Was ist natürliche und künstliche Radioaktivität? Auswirkungen auf Umwelt und Leben

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1 Was ist natürliche und künstliche Radioaktivität? Auswirkungen auf Umwelt und Leben Einführung zum Weiterbildungsseminar des Forum VERA Freitag, 24. September 2010 Urs Frick, Geochemiker a.d. 24. September 2010 Forum VERA 1

2 Alle fürchten sich vor Radioaktivität mit Ausnahme der Experten. Warum herrscht verbreitete Angst (Radiophobie)? Wie entsteht radioaktiver Abfall? Wie wirkt Strahlung? Wie kann man sich vor Strahlung auch aus nuklearen Abfällen schützen? 24. September 2010 Forum VERA 2

3 Man spricht und debattiert heute viel über Energie Vorteil die Bevölkerung wird sensibilisiert zum Thema Energie 1, weil wichtige Rohstoffe auf der Welt immer knapper werden. Nachteil es wird zu einem Grossteil emotional diskutiert und es besteht die Gefahr, dass sachliche Argumente in emotional geführten Diskussionen untergehen. Energiethemen sind sehr komplex. Um nachhaltige 2 Lösungen finden zu können, braucht es etwas Grundwissen und einige technische Kenntnisse. 24. September 2010 Forum VERA 3

4 Über was spricht man? Es werden häufig entweder nur die Vorteile oder nur die Schattenseiten einer gewissen «Energie» diskutiert die einen verteufeln, die andern beschönigen, während die «Wahrheit» irgendwo dazwischen liegt. 24. September 2010 Forum VERA 4

5 Was wissen wir bereits über Radioaktivität? Eindrücke Wir alle kennen Berichte über Kernkraftwerke, Demonstrationen, das ungelöste Abfallproblem und die Atombomben September 2010 Forum VERA 5

6 Was wissen wir über Radioaktivität? Es ist nicht gewiss, dass alles ungewiss sei. Blaise Pascal Wir alle wissen, dass es radioaktive Strahlung gibt; diese ist «ionisierend», das heisst, diese Strahlung kann Atome und Moleküle elektrisch aufladen 1. Wir unterscheiden 2 Zerfallsarten 2 : Alphazerfall, sendet energiereiche Alphateilchen (Heliumkerne) aus Betazerfall, sendet energiereiche Betateilchen (Elektronen) aus Bei beiden Zerfallsarten wird oft auch Gammastrahlung ausgesandt, ein energiereiches, unsichtbares, durchdringendes Licht («Photonen»), mit ähnlichen Eigenschaften wie Röntgenstrahlung. 24. September 2010 Forum VERA 6

7 Hat natürliche Radioaktivität einen Nutzen? Wenn es keine Radioaktivität gäbe, wären alle Planeten und unsere Erde kalte Himmelskörper, weil die innere Heizung fehlt 1,2. Es gäbe keine «Geologie», Vulkane, Erdbeben, Tsunamis, keine Plattentektonik oder Gesteinskreisläufe. Es gäbe auch kein Wasser, kaum eine Atmosphäre und damit kein Leben September 2010 Forum VERA 7

8 Wo kommt Radioaktivität in der Natur vor? Radioaktivität ist eine natürliche Eigenschaft von Materie. Ein explodierender Stern (oben) auch «Supernova 1» genannt hat unmittelbar vor dem Entstehen unseres Sonnensystems radioaktive Elemente in einen planetaren «Nebel» geschleudert Diese Radioaktivität wurde in Planeten, Kometen, Asteroiden und Meteoriten eingebaut. Die langlebigen «Überbleibsel» dieser Radioaktivität findet man heute noch in Gesteinen. Granite (unten links) enthalten mehr Radioaktivität als andere Gesteine. Vererzungen 2 (unten rechts: Gestein mit schwarzen Uranmineralien) können aber sehr viel mehr Radioaktivität enthalten. 24. September 2010 Forum VERA 8

9 Pechblende ein hochgradiges Uranerz Bild links: die pechschwarze Mineralisation im Schwarzwaldgranit ist fast reines Uranoxid. Bild rechts: praktische reines, hochgradiges Uranerz, aus Oklo (Gabun). In dieser Region wurden fossile das heisst, fast zwei Milliarden Jahre alte natürliche Reaktoren gefunden September 2010 Forum VERA 9

