Radioökologie

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1 Radioökologie Vorlesung 2011W Franz Josef Maringer Begriff: Radioökologie ( ) Radioökologie ist die Wissenschaft vom Verhalten und den Wirkungen der Radionuklide in der Umwelt. Die Radioökologie als Teilgebiet des Strahlenschutz untersucht und beschreibt die Entstehung oder Freisetzung von Radionukliden, ihre Verteilung zwischen verschiedenen Umweltreservoiren, ihre Ausbreitung und ihre Wirkung auf belebte Schutzgüter, insbesondere den Menschen. Kategorien: Strahlenschutz Radioaktivität Ökologie Einführung und Überblick 2 1

2 Der Mensch als Ziel der Radioökologie Einführung und Überblick 3 Begriff: Ökologie ( ) Unter Ökologie (von griech. οίκος oikos, Haus, Haushalt und λόγος logos, Lehre, also Lehre vom Haushalt ) versteht man ursprünglich, in Anlehnung an die ersten Definitionen dieses Begriffs bei Ernst Haeckel (1866 ff.) ein Teilgebiet der Biologie, welches sich mit den Wechselbeziehungen der Organismen untereinander und mit ihrer abiotischen Umwelt beschäftigt. Die Ökologie ist eine teilweise stark mathematisierte Wissenschaft... Mit einem wachsenden Umweltbewusstsein in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelte sich der Begriff weit über den engen naturwissenschaftlichen Rahmen der Biologie hinaus. Ökologische Erkenntnisse werden seitdem zunehmend auf gesellschaftliche Bereiche übertragen und auch zur politischen Argumentation verwendet, um das Verhältnis des Menschen zu seiner Umwelt zu verändern (s. u.) und Der Begriff hat dadurch in vieler Hinsicht eine Bedeutungserweiterung oder -verschiebung erfahren und bezeichnet häufig auch die Lehre bzw. Handlungsweisen, die dem Umweltschutz oder einem nachhaltigen Wirtschaften dienen (siehe Ökologische Marktwirtschaft). Einführung und Überblick 4 2

3 Begriff: Strahlenschutz ( ) Unter Strahlenschutz versteht man den Schutz von Mensch und Umwelt vor den schädigenden Wirkungen ionisierender und nicht ionisierender Strahlung (aus natürlichen und künstlichen Strahlenquellen). Der Strahlenschutz ist insbesondere wichtig für das Personal kerntechnischer Anlagen wie zum Beispiel Kernkraftwerke und im Bereich der Medizin, insbesondere in der Radiologie, Nuklearmedizin und Strahlentherapie. Einführung und Überblick 5 Begriff: Ionisierende Strahlung ( ) Ionisierende Strahlung ist eine Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung, die aus Atomen oder Molekülen ein oder mehrere Elektronen entfernen kann, so dass positiv geladene Ionen oder Molekülreste zurückbleiben (Ionisation). Sie ist u.a. ein Phänomen der Radioaktivität von Stoffen. Einführung und Überblick 6 3

4 Überall ionisierende Strahlung! Durchschnittliche jährliche Strahlenexposition einer Person Einführung und Überblick 7 Begriff: Radioaktivität ( ) Radioaktivität (von lat. radius, Strahl), radioaktiver Zerfall oder Kernzerfall ist eine Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich spontan unter Energieabgabe umzuwandeln. Die freiwerdende Energie wird als ionisierende Strahlung, nämlich energiereicher Teilchen und/oder Gammastrahlung, abgegeben. Der Begriff selbst (frz.: radioactivité) wurde 1898 von Marie Curie geprägt. Einführung und Überblick 8 4

5 Radioaktive Umwandlungen - + Einführung und Überblick 9 Begriff: Radionuklid ( ) Als Radionuklide oder radioaktive Nuklide bezeichnet man instabile Atome, die radioaktiv zerfallen. besser: Als Radionuklide oder radioaktive Nuklide bezeichnet man instabile Atome, deren Kerne sich spontan unter Abstrahlung von Energie und/oder Teilchen umwandeln und/oder in einen anderen energetischen Zustand übergehen. Einführung und Überblick 10 5

