Nuklid Atomsorte, durch Protonenzahl und Massenzahl festgelegt

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1 4.3 Radioaktivität und Altlasten Aufbau des Atoms - Helium-Atom Kern positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen (Nucleonen) nahezu gesamte Masse des Atoms + + Hülle negativ geladene Elektronen - Nuklid Atomsorte, durch Protonenzahl und Massenzahl festgelegt Isotop Atome eines Elements mit gleicher Protonenzahl aber verschiedener Neutronenzahl (Mischelemente Reinelemente) A Z E Ordnungszahl Z = Protonenzahl = Elektronenzahl Protonenzahl Z + Neutronenzahl N = Massenzahl A

2 Größenverhältnisse Durchmesser von Atomkernen ~ m Durchmesser von Atomen ~ m Größenverhältnis Kern - Hülle 1 : Massenverhältnisse Masse des H-Kerns (Proton) 1, kg Volumen eines H-Kerns m 3 Dichte des H-Kerns kg/m 3 (Blei: 1, kg/m 3 )

3 Radioaktiver Zerfall (Antoine Henri Becquerel, 1896) Neben den leichteren Elementen Technetium (Te) und Promethium (Pm) sind alle Elemente mit einer Kernladungszahl Z > 83 nicht stabil (Neutronen/Protonen > 1,5). Sie zerfallen unter Aussendung von radioaktiver Strahlung (hauptsächlich α-, β- und/oder γ- Strahlung) in stabilere Elemente 1). Auf diese Weise können radioaktive Zerfallsreihen entstehen. Die Halbwertszeit t 1/2 gibt die Zeit an 2), nach der die Hälfte einer bestimmten Menge eines radioaktiven Nuclids zerfallen ist. Sie variiert zwischen s und a! Die Strahlungsmenge, die aus einer Probe pro Zeiteinheit austritt 3), die (Radio-)Aktivität a, entspricht der Anzahl an Kernreaktionen pro Zeiteinheit und wird in Becquerel angegeben (veraltet Curie). mittlere Anzahl an Atomkernen, die pro Sekunde zerfallen 1 Bq = 1 s -1 1 Ci = 3, Bq 1) Nebenreaktion: spontane Spaltung für Z > 90 unter Freisetzung von Neutronen 2) unabhängig von der Masse der Probe 3) abhängig von der Masse und der Halbwertszeit

4 Radioaktiver Zerfall chemischer Elemente - natürliche Radioaktivität 1) 1H Elemente ohne stabile Isotope 2He Einige Elemente mit natürlich vorkommenden 3Li 4Be radioaktiven Isotopen 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne 11Na 12 Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18 Ar 19K 20Ca 21 Sc 22 Ti 23V 24Cr 25 Mn 26 Fe 27Co 28Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 37Rb 38 Sr 39Y 40Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53I 54Xe 55Cs 56 Ba 57 La 72 Hf 73Ta 74W 75Re 76 Os 77Ir 78Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87Fr 88Ra 89 Ac 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 58Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu 90Th 91 Pa 92U 93Np 94 Pu 95 Am 96 Cu 97 Bk 98 Cf 99Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr 1) Es existieren ca. 100 natürliche radioaktive Nuclide primordiale Nuklide 238 U, 40 K (t 1/2 > a) radiogene Nuklide 222 Rn kosmogene Nuklide 14 C 3H

5 Radioaktive Strahlung natürlicher radioaktiver Nuclide Art Zusammensetzung Symbol α-strahlung Heliumkerne 1) He β-strahlung Elektronen 2) 0 1e γ-strahlung Elektromagnetische Strahlung 3).γ. 1) 5-10 % Lichtgeschwindigkeit 2) fast Lichtgeschwindigkeit 3) energiereicher als Röntgenstrahlung 210 Po Pb + He - Reichweite an Luft wenige Zentimeter - Strahlen können ein Blatt Papier nicht durchdringen C 7 N + 0 1e bzw. 1 n 0 + p + e - Reichweite an Luft mehrere Meter Strahlen werden durch Metall-, Kunststoff- und Holzplatten (ab einigen mm Dicke) abgeschirmt 0 1

6 228 Th 90 [ 224 * 88 Ra ] + He 4 2 [ 224 * Ra ] 88 Ra +.γ. - an der Luft praktisch keine Abschwächung - zur Abschirmung sind dicke Bleiplatten notwendig Gammastrahlung entsteht meist als Folge eines vorhergehenden α- oder β-zerfalls eines Atomkerns, der einen neuen Kern im angeregten A * Zustand Z E bildet (s. Beispiel).