10 Wo kommt Radioaktivität in der Natur auch vor? Teilchen der kosmischen Strahlung (aus dem Weltraum (Bild oben; Schwarze Löcher sind kosmische Teilchenbeschleuniger...) und von der Sonne (aus Sonnenflecken, Bild unten) treffen auf die irdische Atmosphäre. Bei der Kollision mit Sauerstoff und Stickstoff entstehen in der Luft kleine Mengen radioaktiver Stoffe 1. Dabei entsteht auch sekundäre Strahlung, die etwa 5 20% zur jährlichen Strahlendosis der Bevölkerung beiträgt. Die Strahlendosis aus der kosmischen Strahlung nimmt mit der Höhe zu und wird für das Flugpersonal bei interkontinentalen Flügen «erheblich» (...). 24. September 2010 Forum VERA 10

11 Woher stammt «künstliche» Radioaktivität? Der grösste Anteil künstlicher Radioaktivität entsteht bei der Kernspaltung in Reaktoren. Grosse Mengen der Spalt- und Aktivierungsprodukte 1 bleiben im Brennstoff eingeschlossen = hochaktiver Abfall. (schwach- und mittelaktive Abfälle entstehen durch (...) «Neutronenaktivierung» in Reaktorinstallationen und Korrosionsmaterial) Teilchenbeschleuniger für die Kernforschung produzieren ebenfalls erhebliche Mengen Radioaktivität. Die sehr energiereichen Teilchen können bei der Kollision mit Materie Atome «zerschlagen» 2 deren Bruchstücke sind fast immer radioaktiv. 24. September 2010 Forum VERA 11

12 Wie kann man sich Kernspaltung vorstellen? Radioaktives Kryptonatom 89 Kr 1 n Neutron 1 n 1 n Wärme Uranatom 235 U Uranatom «236 U» spaltet nach Neutroneneinfang sofort «spontan» Radioaktives Bariumatom 144 Ba Neutronen induzierte Kernspaltung führt zu einer kontrollierten Kettenreaktion im Reaktor; Wärme entsteht durch einen kleinen Massenverlust (Einstein) und den Rückstoss der Trümmerkerne (...) 1 n 24. September 2010 Forum VERA 12

13 Was wissen wir über radioaktive Abfälle? Schwach- und mittelaktive Abfallfässer werden für die Endlagerung in Betoncontainer einzementiert Verbrauchter Reaktorbrennstoff ist hochaktiver Abfall und wird in «Castoren» zwischengelagert Radioaktive Abfälle entstehen zum grossen Teil in Kernkraftwerken, stammen aber auch aus Medizin, Industrie und Forschung. Radioaktive Stoffe sind wie ein Gift. Deren Aktivität klingt teilweise nur langsam ab. Sie müssen deshalb sorgfältig und für sehr lange Zeiten eingeschlossen werden. Das Risiko aus den Abfällen wird stark vermindert, wenn diese zunächst in eine stabile, unlösliche Form verarbeitet, dann kontrolliert zwischengelagert und für die langfristig sichere Entsorgung in geologischen Tiefenlagern eingeschlossen werden. 24. September 2010 Forum VERA 13

14 Kann man Radioaktivität sehen, fühlen, riechen? Radioaktive Strahlung können wir mit unseren Sinnen nicht wahrnehmen. Weil radioaktive Strahlen ionisieren, können sie in Materie Spuren 1,2 hinterlassen und deshalb auf verschiedene Art und Weise unter anderem auch in Messgeräten schnell nachgewiesen werden. Radioaktive Strahlen bringen fluoreszierende Stoffe zum Leuchten 3 und schwärzen Fotopapier September 2010 Forum VERA 14

15 Welche Einheiten werden im Zusammenhang mit Radioaktivität verwendet? Für die Mengenbezeichnung von Radioaktivität sind Volumen- oder Gewichtsangaben wenig praktisch. Eine fast unsichtbare Menge eines radioaktiven Stoffes kann unter Umständen sehr stark und umgekehrt eine grosse Masse sehr wenig strahlen. Man gibt deshalb die Aktivität eines Stoffes in der Einheit «Becquerel» 1 an: ein «Becquerel» (Bq) bedeutet, dass ein Atom pro Sekunde zerfällt. Das Becquerel ist eine sehr kleine Einheit, wie die Angaben auf der Tabelle links zeigen. 24. September 2010 Forum VERA 15