6 Begriff: Radionuklid Eine Atomkernsorte (ein Nuklid) ist durch die Kernladungszahl (Ordnungszahl) Z und die Massenzahl (Nukleonenzahl) A gekennzeichnet: Nukleonen = Protonen (Z) plus Neutronen (N): A = Z + N Ein Nuklid X wird daher wie folgt gekennzeichnet: z.b.: 60 Co oder Co Atomarten mit der gleichen Kernladungszahl (nicht aber Massenzahl), die damit dem selben Element zugehören, heißen Isotope. So haben P-31, P-32, P-33, die Isotope des Phosphors, unterschiedliche Kernmassen (Massenzahlen), verhalten sich jedoch chemisch gleich. Es hat sich eingebürgert, radioaktive Atomarten allgemein als Radionuklide zu bezeichnen; der Begriff Radioisotop sollte nur noch dann verwendet werden, wenn neben der Radioaktivität auch die Zugehörigkeit zu einem bestimmten Element von Bedeutung ist. Allerdings ist die Bezeichnung Isotop anstelle von Nuklid oder speziell Radionuklid als Bestandteil vieler Fachbegriffe wie z. B. "Isotopenlabor", "Isotopenmethode" oder "Radioisotopengenerator" nach wie vor anzutreffen. Ein Radionuklid ist, außer durch Kernladungs-, Neutronen- und Massenzahl, durch seine Zerfallseigenschaften wie Halbwertszeit, Zerfallsart und Zerfallsenergie gekennzeichnet. Einführung und Überblick 11 Was ist Strahlung? im physikalischen Sinn: Ausbreitung von Energie oder Ausbreitung von Energie & Masse Transport von Teilchen und Energiequanten Elektromagnetische Strahlung z.b. Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung Teilchenstrahlung z.b. Protonen-, Alpha-, Betastrahlung Einführung und Überblick 12 6

7 Strahlung - ein natürliches Phänomen! Natur / Universum: Energie- und Teilchenstrahlung Natürliche Strahlenquellen: Sonne, Sterne Erde, Gestein Atmosphäre Urknall und Supernovae Lebewesen natürliches Strahlenumfeld Einführung und Überblick 13 Solarwind & Erdmagnetfeld Einführung und Überblick 14 7

8 Kosmogene Strahlung primär: Galaktische Strahlung sekundär: Solare Komponente Energiereiche Teilchen: 91,5% Protonen: ~ MeV MeV MeV 7,8% -Teilchen 0,7% Kerne Z 30 Elektromagnetische Strahlung: Gammastrahlung Röntgenstrahlung Einführung und Überblick 15 Elektromagnetische Strahlung Einführung und Überblick 16 8

9 Elektromagnetische Strahlung ionisierende nichtionisierende Strahlung Einführung und Überblick 17 Strahlung: Vom Menschen erzeugt Medizinische Diagnostik Strahlentherapie Atmosphärische Kernwaffentests Betrieb / Störfälle kerntechnischer Anlagen Radioaktive Abfälle Rückbau von Nuklearanlagen Endlager von radioaktiven Abfällen / Kernbrennstoffen Uranproduktion und Erzeugung von Kernbrennstoffen Radioaktive Altlasten 18 9

10 Strahlenquelle Wechselwirkung Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie Physik Wirkung von Strahlung auf biologischorganisches Gewebe Biologie & Medizin Strahlenexponierte Person = ein einer Strahlung ausgesetzter Mensch Einführung und Überblick 19 Biologische Wirkung ionisierende Strahlung DNS (DNA, schematisch) Direkter Strahlenschaden (Bsp.) Einführung und Überblick 20 10

11 Die Körperzelle 2-20 μm 0,1-1 μm 2 nm Mensch: ca ( ) Zellen 2 x 23 Chromosomen genetische Information Gesamtlänge der verpackten DNA je Zelle: ca. 1 m Zellverlust pro Sekunde: ca. 3 Millionen Einführung und Überblick 21 Ionisierender Strahlung Körperzelle Einführung und Überblick 22 11

12 Suchen und erkennen Wilhelm C. Röntgen Pierre Curie Frederick Soddy Henry A. Becquerel Marie Curie Ernest Rutherford Einführung und Überblick 23 Energie aus dem Atomkern Otto Hahn & Lise Meitner 1939 Enrico Fermi 2. Dezember 1942 Fritz Straßmann Otto Robert Frisch Einführung und Überblick 24 12

