q = Qualitätsfaktoren für Strahlungs- und Gewebeart 1 Die Strahlenbelastung des Menschen Vereinfachte Darstellung im msv/a Natürliche Strahlenbelastung in Deutschland - Überblick [msv/a] 0,4 0,3 0,3 1,1 Zivilisatorische Strahlenbelastung in Deutschland - Überblick [msv/a] 0,05 1,8 Radonbelastung Nahrung Boden Kosmos Medizinische Anwendungen Andere Zivilisatorische Belastungen Daten aus: Volkmer, Radioaktivität & Strahlenschutz Dezember 2012 Seite 4

5 1.1 Natürliche Strahlenbelastungen Zusammensetzung der natürlichen Strahlenbelastung Ursache der Strahlendosis kosmische Strahlung terrestrische Strahlung natürliche Inkorporationen totale natürliche Strahlenbelastung Effektive Dosisleistung [msv/a] typischer Wert für die Wertebereich für exponierte Bevölkerung Einzelpersonen 0,3 0,3 0,5 0,4 0,2 3 1,4 0,5 8 2, Daten aus: Volkmer, Radioaktivität & Strahlenschutz Dezember Kosmische Strahlung Zusammensetzung der geladenen Teilchen in der primären kosmischen Strahlung Kosmische Strahlung Teilchenart Anteil Protonen 86% eliumkerne 12% schwere Kerne 1% Elektronen 1% Daten aus: Volkmer, Radioaktivität & Strahlenschutz Dezember 2012 Seite 5

6 1.1.2 Kosmische Strahlung in D Dosisleistung [msv/a] 0,5 1,0 1, öhe über Meeresspiegel [km] amburg München Zugspitze Großglockner Daten aus: Volkmer, Radioaktivität & Strahlenschutz Dezember Natürliche Strahlenexposition (1) Kosmogene Radionuklide entstehen aus kosmischen Kernreaktionen Mittlere natürliche Strahlenexpositon in Deutschland unter Berücksichtigung einer Aufenthaltszeit von 20 % im Freien und 80 % in Gebäuden. Exposition durch jährliche effektive Dosis in msv Kosmische Strahlung in Meereshöhe: Ionisierende Komponente Neutronen Kosmische Strahlung in m Ionisierende Komponente Neutronen kosmogene Radionuklide Bestrahlung von außen 0,24 0,03 0,32 0,08 Bestrahlung von innen gesamt 0,27 0,4 0,02 0,02 Daten aus: Volkmer, Radioaktivität & Strahlenschutz Dezember 2012 Seite 6

7 1.1.4 Natürliche Strahlenexposition (2) Primordiale Radionuklide entstanden aus Asche schwerer Sterne Mittlere natürliche Strahlenexpositon in Deutschland unter Berücksichtigung einer Daten aus: Volkmer, Radioaktivität & Strahlenschutz Dezember 2012 Aufenthaltszeit von 20 % im Freien und 80 % in Gebäuden. Exposition durch jährliche effektive Dosis in msv Bestrahlung von Bestrahlung von außen innen gesamt Kosmische primordiale Strahlung Radionuklide in 0,27 Meereshöhe: K 40 0,18 0,17 0,35 Ionisierende Rb 87 Komponente U 238 Reihe: Neutronen 0,24 0,03 0,006 Kosmische U 238 > Strahlung Ra 226 in m 0,02 0,4 Rn 222 Ionisierende > Po 214 Komponente Pb 210 Neutronen > Po 210 0,32 0,12 0,08 1,1 0,05 1,3 Th 232 Reihe: kosmogene Radionuklide 0,14 0,02 0,02 0,2 Th 232 > Ra 224 0,01 Rn 220 > Tl 208 0,07 Summe 0,7 1,4 2, Terrestrische Strahlung (1) Typische spezifische Aktivität natürlicher Radionuklide in verschiedenen Bodenarten (gerundet) Bodenart Spezifische Aktivität [Bq/kg] K 40 Th 232 Ra 226 Granit Tuff Gneis Sandstein Basalt Daten aus: Volkmer, Radioaktivität & Strahlenschutz Dezember 2012 Seite 7