16 Welche Einheiten werden im Zusammenhang mit Radioaktivität verwendet? (für Interessierte) Das «Abbremsen» radioaktiver Strahlen das heisst, die Absorption von Strahlenenergie hinterlässt in Materie Schäden. Die Wirkung radioaktiver Strahlung auf den lebenden Organismus wird Strahlendosis genannt. Die Einheit für Strahlendosen wird in «Sievert» oder «Millisievert» angegeben (1 Sv 1 = 1000 msv) verschiedene Organe reagieren sehr unterschiedlich auf radioaktive Strahlung die Wirkung hängt stark von der Art oder Energie der Strahlung und von biologischen Faktoren ab 24. September 2010 Forum VERA 16

17 Wie kann man Radioaktivität messen? Verschiedene digitale Geigerzähler (links) und Messeinrichtung eines Kantonslabors (rechts) Es gibt einfache Messgeräte zum Beispiel Geigerzähler 1 oder Dosimeter welche Strahlung schnell registrieren, die von aussen wirkt. Mit solchen Geräten lassen sich meistens auch Strahlenarten unterscheiden, nicht aber die strahlenden Atomarten (Isotopen, Radionuklide) identifizieren. Für Lebensmittel sind aufwändigere und sehr viel empfindlichere Apparate notwendig, weil damit sehr viel kleinere Mengen radioaktiver Stoff aufgespürt werden müssen. Solchen Geräte können die Strahlenenergien messen und Radionuklide identifizieren. 24. September 2010 Forum VERA 17

18 Man sollte alles so einfach wie möglich sehen aber auch nicht einfacher. Albert Einstein 24. September 2010 Forum VERA 18

19 Wie stellen wir uns Atome vor? 1 Atome sind die kleinsten «Bausteine» der Materie, die auf chemischen Weg nicht weiter teilbar sind 2. Atome enthalten einen Kern und eine Hülle aus Elektronen, wobei die Hülle rund 100'000-mal grösser ist als der Kern Atomkerne sind aus zwei verschiedenen Kernbausteinen 3 aufgebaut: Protonen Neutronen September 2010 Forum VERA 19

20 Atome, Moleküle, Verbindungen, Ionen und «ionisieren weg geschleudertes Elektron (negativ geladen) Elektronenhülle 1-fach negativ geladen Atomkern 2-fach positiv geladen radioaktive Strahlung Atome können Verbindungen eingehen und Moleküle bilden. Elektrisch geladene Moleküle oder Atome werden «Ionen» genannt 1. Treffen radioaktive Strahlen auf Materie, reicht deren Energie aus, um Elektronen aus den Atomhüllen wegzuschleudern; Atome oder Moleküle werden «ionisiert». Das verbleibende 4 He-Atom (Bild 2 ) bleibt für eine Weile positiv geladen («ionisiert»), bis es wieder ein Elektron einfängt. Andere Strahlen (Mikrowellen, elektromagnetische Handystrahlung, Ultraviolett usw.) haben zu wenig Energie, um Materie zu ionisieren also elektrisch aufzuladen. 24. September 2010 Forum VERA 20

21 Die einfachsten Atome Hier gezeigt die verschiedenen Atomarten des Elementes Wasserstoff (1 Proton; 0, 1 oder 2 Neutronen) und Helium (2 Protonen; 1 oder 2 Neutronen) Je mehr Protonen, umso mehr Neutronen sind notwendig, um einen Kern zusammen zu halten. Schwere Atomkerne enthalten immer mehr Neutronen als Protonen. Die Anzahl der Protonen (positiv geladen) entspricht der Anzahl Elektronen (negativ geladen) und bestimmt das chemische Element. 24. September 2010 Forum VERA 21