13 Kernspaltung Energie 235 U + n 143 Ba + 89 Kr + 3. n MeV zum Vergleich: C + O 2 CO ev 1 ev = 1, J Einführung und Überblick 25 Ablauf einer 235 U-Spaltung Einführung und Überblick 26 13

14 Spaltprodukte & Energie davon thermisch nutzbar: 190 Mev Einführung und Überblick 27 Kernenergie Derzeit (2004): 440 KKW weltweit in Betrieb MW 25 KKW in Bau Einführung und Überblick 28 14

15 Kernenergie Einführung und Überblick 29 Kernenergie Einführung und Überblick 30 15

16 Kernenergie Anteil der Kernenergie an der Produktion elektrischer Energie Einführung und Überblick Anwendung von Radionukliden 32 16

17 Reaktortypen Prinzip Druckwasserreaktor (PWR) Einführung und Überblick 33 Reaktortypen Prinzip Siedewasserreaktor (BWR) Einführung und Überblick 34 17

18 Tschernobylreaktor (RBMK-Typ) 1. refueling machine 2. gas-tight steel vessel 3. concrete confinement 4. steam/water separator 5. steam pipe 6. refueling tube 7. reactore core: consists of a cylindrical stack of graphite (height 7 m, diameter 12m), with channels. The coolant flows through the channels which contain the pressure tubes with the fuel. 8. main coolant pump 9. cooling water from separator Einführung und Überblick 35 'Tschernobyl-Wolke' Einführung und Überblick 36 18

19 37 Die Tschernobylwolke über Österreich Photonenäquivalentdosisleistung Hx (nsv/h) in Österreich nach Tschernobyl, t(0)= :00 [Peter Bossew 2006, Daten: BMLFUW / Strahlenschutz] 38 19

20 137 Cs-Bodenkontamination in Österreich nach Tschernobyl (Bezug: ) [UBA 1996] 39 Kernreaktoren Grundlegende Sicherheitsbarrieren Einführung und Überblick 40 20

21 Brennstoffkreislauf Einführung und Überblick 41 Brennstoffkreislauf Gesteine: 3 ppm - 3 g U pro t Gestein Uranerz: > 1000 ppm (0,1 %) U-Gehalt Lagerstätten: Kanada, USA, Brasilien, Süd- und Mittelafrika, Australien, Frankreich, Schweden und Russland Welturanreserven: 2 Mio. t US-$ 80 pro kg U + 3 Mio. t US-$ 130 je kg U. U II O 2 + H 2 SO 4 + ½ O 2 U VI O 2 (SO 4 ) + H 2 O Oxidationsmittel: MnO 2 oder Na 2 ClO 4 Einführung und Überblick 42 21

22 Problem: Brennstoffproduktion Reinigungsprozesse, +NH 3 : 75% Uran Yellow Cake Isotopenanteil von 235 U: 0,7% > 3% Konversion des Yellow Cake gasförmige Verbindung UF 6 (Uranhexafluorid) weitere Reinigungsschritte Anreicherung durch Diffusions-, Zentrifugations- und Trenndüsenverfahren Einführung und Überblick 43 Problem: Zwischen- und Endlagerung Einführung und Überblick 44 22

23 Naturreaktor in Oklo Gabun (Westafrika) 60%-iges U-Erz, prähistorische Kettenreaktion einige Jahre, 450 C Einführung und Überblick 45 Überall Radioaktivität! Kosmos Erde / Boden Atmosphäre / Wasser Nahrung Im Menschen! Einführung und Überblick 46 23

24 Einführung und Überblick 47 Kosmische Elementsynthese Urknall Big Bang Uratom vor ca Jahren: H (He, Li) Wasserstoffbrennen ( a): 4p 4 He + 2e ,7 MeV Heliumbrennen (rote Riesen): 3 4 He 12 C(0 +, 7,66MeV) C + n 16 O, 20 Ne, 24 Mg (Heliumblitz: a) Einführung und Überblick 48 24