7 14 Altersbestimmung mit 6 C (Radiocarbon-Methode) Datierung bis a Isotope des Kohlenstoffs in der Luft (CO 2 ): 12 6 C: 98,89 % 13 6 C: 1,11 % 14 6 C * : % 14 Bildung 6 C * 14 : 7 N * 0 n 6 C p 14 Zerfall 6 C * 14 : 6 C * 14 7 N + 0 1e + ν t 1/2 = 5730 a Photosynthese: gleiches C-Verhältnis in der Biosphäre 12 Anzahl ( 6 C) = Anzahl ( 6 C * ) Ende mit dem Tod des Lebewesens 12 Anzahl ( 6 C) > Anzahl ( 6 C * ) Altersbestimmung: Verhältnis 6 C / 6 C * abhängig vom Alter

8 Urangewinnung und -anreicherung - Abbau von "Pechblende" u. a. Mineralien (Gehalt bis 0,1 % UO 2 ) - Anreicherung von Uran durch verschiedene Verfahren, 2 t Erz 1 kg "Yellowcake" (> 80 % Uranverbindungen, heute meist U 3 O 8 ) - große Mengen schlammartiger Rückstände ("Tailings"), noch schwach radioaktiv und schwermetallhaltig, nicht gebunden und mobil, Verteilung durch Wind und Wasser möglich - Kanada, Australien, Russland, USA, Niger, Namibia (DDR SDAG Wismut, Sanierung von Umweltschäden ab 1990 für ca. 6,2 Mrd. 1) ) - weitere Anreicherung von 235 U über UF 6 (g) (0,7 % 2 bis 5 % für KKW, 85 % für Kernwaffen) - Umwandlung von UF 6 in UO 2 ("Pellets") 1)

9 Künstliche Radioaktivität und radioaktiver Abfall - künstliche Radionuklide durch Bestrahlung natürlicher Kerne mit Neutronen (Neutroneneinfang) und Protonen in Kernreaktoren und Beschleunigern mehr als 1000 künstliche Radionuklide bekannt - neben α-, β- und γ-strahlung zusätzlich auch β + -, 0 1 n - und + p -Strahlung - radioaktive Abfälle (Spalt- und Aktivierungsprodukte) abgebrannte Brennstäbe aus Kernkraftwerken Entwicklung und Herstellung von Kernwaffen Strahlenquellen in Medizin, Technik, Werkstoffprüfung und Forschung Kontamination von Materialien und Aktivierung durch Neutroneneinfang (z. B. Co-60) oft Mischungen verschiedener Nuklide mit unterschiedlicher Aktivität und Halbwertszeit 235 UO 2 oder 235 UO 2 / 239 PuO 2 problematisch sind starke physiologische Wirkung (hohe Aktivität) und große Halbwertszeit 1 1

10 - Abklingzeit Lagerung von Brennstäben (Abklingbecken) bis zur Transportfähigkeit (Castor-Behälter) Lagerung von radioaktiven Abfällen bis zur konventionellen Entsorgung (oft 10 Halbwertszeiten), Abnahme der Radioaktivität nach einer Halbwertszeit auf die Hälfte, nach 2 auf 1/4, nach 3 auf 1/8, nach 4 auf 1/16, nach 10 auf 1/1024 1/2 n - Freisetzung radioaktiver Nuclide Reaktorunfälle Cs-137 Kernwaffentests Cs-137, Sr-90 - Masse- und volumenbezogene Aktivität Aktivität pro Masseeinheit spezifische Aktivität (Bq/kg, Bq/g) Aktivität pro Volumeneinheit volumenbezogene Aktivität (Bq/m 3 )