22 Das Atommodell konventionell oder mal anders Im Bild links die «übliche» Darstellung des Kohlenstoffatoms 12 C. Der Atomkern besteht aus 6 Protonen und 6 Neutronen; der Atomkern (links) lässt sich bei grösseren Atomen kaum mehr übersichtlich darstellen, weil immer einzelne Kernbausteine verdeckt sind. Man könnte sich einen solchen Kern unüblicherweise aber auch als Ring (rechts) vorstellen. Damit liessen sich alle Kernbausteine übersichtlich darstellen. 24. September 2010 Forum VERA 22

23 Der «Zerfall» ist eigentlich eine Umwandlung Links ist die radioaktive Atomart von Kohlenstoff gezeigt. Der Atomkern heisst 14 C und hat 6 Protonen, wie das stabile 12 C (Massenzahl 12), hingegen hat 14 C 8 statt 6 Neutronen (6+8 ergibt Massenzahl 14). Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit wandelt sich in einem instabilen Atomkern ein Neutron in ein Proton um (Mitte). Dabei entsteht «Strahlung» 1. Der neue Kern heisst 14 N (Stickstoff) Da sich im gezeigten Fall ein neutraler Baustein in einen positiven umwandelt, entsteht zum Erhalt der Ladung ein negativ geladenes Elektron. Dieses wird als Betateilchen mit unterschiedlich hoher Energie weggeschleudert 2. In vielen Fällen nicht aber beim Zerfall von 14 C bleibt noch überschüssige Energie im Atomkern, die als Gammastrahlung ausgesandt wird. 24. September 2010 Forum VERA 23

24 Die Zerfallsarten β Teilchen Betazerfall 1 häufigste Zerfallsart; Aussenden von Betateilchen (Elektronen) ist häufig begleitet von Gammastrahlung aus dem Kern. γ Strahlung α Teilchen Alphazerfall 2 nur schwere Atomkerne können Alphateilchen («Heliumkerne)» aussenden. Häufig begleitet von Gammastrahlung aus dem Kern. Gammastrahlen ein unsichtbares, sehr kurzwelliges, energiereiches und durchdringendes Licht («Photonen»), werden bei den meisten Alpha- und Betazerfällen gleichzeitig manchmal aber auch verzögert 3 ausgesandt. 24. September 2010 Forum VERA 24

25 Schemata des Betazerfalls 1 für Wissbegierige Modelldarstellung des «Beta-minus-Zerfalls»: das β -Teilchen entsteht, wenn sich im Kern ein Neutron in ein Proton und ein negativ geladenes Elektron umwandelt. Modelldarstellung des «Beta-plus-Zerfalls»: das β + -Teilchen entsteht, wenn sich im Kern ein Proton in ein Neutron und dabei ein positiv geladenes Elektron («Positron») umwandelt. Modell des Elektroneneinfangs ein Elektron der innersten Schale der Hülle kann sich mit einem Proton des Kerns zu einem Neutron vereinigen. Im Kern ergibt sich dasselbe Ergebnis wie beim Beta + -Zerfall, es wird aber kein Betateilchen ausgesandt 2! 24. September 2010 Forum VERA 25

26 Eigenschaften der drei Strahlenarten Die drei Strahlenarten haben in Materie sehr unterschiedliche Reichweiten. Alphateilchen bleiben in einem Blatt Papier oder in wenigen cm Luft stecken. Betateilchen haben verschiedene Energien, werden immer in 1 2 mm Glas oder Aluminium völlig blockiert. Die Reichweite in Luft beträgt wenige Meter Gammastrahlen («Photonen») haben ebenfalls unterschiedliche Energien, typische Strahlen werden in 7 mm Blei, 30 mm Stein oder 80 mm Wasser auf die Hälfte abgeschwächt und dabei gestreut. Je nach Energie durchdringen Gammastrahlen bis zu mehreren hundert Meter Luft. Röntgenstrahlen («Photonen») verhalten sich ähnlich, haben aber meist weniger Energie, damit geringere Reichweiten und werden beim «Abbremsen«ebenfalls gestreut. 24. September 2010 Forum VERA 26