8 1.1.6 Terrestrische Strahlung (2) Terrestrische Strahlung in verschiedenen Gebieten Gebiet [msv/a] [msv/a] Mittlere effektive Jahresdosis Maximale Jahresortsdosis im Freien Deutschland 0,4 5 Indien: Teilbereiche von Kerala und Tamil Nadu 4 55 Brasilien: Teilbereiche von Espirito Santo Iran: Ramsar Daten aus: Volkmer, Radioaktivität & Strahlenschutz Dezember Belastung durch Radon Übersicht über die Radonkonzentration in der Bodenluft in einem Meter Tiefe in Deutschland Quelle: Isotop Rn 219 Rn 220 Rn 222 Rn Isotope albwertszeit 3,96 s 55 s 3,825 d Seite 8

9 1.2.1 Innere jährliche Strahlenexposition Nuklid Organ Dose [msv] K-40 Ganzkörper 0,17 C-14 Ganzkörper 0,015 U, Th + Töchter Knochen, Nieren 0,075 Rn + Töchter Lungen 1,0 Summe 1,3 msv Reference: ICRP Die natürliche Aktivität eines Standardmenschen Radionuklid Aktivität in Bq K C Rb Pb - 210, Bi - 210, Po Daughters Rn Be Daughters Rn Sonstige 7 Summe (ca. 130 Bq / kg) Daten aus: Volkmer, Radioaktivität & Strahlenschutz Dezember 2012 Seite 9

10 Aktivität eines Frühstücks Nahrungsmittel Aktivität in Bq 120 g Mischbrot 2,0 25 g Camenbert 0,9 25 g Corned Beef (Jugoslawien) 1,2 20 g Nuß-Nougat-Creme 3,2 125 ml schwarzer Tee (Türkei) 6,5 Nicht verkehrsfähig! 100 g Quark 0,2 25 g Blaubeeren 2,4 Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Aktivität eines Mittagessens Nahrungsmittel Aktivität in Bq 150 g Wildfleisch (Niedersachsen) 87,2 60 g Nudeln, gekocht 0,6 200 g Maronen (Niedersachsen) 210,6 Nicht verkehrsfähig! 20 g Pfirsich (Konserve, Griechenland) 1,0 10 g Preisselbeermus (Skandinavien) 0,0 150 g Vanilleeis 3,0 50 g Kirschen 16,7 Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Seite 10

11 2.0 Zivilisatorische Strahlenbelastungen Ursache der Strahlendosis Effektive Dosisleistung [msv/a] medizinische Anwendungen (2009) 1,8 0,01 > 30 Flugreisen 0,01 0,01 3 Industrieprodukte 0,001 < 0,001 0,01 Tschernobyl 0,005 0,005 0,02 Kernwaffentests 0,005 0,002 0,01 nukleare Energieerzeugung 0,001 < 0,001 0,01 fossile Energieerzeugung 0,001 < 0,001 0,01 Arbeitsumgebung bsep* 0,35 0,1 20 totale zivilisatorische Strahlenbelastung ohne bsep 1,8 0,01 > 30 Summe 3,9 *bsep beruflich strahlenexponiertes Personal Daten aus: Volkmer, Radioaktivität & Strahlenschutz Dezember Strahlenbelastungen aus der Medizintechnik Jahresmittelwerte pro Einwohner Röntgendiagnostik 1,8 msv/a (2006) Nuklearmedizinische Diagnostik 0,13 msv/a (2006) Therapeutische Strahlenanwendungen (2008) Patienten mit Strahlentherapie Medizinische Forschungen Keine Angaben Seite 11

12 2.1.1 Typische Dosiswerte bei Röntgenuntersuchungen Art der Untersuchung effektive Dosis in msv Zahnaufnahme < 0,01 Extremitäten 0,01 0,1 Schädelaufnahme 0,03 0,01 Thoraxaufnahme in 2 Ebenen 0,1 Arteriographie / Interventionen Computertomographische Untersuchungen 1-10 Mommographie 1-2 (Parenchymdosis msv pro Brust) Quelle: GSF Mensch und Umwelt Strahlen 2006, Bildquelle: Strahlenbelastungen aus sonstiger Technik Kernkraftwerke Kernforschung Sicherheitskontrollen von Gepäck Ionisationsrauchmelder Plutoniumbatterien Tritium-Gaslichtquellen in Uhren Militärische Anwendungen dirty bombs Seite 12