25 Kosmische Elementsynthese Kohlenstoffbrennen: m > 8. m Sonne 12 C + 12 C Mg/Na 12 C + 16 O Si/Al 16 O + 16 O S/P Tage 28 Si + 28 Si Ni/Fe... 1 Tag Supernova: Sternbrennen + Synthese der Elemente mit A 60 Einführung und Überblick 49 Kosmische Elementsynthese Neutronenstern: e + p n + n ~10 23 n/cm²s Kosmos s(low)- r(apid)- neutron capture process Einführung und Überblick 50 25

26 Zurück zur Erde Einführung und Überblick 51 Uran -Radium -Radon Einführung und Überblick 52 26

27 Das geogene Radonpotential in Österreich Einführung und Überblick 53 Atmosphäre / Wasser N n 1H 6C T 12,3a 14 N n C p T 5730 a Durchschnittlich ca C-Atome je m² (Erdoberfläche) und s erzeugt 14 CO 2 kosmogene 14 C-Produktion global pro Jahr 7 kg globales Inventar 58 t 12 C 99%, 13 C: 1% W.F.Libby, 1960: Nobelpreis Einführung und Überblick 54 27

28 Mensch Einführung und Überblick 55 Strahlungsmessgrößen Energiedosis : absorbierte Ionisierungsenergie Masse de D : dm Einheit: Gray (Gy) J/kg Alte Einheit: rad = 0,01 Gy Einführung und Überblick 56 28

29 Messung ionisierender Strahlung N eV N 2+ + e - Einführung und Überblick 57 Dosisgrößen Organdosis: Strahlenwichtungsfaktor Energiedosis H : w D, T R R T R Einheit: Sievert (Sv) J/kg Alte Einheit: rem Einführung und Überblick 58 29

30 Organdosis - Äquivalentdosis Betastrahlung Alphastrahlung Energiedosis D w R = 1 w R = 20 Einführung und Überblick 59 Effektive Dosis w T =0,20 w T =0,01 Effektive Dosis : Organwichtungsfaktor Organdosis E : T w T H T [ E] 1Sv Einführung und Überblick 60 30

31 Künstliche Quellen Einführung und Überblick 61 Medizin Einführung und Überblick 62 31

32 Externe Bestrahlung / nat. Quellen Viktor Franz Hess * , Schloss Waldstein bei Peggau, Steiermark 1936 Nobelpreis f. Physik , Mt. Vernon, New York Einführung und Überblick 63 Geographische Breite Latitude in Degree Strahlungsdosis in Flughöhe Effektive Dosis Effective in einer Flughöhe Dose Rate von in 11,2 µsv/h km (37 000ft) Flight Altitude 11.2 km (37,000 ft), Solar Potential 500 MV Geographische Longitude in Degree Länge µsv / h Einführung und Überblick 64 32

33 Radon Radon wird mit der Luft ein- und größtenteils wieder ausgeatmet Radon zerfällt in kurzlebige Folgeprodukte Die Folgeprodukte binden sich an Aerosole (z. B. Staub) Die Folgeprodukte werden in der Lunge abgelagert Durch den radioaktiven Zerfall in den Bronchien wird das Lungengewebe geschädigt es kann Lungenkrebs auftreten Die Aufnahme durch Trinkwasser und Nahrung kann in der Regel vernachlässigt werden Einführung und Überblick 65 Radon ein altes Problem Einführung und Überblick 66 33

34 Lungenkrebs durch Radon Am Beispiel Schweiz Einführung und Überblick 67 Radonquellen und Eintritt in das Gebäude einge 1-10 Bq/m³ einige Bq/m³ einige Bq/m³ Umgebendes Erdreich in erdberührten Gebäudeteilen Fugen und Risse Installationsdurchführungen Kanalisationsrohre Bodenschächte und Kontrollöffnungen Naturböden, Erdböden einige Bq/m³ Baumaterial Wasser Einführung und Überblick 68 34

35 Wissen schafft Vertrauen! Strahlung gibt es überall in der Natur! Alle lebenden Organismen haben sich in einem natürlichen Strahlungs-Umfeld entwickelt und können mit Strahlung umgehen! Auf die Dosis kommt es an! Immunsystem in Schwung halten: Bewegung, ausgeglichene Ernährung, Lebensstil,. Mehr Fakten weniger Ängste bessere Strategien Einführung und Überblick 69 35