27 Strahlenwirkung auf Körpergewebe Alphateilchen vermögen die Hornschicht 1 der Haut nicht zu durchdringen. Betateilchen dringen wenige mm tief in Körpergewebe ein 2. Gamma- wie auch Röntgenstrahlung wird von Körperteilen teilweise absorbiert 3 und gestreut. Die Strahlenwirkung («Dosis») hängt sehr stark ab von der Strahlenenergie, der Strahlenart, der Art der Exposition (externe Strahlung, Körperaufnahme durch Ingestion oder Inhalation) und den biologischen Faktoren der einzelnen Nuklide 4. Eine gewisse Aktivitätsmenge hat nach Körperaufnahme immer eine wesentlich grössere Dosis 5 zur Folge, als wenn die Strahlung von aussen auf den Körper wirkt. 24. September 2010 Forum VERA 27

28 Wie schützen wir uns vor Strahlung? Markieren, Abschirmen und Einschliessen von radioaktiven Stoffen Körperaufnahme von radioaktiv kontaminierten Stoffen mit der Nahrung oder über die Atemwege (Staub) vermeiden Kurzfristige Massnahmen bei der Handhabung: Aufenthaltszeit im Strahlenfeld möglichst einschränken Abstand einhalten, Dosiskontrollen Langfristige Massnahmen 1 falls entsorgt werden muss: geologische Tiefenlagerung in genügend stabilen Gesteinsschichten. 24. September 2010 Forum VERA 28

29 Wann darf man hochaktive Abfälle berühren? Gemäss Strahlenschutzverordnung nie, aber... nach wenigen hundert Jahren hätten kurze Aufenthaltszeiten in der Nähe von hochaktivem Abfall keine gesundheitlichen Auswirkungen. 24. September 2010 Forum VERA 29

30 Expositionsarten und Radiotoxizität einiger Nuklide In der Grafik sind für ausgewählte natürliche und künstliche Radionuklide die Folgedosen für je 100'000 Bq gerechnet 1 : externe Bestrahlung Ingestion Inhalation Beachten Sie die fehlenden Unterschiede zwischen natürlichen und künstlichen Radionukliden und Beachten Sie die grosse grosse Giftigkeit der alpha Strahler (Uran, Thorium, Americium) im Falle von Inhalation September 2010 Forum VERA 30

31 Zusammenfassung I Es ist heute unwahrscheinlich geworden, dass jemand unwissentlich radioaktiver Strahlung ausgesetzt ist, weil alltägliche radioaktive Gegenstände 1 vollständig wegreguliert sind. Gegen direkte Strahlung kann man sich einfach schützen 2. Direkte Strahlung vor allem die durchdringende Gammastrahlung ist biologisch sehr viel weniger wirksam als wenn die strahlenden Nuklide in Körperorganen eingelagert sind, wo Alpha- oder Betastrahlen Zellen schädigen können. Radioaktive Stoffe, welche die Strahlung mit der geringsten Eindringtiefe aussenden, sind die weitaus giftigsten... (Alphastrahler 3 ) direkte Strahlung von radioaktiv kontaminierten Böden zum Beispiel beim Erzabbau oder Kernunfällen 4 ist immer mit sehr viel weniger Risiken verbunden, als wenn geringste Mengen solcher Kontaminationen in den Körper gelangen (...) Unbedingt jegliche Körperaufnahme radioaktiver Stoffe via Nahrungsmittel oder Einatmen verhindern! 24. September 2010 Forum VERA 31

32 Zusammenfassung II Es gibt verschiedene Möglichkeiten sich vor radioaktiver Strahlung zu schützen. Die Wirksamkeit dieser Massnahmen hängt weitgehend vom Menschen und der gesellschaftlichen «Qualität» des Umfeldes ab 1. Einzelne radioaktive Abfallstoffe sind aber weit über den Zeitrahmen hinaus «giftig», um einer menschlichen Zivilisation die Kontrolle zu überlassen 2. Denn selbst langfristig dürfen radioaktive Abfallstoffe nicht in den Nahrungsmittelkreislauf gelangen. Eine wissenschaftlich gut begründete Entsorgung in tiefen Endlagern sorgt für den langfristig sicheren Schutz. Eine richtig ausgewählte Geologie ist die beste Hüterin der Abfälle und technische Barrieren (Behälter, Verfüllung usw.) reduzieren die Risiken weiter. «Tiefenlager» sind international (IAEA etc.) als einzige Massnahme zur langfristig sicheren Entsorgung radioaktiver Abfälle empfohlen. 24. September 2010 Forum VERA 32