13 2.2.1 Lebensmittelbestrahlung ohe Strahlenresistenz bei Mikroorganismen Sv bei Strahlenkonservierung Sv bei Strahlensterilisation (in der Medizin) Bestrahlungsquellen: Cs-137 (602 kev) Co-60 (1,17 bzw. 1,33 MeV) Nachteile: Nicht alle Keime abgetötet Aroma- und Vitamin-, bzw. Proteinverluste Entstehung freier Radikale kanzerogen? Vertuschungsmöglichkeit für verdorbene Ware (geruchslos) Strahlenresistenz bei Mikroorganismen? Kuriositäten TseTse-Fliege Strahlensterilisation der Männchen Schlafkrankheit beim Menschen Naganaseuche bei Rindern Bekämpfung in Tansania durch Aussetzung von 8 Millionen strahlensterilisierten Männchen Befall der Rinder sank von 20 % auf < 1 % Pilz Cryptococus Neoformans gedeiht bei hoher Strahlenbelastung besser, Energienutzung aus ionisierender Strahlung, spezieller Melaninstoffwechsel? Seite 13

14 2.2.2 Belastung durch Baustoffe Baustoff zusätzliche effektive Jahresdosis in msv olz 0 Kalkstein, Beton 0,12 Ziegel, Klinker 0,15 Schlackenstein, Bims 0,25 Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Strahlenbelastung beim Fliegen Effektive Dosis durch öhenstrahlung auf ausgewählten Flugrouten Abflug Ankunft Dosisbereich* [µsv] Frankfurt Gran Canaria Frankfurt Johannesburg Frankfurt New York Frankfurt Rio de Janeiro Frankfurt Rom 3-6 Frankfurt San Francisco Frankfurt Singapur * Die Schwankungsbreite geht hauptsächlich auf die Einflüsse von Sonnenzyklus und Flughöhe zurück. Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Seite 14

15 2.2.4 Strahlenbelastung bei der Raumfahrt Flug Flugdauer [h] Dosis [msv] Erdumkreisung APOLLO VII 260 3,6 Erdumkreisung SALJUT 6 / IV Mondumkreisung APOLLO XI 147 5,7 Mondlandung APOLLO XI Mondlandung APOLLO XIV Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz 2.3 Beispiele für Äquivalentdosen 7000 msv Strahlentod LD msv Schwere Strahlenkrankheit LD msv "Strahlenkater 250 msv Schwellendosis (erste klinische Effekte) 200 msv/a Maximale natürliche Strahlenbelastung (Brasilien, Monazit) 0,01 msv 3 h Flug 10 km öhe 20 msv/a Grenzwert für berufliche Strahlenbelastung (Kategorie A) 6 msv/a Grenzwert für berufliche Strahlenbelastung (Kategorie B) 0,3 msv/a Grenzwert für Belastung aus kerntechnischen Anlagen 2,0 msv/a Mittlere Strahlenbelastung durch medizinische Anwendungen 2,1 msv/a Mittlere natürliche Strahlenbelastung D <3 msv/a Zusätzliche natürliche Strahlendosis (Beton-, Granitbauten) Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Seite 15

16 3 Biologische Strahlenwirkungen die mittlere Letaldosis LD 50 ist die bei der Bestrahlung mit einer bestimmten Strahlenart aufgenommene Energiedosis, bei der innerhalb einer bestimmten Zeit 50% einer großen Anzahl von Individuen einer gegebenen Art getötet werden. LD 50,man = 4 Sv LD 100,man = 7 Sv die mittlere Letalzeit ist die Zeit, in der 50% der Lebewesen einer großen Anzahl von Individuen einer gegebenen Art als Folge einer Bestrahlung mit einer bestimmten Energiedosis sterben muss. 3.1 Die Strahlenempfindlichkeit unterschiedlicher Lebewesen Außenskelett Innenskelett Stoffwechsel DNA Menge Genetische Disposition Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Seite 16