11 - radioaktive Abfälle 1) schwachradioaktiv < Bq/m³ mittelradioaktiv bis Bq/m³, Abschirmung notwendig hochradioaktiv > Bq/m³; oft bis Bq/m³, 99 % der Strahlung, Abschirmung und Kühlung notwendig - Salzstock Asse , schwach- und mittelradioaktive Abfälle Instabilität, Wasserzufluss Bericht 2008, radioaktiv kontaminierte Salzlauge , Beschluss Rückholung (Bundestag), Kosten ca. 4-6 Mrd. (Bund) 1)

12 Halbwertszeit und spezifische Aktivität Isotop Halbwertszeit Spezifische Aktivität I Tage Bq/mg Cs Jahre Bq/mg Pu Jahre Bq/mg U Jahre 80 Bq/mg U Jahre 12 Bq/mg Th Jahre 4 Bq/mg Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer ist bei gegebener Substanzmenge die spezifische Aktivität.

13 Berechnung der Aktivität A einer Probe 40 K im Körper A Mit = ln2 t 1/2 N n = und N A N = ln2 t 1/2 M = m N M m n A A - Aktivität N - Anzahl der aktiven Atome der Probe m - Masse der Probe M - molare Masse des Nuklids N A - Avogadro-Konstante (6, mol -1 ) mmol K/kg Körpergewicht 70 kg x 50 mmol/kg = 3500 mmol 3500 mmol x 39,1 mg/mmol = 136,85 g 0,0117 % K-40 von 136,85 g = 0,016 g A = ln2 t 1 / 2 m N M A = ln2 39, s 0,016 g 6, ,96g mol 23 1 mol 1 = 4244 s 1 Angaben: Bq im Körper durch K-40

14 Einwirkung radioaktiver Strahlung auf Menschen Aktivität Intensität einer Strahlungsquelle Körper eines Menschen ca Bq ( Bq) Energiedosis D Absorbierte Energie/Masseneinheit 1 J/kg = 1 Gray (Gy) Äquivalentdosis H Absorbierte Energie/Masseneinheit 1 J/kg = 1 Sievert (Sv) H = q D Berücksichtigung der unterschiedlichen biologischen Wirksamkeit (Gefährlichkeit) der Strahlungsarten, q als dimensionsloser Bewertungsfaktor, abhängig von Energieabgabe eines Teilchens q = 1 für β- und γ-strahlung q = 5, 10 oder 20 für Neutronenstrahlung q = 20 für α-strahlung Dosiskonversions- Zusammenhang zwischen Aktivität einer Strahlenquelle im faktor DCF Körper und der Äquivalentdosis pro Jahr

15 Natürliche Exposition Ø BRD 2,1 msv/a bzw. 57 % (UBA 2010, 1-5 msv/a) 1,0 msv/a Inhalation von Radon (Rn-222, ca. 50 %!, Ø 50 Bq/m 3 ) 0,3 msv/a kosmische Strahlung 0,5 msv/a terrestrische Strahlung (Th-232, U-238, U-235, K-40) 0,3 msv/a Nahrungsmittel (K-40) Künstliche Exposition Ø BRD 1,8 msv/a (UBA 2010) bzw. 43 % medizinische Untersuchungen u. a. Gesamtexposition Ø BRD 3,9 msv/a (UBA 2010) Grenzwert + 1 msv/a (normale Bevölkerung) + 20 msv/a (exponierte Personen) Schwellendosis 250 msv, akute Strahlenschäden zu erwarten Letale Dosis 6000 msv, Tod durch Strahlenkrankheit binnen Tagen

16 Beispiele für Einzeldosen Exposition Äquivalentdosis (Ganzkörper) in msv Flugzeugreise (8 h, Höhe 12 km) 0,04-0,1 Röntgenaufnahme (Schädel) 0,1 Computertomographie (Brustkorb) 6-8 Strahlentherapie Schwellendosis für akute Strahlenschäden 250 Letale Einzeldosis 1) ) ohne Behandlung Tod durch Strahlenkrankheit binnen Tagen

17 Rauchen Anreicherung von Po-210 und Pb-210 in den Blättern der Tabakpflanze Durchschnittlicher Raucher (NCRP Report. 95, 1987) Äquivalentdosis 13 msv/a Lungendosis 160 msv/a 20 Zigaretten/d ( Aquivalentdosis: 8,8 msv/a Lungendosis: 106 msv/a Schwellendosis 250 msv (akute Strahlenschäden)