17 3.2 RBW RBW = relative biologische Wirksamkeit Die RBW gibt an, wievielmal größer die Energiedosis einer Vergleichsstrahlung (meist 200 kv Röntgenstrahlen) sein muss als die Energiedosis der zu bewertenden Strahlung, damit dieselbe biologische Wirkung erzielt wird Ionisierungsdichte locker ionisierend Elektronen, Photonen dicht ionisierend Alphateilchen, Schwerionen biologisch wirksamer Seite 17

18 3.2.2 Wirkung verschiedener Strahlenarten Alpha-Bestrahlung Seite 18

19 Gamma-Bestrahlung Neutronen-Bestrahlung Seite 19

20 3.2.3 Strahlenwichtungsfaktor w R Strahlenart Strahlenwichtungsfaktor w R Photonen, alle Energien 1 Elektronen und Myonen, alle Energien 1 Neutronen < 10 kev 5 Neutronen kev 10 Neutronen kev 20 Neutronen 2 20 MeV 10 Neutronen > 20 MeV 5 Protonen, außer Rückstoßprotonen > 2 MeV 5 Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Kerne 20 Quelle: StrlSchV Relative Strahlenempfindlichkeit Seite 20

21 3.3 Organdosis ICRP 1991 Die Dosis, welche die biologische Wirksamkeit der Strahlung wichtet, wird als Organdosis bezeichnet. Für die Organdosis eines Gewebes oder Organs T gilt: T, R T w R R D R T, R w D T, R T,R T w R D TR = Organdosis auf Organ/ Gewebe T bei Strahlung R = Organdosis auf Organ/ Gewebe T = Strahlungswichtungsfaktor, = Energiedosis auf Gewebe/Organ T mit Strahlungsart R Definition gültig zwischen 0,5 1 Sv Organdosis (2) Aufs Gewebe übertragene Strahlenenergie Aufs Gewebe übertragene gewichtete Strahlenenergie entsprechend w R Energiedosis multipliziert mit w R Organdosis Seite 21

22 3.3.2 autexposition Gewebewichtungsfaktor w T Gewebe / Organe Gewebewichtungsfaktor w T Gonaden 0,20 Dickdarm, Knochenmark (rot) 0,12 Lunge, Magen 0,12 Blase, Brust, Leber 0,05 Schilddrüse, Speiseröhre 0,05 aut, Knochenoberfläche 0,01 Andere Organe oder Gewebe 0,01 ZNS 0,20 Quelle: StrlSchV Seite 22

23 3.4 Effektive Dosis ICRP 1991 Mit der effektiven Dosis wird das Gesamtstrahlenrisiko berechnet: E wt T wt wr DT, T T R R E = effektive Dosis w T = Strahlungswichtungsfaktor T = Organdosen Effektive Dosis (2) Für stochastische Strahlenwirkungen Aufs Gewebe übertragene gewichtete Strahlenenergie entsprechend w R entsprechend w T Organdosis multipliziert mit w T Effektive Dosis Seite 23

24 3.4.2 Strahlenempfindlichkeit verschiedener Organe Einflussgrößen Strahlenart Strahlendosis Milieufaktoren (z.b. O 2 -Gehalt) Strahlenempfindlichkeit zeitliche Dosisverteilung räumliche Dosisverteilung Seite 24

25 3.5 Ortsdosis Äquivalentdosis = Zellschädigung durch absorbierte Energie Definition: Sievert Äquivalentdosis, gemessen mit den in Anlage VI Teil A StrlSchV angegebenen Messgrößen an einem bestimmten Ort Symbol: Sv Alte Einheit: rem (1 Sv=100 rem) 3.6 Strahlungsexposition Externe Bestrahlung Ganzkörperbestrahlung Teilkörperbestrahlung autbestrahlung (durch weiche Gamma- oder Elektronenstrahlen) Bestrahlung infolge Kontamination von Kleidung, aare, aut Interne Bestrahlung Einatmen radioaktiver Stoffe (Inhalation) Aufnahme radioaktiver Stoffe über den Magen-Darm-Kanal (Ingestion) Aufnahme radioaktiver Stoffe über Wunden (Injektion) Aufnahme von -3 über die unversehrte aut (dermatologische Aufnahme) Seite 25

26 3.6.2 Dosisfaktoren *Werte nur für Erwachsene gültig Radionuklid Organ Dosisfaktor in Sv/Bq * K-40 effektive Dosis 6, Sr-90 Knochenoberfläche 4, effektive Dosis 2, I-131 Schilddrüse 4, effektive Dosis 2, Cs-134 effektive Dosis 1, Cs-137 effektive Dosis 1, Po-210 Nieren 1, effektive Dosis 1, Ra-226 Knochenoberfläche 1, effektive Dosis 2, Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Biologische & effektive albwertszeit biologische albwertszeit unterschiedlich bei unterschiedlichen Organen bei unterschiedlichen Ernährungsgewohnheiten 1 Teff 1 Tbio 1 Tphys T eff = effektive albwertzeit, T bio = biologische albwertzeit, T phys = physikalische albwertzeit Seite 26

27 Biologische albwertszeiten Radionuklid biologische WZ Speicherorgan 3 10 d Körpergewebe / Körperwasser C 14 Fett Sr a Knochen K d Muskulatur Cs d Muskulatur / Ganzkörper 65 d Muskulatur / Ganzkörper Ra ,9 a Knochen U a Knochenoberfläche Th a Leber 20 a Knochenoberfläche I d Schilddrüse 4 Strahlenschäden Unter deterministischen oder nichtstochastischen Strahlenschäden versteht man Strahlenschäden, deren Schweregrad mit zunehmender Strahlenexposition (Dosis) zunimmt und die erst oberhalb bestimmter Werte der Strahlenexposition (Schwellwert) klinisch nachweisbar sind. Als stochastische Strahlenschäden bezeichnet man Strahlenschäden, bei denen die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens mit zunehmender Strahlenbelastung zunimmt, deren Schweregrad jedoch nicht dosisabhängig ist. Seite 27

28 4.1 Strahlungsrisiken stochastisch: Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Schadens steigt proportional mit Strahlendosis Keine Schwellendosis nichtstochastisch Oberhalb einer Schwellebdosis nimmt der Schweregrad der Strahlenschäden zu 4.2 Stochastische und deterministische Schäden Seite 28

29 4.3 Verschiedene Strahlenschäden Somatische Schäden Genetische Schäden Somatische Spätschäden Somatische Frühschäden Nichtmaligne Spätschäden Maligne Spätschäden 4.4 Frühschäden Frühschäden - akute Wirkungen autverbrennungen > 0,25 Sv reversible Blutbildveränderungen > 1 Sv Strahlenkrankheit: Kopfschmerzen, Übelkeit, Erbrechen Entzündungen (z.b. Colitis). Schwellendosis hängt von Dosisverteilung ab > 7 Sv Tod Seite 29

30 4.4.1 autverbrennungen Quelle: effektive Dosis in Sv 0 bis 0,5 0,5 bis 1 1 bis 2 ab 4 ab 6 Quelle : diverse Strahlenschäden Strahlenwirkungen Kaum unmittelbar nachteiligen Wirkungen, Schwächung des Immunsystems Veränderungen des Blutbilds (weiße BK), autrötungen, veränderung des Dünndarmephitels, Übelkeit, Erbrechen, sehr selten Todesfälle Nachteilige Wirkungen auf das Knochenmark, Erbrechen, Übelkeit, schlechtes Allgemeinbefinden, LD 20 Schwere Einschränkungen des Allgemeinbefindens, schwere Störungen der Blutbildung, starke Infektionsanfälligkeit, LD 50 Zusätzlich gastrointestinale Symptome auf, geringe Überlebensrate über 7 ~ LD 100 über 10 über 100 Zusätzlich Schädigung des ZNS, bis hin zu Lähmungen Schneller Tod durch Ausfall des ZNS (Sekundentod) Seite 30

31 4.5 Spätschäden Spätschäden Langzeitwirkungen Sterilität, Linsentrübungen (Cataracte) Leukämie, Krebs (maligne Tumore) mit Latenzzeiten Krebsrisiko pro absorbierter Dosis von 10 msv d.h. von bestrahlten Personen erkranken 5 bei 10 msv Wahrscheinlich lineare Beziehung zwischen Krebshäufigkeit und absorbierter Dosis Niedrige Dosen wirkungslos? 4.6 Genetische Schäden Schäden bei Nachkommen durch Mutation von Keimzellen Bis zum 35. Lebensjahr ca. 140 Genmutationen natürlich Bestrahlung von 10 msv: 2 Mutationen zusätzlich Je höhere Zellteilungsrate, desto grösser das Strahlenrisiko Daher erhöhte Strahlenempfindlichkeit bei Kindern Seite 31

32 4.6.1 Aufbau einer Zelle DNA und Gene 3 Basenpaare = 1 Codon Codons = 1 Gen Seite 32

33 4.6.3 Chromosomen Mensch: 23 Paare 1 Paar XX oder 1 Paar XY Summe 46 und 78 Menschenaffe 48 Kaninchen 44 Walderdbeere Erbkrankheiten Seite 33

34 4.6.5 Arten von Mutationen Genmutation (Punktmutationen) Veränderung der Basensequenz Gendefekte Stoffwechselstörungen Körperzellen: Tumorentstehung, Keimzellen:z.B. Albino Chromosomenmutation Chromosomenbrüche Schwere Defekte Körperzellen:Zelltod, Keimzellen: schwere Defekte Genommutationen Veränderung der Chromosomenzahl Schwere Defekte Keimzellen: z.b. Trisomie Genmutationen Seite 34

35 Chromosomenmutationen Genommutationen Seite 35

36 4.6.6 Strahlenschäden & Reparaturen Es gibt Reparaturenzyme, die Strahlenschäden reparieren können Chemische Stoffe können die biologischen Strahlenwirkungen erheblich modifizieren O2, Bromuracil und Fluoruracil erhöhen die Strahlenempfindlichkeit eines Gewebes Erhöhter Wassergehalt einer Zelle erhöht die Strahlenempfindlichkeit, da vermehrt O Radikale gebildet werden können Kanzerogene Stoffe erhöhen die Strahlenempfindlichkeit Chemische Stoffe können auch desensibilisierend wirken bei Strahleneinwirkung Cysteamin Reparable Strahlenschäden Einzelstrangbrüche: Seite 36

37 Irreparable Strahlenschäden Doppelstrangbrüche: Weitere DNS - Schäden Brüche der Wasserstoffbrückenbindung: Seite 37

38 DNA-Schäden äufigkeit Durch Röntgenstrahlen werden etwa 5000 DNA-Schäden pro Gray in jeder Zelle erzeugt Davon sind Basenschäden Etwa 1000 Einzelstrangbrüche Etwa 40 Doppelstrangbrüche Etwa 200 Kombinationsschäden (Basenschäden + Brüche) Die individuelle Reparaturfähigkeit entscheidet über die resultierenden Defekte! 5.0 Biologische Strahlendosimetrie Nachweis und Quantifizierung einer Strahlenexposition anhand biologischer Indikatoren Massenbestrahlung von Personen nach militärischen oder terroristischen Angriffen, sowie nach nuklearen Unfällen: Methoden der biologischen Strahlendosimetrie: Analyse dizentrischer Chromosomen (zuverlässigste Methode) Analyse reziproker Translokationen Zytokinese-Block (CB)-Mikrokern-Analyse Quelle: Seite 38

39 5.1 Analyse dizentrischer Chromosomen Quelle: Strahlenbiologische Wirkungskette Seite 39

40 Seite Wasser-Radiolyse (1) Anregung O O e Ionisation e O O kin * / O O O O e O O aq Wasser-Radiolyse (2) O O O O e e O n e O O O O aq aq * O O e O O e O O O O O aq aq

41 4.7.3 Thyminoxidation O Zellen bestehen zu ca. 80 % aus Wasser O +. O. + + e - aq C C C O 2 O 2 O. C N N C O Thymin 4.8 Krebs und Leukämie Epidemiologische Studien an Überlebenden aus iroshima und Nagasaki Radiologen Leuchtziffernmalerinnen Beschäftigte in kerntechnischen Anlagen Patienten Betroffenen von Atombombentests Zusammentragung und Faktenbewertung bei UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) Ergebnisse von IARC (International Agency for Research on Cancer) Ergebnisse der WO (World ealth Organisation) Ergebnisse aus dem BEIR-Report (Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiation) Quelle: Seite 41

42 4.8.1 Dosiswirkungsbeziehungen Krebs- und Leukämie Latenzzeiten: Jahrzehnte statistische Methoden der Erfassung Strahleninduktion für folgende Krebslokalisationen ausreichend epidemiologisch dokumentiert (UNSCEAR 2000) Speiseröhre, Magen, darm, Lunge, Knochen, aut, weibliche Brust, Prostata, Blase, Gehirn, ZNS, Schilddrüse, Rachen, spezielle Leukämien, spezielle bösartige Neubildungen an den Lymphen Lineare Dosis-Wirkungsbeziehung bis 3 Sv für alle Krebsarten Linearquadratische Dosis-Wirkungsbeziehung für Leukämie (UNSCEAR) Dicht ionisierende Strahlung ist bei gleicher Energiedosis wirksamer als locker ionisierende Strahlung Betroffenes Gewebe / Organ: je differenzierter desto strahlenresistenter Kinder und Jugendliche sind strahlenempfindlicher als Erwachsene Quelle: iroshima & Nagasaki Atombombenabwürfe am 6. und 9. August Tote durch Explosion Strahlenopfer mit Todesfolge Kontroverse Zahlenangaben Quelle: Dr. Spira Seite 42

43 4.8.3 iroshima Strahlendosen Gesamtkörperdosis D der Überlebenden D > 4 Sv Sv > D > 1 Sv Sv > D > 0,1 Sv ,1 Sv > D Quelle: Dr. Spira iroshima Strahlenrisiken (UNSCEAR-Studie) Von verstrahlten Personen verstarben 202 an Leukämie (Maximum 10 Jahre nach Exposition) an anderen Tumoren (kontinuierlich ansteigend) Von Personen in der Kontrollgruppe verstarben 122 an Leukämie an anderen Tumoren Strahlenbedingt bei Personen ( excess mortality ): 80 Leukämie-Fälle 260 andere Tumorerkrankungen Quelle: Dr. Spira Seite 43

44 4.8.5 Strahlenbedingter Anteil des Krebsrisikos UNSCEAR 2000: Krebslokalisation Strahlenbedingter Anteil Latenzzeit Leukämien 54 % 8 Jahre Kinder: 2-3 Jahre Brust 25 % > 10 Jahre Lunge 10 % > 10 Jahre Eierstöcke 15 % > 10 Jahre Darm 12 % > 10 Jahre Magen 4,6 % > 10 Jahre Speiseröhre 11 % > 10 Jahre Quelle: Lebenszeit Strahlenrisiko UNSCEAR 2000: 50 % Männer, 50 % Frauen, alle Altergruppen, pro 10 msv locker-ionisierender Strahlung Risiko Männer Frauen Krebssterblichkeit 0,09 % 0,13 % Krebserkrankungs 0,18 % 0,26 % wahrscheinlichkeit Leukämie 0,01 % 0,01 % Quelle: Seite 44

45 4.9 Bestrahlung während der Schwangerschaft Deterministische Folgen für ungeborenes Kind: Fehlbildungen / Entwicklungsstörungen Frühe Phase der Schwangerschaft: msv Fötus-Ganzkörperdosis Absterben des Fötus Schwangerschaftswoche (Organogenese) : msv Fötus- Ganzkörperdosis Fehlbildungen beim Fötus Ab 10. Schwangerschaftswoche: > 300 msv Fötus-Ganzkörperdosis Fehlentwicklung des Gehirns, geistige Unterentwicklung Stochastische Folgen für ungeborenes Kind Erhöhtes Krebsrisiko während der gesamten Schwangerschaft Erhöhtes Leukämierisiko während der gesamten Schwangerschaft Bei üblichen radiologischen Untersuchungen: Schwellendosis < 50 msv Quelle: Epidemiologische Studien Beobachtungsstudien an Menschen in realer Umwelt Abschätzung des Erkrankungsrisikos Querschnittsstudien Es werden zeitgleich Exposition und die zu untersuchende Erkrankung erhoben und in Beziehung zueinander gesetzt (häufige und akute Erkrankungen, Studien zur Kausalität); Ökologische Studien Anstelle individueller Daten zu Exposition und Erkrankung werden räumlich oder zeitlich zusammengefasste Daten verwendet (z.b. bei Lungenkrebsrisiko und Radonexposition), wenig aufwendige und kostenintensive Studien, jedoch Trugschlüsse möglich weil z.b. Rauchgewohnheiten nicht erfasst werden; Quelle: Seite 45

46 Epidemiologische Studien (2) Beobachtungsstudien an Menschen in realer Umwelt Abschätzung des Erkrankungsrisikos Kohortenstudien Es wird eine definierte Personengruppe mit und ohne Exposition gegenüber dem Risikofaktor untersucht, mitunter auch externe Kontrollgruppen (z.b. Wismut Studie des BfS), es können Mortalitäts oder Inzidenzraten bestimmt werden, sehr aufwendiges Verfahren Fall-Kontroll-Studien Es werden erkrankte Personen befragt nach vergangenen Expositionen, dabei sind Kontrollgruppen erforderlich ohne Erkrankung aber aus der gleichen Bevölkerungsgruppe, Studien mit kleinen Gruppen, die seltene Erkrankungen aufweisen Quelle: Aussagekraft epidemiologischer Studien Definierte Leitlinien / Kriterien zur Bewertung der Aussagekraft einer epidemiologischen Studie Qualitätssicherung Methodik zum systematischen Auffinden von Fehlern Bedingungen zur Bewertung kausaler Zusammenhänge Exposition geht der Erkrankung zeitlich voraus Veränderung in der Exposition geht einher mit Veränderung der Kranksheitshäufigkeit Risiko und Krankheit sind nicht Folge eines vorhergehenden Faktors Quelle: Seite 46

47 4.11 Wirkungen von Plutonium auf den Menschen Pu-238, Pu-239,Pu- 240,Pu-241, Pu-242,Pu-244 Pu-239, Pu-240 Fallout oberirdischer Atomwaffentests 4 t weltweit verteilt Alphastrahler, Schwermetall Gefahr von Inkorporation, besonders Inhalation Speicherorgane: Knochen (t bio = a), Leber (t bio = a), Lymphknoten des Atemtraktes Studien in der Plutoniumfabrik MAYAK im Südural zur Lungenkrebssterblichkeit Quelle: Wirkungen von Uran auf den Menschen U-235, U-238 Alphastrahler, Schwermetall Betastrahlende Töchter Gefahr von Inkorporation, besonders Inhalation Speicherorgan für lösliche Form: Niere Für schwerlösliche Form: Lunge, bzw. Knochen U-235 Gehalte: Natur: 0,7 %, angereichert: 3-90 %, abgereichert: 0,2 % Abgereichertes Uran hat eine hohe Dichte und selbstentzündliche (pyrophore) Wirkung panzerbrechende Munition Seite 47

48 4.14 Tschernobyl Unfall 26. April 1986 Reaktorhavarie INES Skala 7 (GAU) Durch Bedienungsund Konstruktionsfehler Kernschmelze Radioaktiver Fallout Opfer in Tschernobyl 900 Liquidatoren mit starken sofortigen Strahlenschäden > 500 msv 7680 Sterbefälle unter den Liquidatoren bis 2006 Seite 48

49 Literatur M. Volkmer, Radioaktivität und Strahlenschutz, 2009, ik-kernenergie Mensch+Umwelt - spezial Strahlung, 2006, gsf Koelzer Lexikon zur Kernenergie, 2005, FZ-Karlsruhe C. Grupen, Grundkurs Strahlenschutz, Springer-Verlag (2010) (2011) Danke für Ihre Aufmerksamkeit! S. Prys Fachkunde Strahlenschutz Seite 49