Wolfgang Liebert. Universität für Bodenkultur Wien Institut für Sicherheits- und Risikowissenschaften

Praxisseminar Strahlenschutz Teil 1.1: Einführung Wolfgang Liebert 1 1

Das ISR Projekt Nukleare Sicherheit des Akademischen Senates der Universität Wien Institut für Risikoforschung (IRF) der Uni Wien bis 2009 seit 2009 an der Universität für Bodenkultur als ISR etabliert Fokus: Technische, ökologische und soziale (globale) Risiken von Energietechnik traditioneller Schwerpunkt: Nukleartechnik 2

Inhalt Organisatorisches Vorstellung Aufbau & Termine Prüfungsmodalitäten Praktische Hinweise Inhalte des Seminars Motivation + Lernziele Kerntechnikentwicklung bis zur Bombe Weitere Entwicklung nach der Bombe Sicherheitsprobleme und Folgerisiken und Österreich? 3

Aufbau 5 Theorieeinheiten à 3 Stunden Zwischentest 3 Praxiseinheiten à ca. 8 Stunden Letzte Praxiseinheit ist Exkursion Abschlussprüfung (praktisch) 4

Termine Theorie jeweils donnerstags von 09:00-12:00 14.03. 21.03. 18.04. 25.04. 02.05. Praxis Start jeweils bei Baracke 3, 09:00-18:00 16.05. (inkl. Zwischentest) 23.05. 06.06. Exkursion (Verschiebung evtl. möglich) Abschlussprüfung (voraussichtlich 13. Juni 2013, 09:00 Uhr) 5

Prüfungsmodalitäten Anwesenheitspflicht Mitarbeit Zwischentest schriftlich (MC + offen, 30 min) Abschlusstest praktisch (3 Stationen zu Themen, jeweils 15 min) 6

Praktische Hinweise Kleidung: Sportkleidung für 1. u. 3. Praxiseinheit Verwendet werden schwache Quellen: unter Freigrenze Unterlagen: Folien online, kein Skriptum 7

Seminarinhalt: Theorie 1.1 Einführung, Organisation 1.2 Strahlenschutzgrundlagen 2.1 Ionisierende Strahlung Einführung 2.2 Ionisierende Strahlung Vertiefung 3.1 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung 3.2 Nicht-ionisierende Strahlung 4 Messtechnik 5 Schutz und Dekontamination 8

Seminarinhalt: Praxis 1.1 Messtechnik und Selbstschutz 1.2 Schutz und Dekontamination 2.1 Nicht-Ionisierende Strahlung 2.2 Gammamessstelle 3 Exkursion 9

Motivation Katastrophenpotential von Kernwaffen und Kernreaktoren real Nach Tschernobyl und Fukushima große Verunsicherung Publizierte Messwerte oft unverständlich (oder unvollständig) Messmethoden sollten nachvollziehbar sein Reichweite und Auswirkung von Strahlungsarten Möglichkeiten von Selbstschutz Was kann man selbst messen bzw. wer kann mehr? 11

(Lern-)Ziele Grundlegendes physikalisches und biologisches Verständnis für verschiedene Strahlungsarten und deren Wirkung Vermessen von Strahlungsquellen Messwerte interpretieren können Prinzipien der Probenahme und Vermessung beherrschen Effektiver Selbstschutz und dessen Grenzen 12

Induzierte Kernspaltung in Uran-235 Entdeckung 1938 Quelle: http://home.eduhi.at/teacher/hokl/projekt_4/start3_4.htm 14

Induzierte Kernspaltung in Uran-235 (Natururan: nur 0,7 % Uran-235 aber 99 % Uran-238) Reaktionsgleichung: U235 + n Kr + Ba + 3n + 210 MeV Produktion von Neutronen & viel Energie + verschied viele verschiedene (radioaktive) Spaltprodukte 15

Vorahnungen Wenn man bedenkt, dass das Radium in den Händen von Verbrechern sehr gefährlich werden könnte, drängt sich einem die Frage auf, ob es für die Menschheit von Vorteil ist, die Geheimnisse der Natur kennen zu lernen, und ob sie reif dafür ist, sich ihrer zu bedienen, oder ob diese Erkenntnisse ihr nicht vielleicht eher zum Schaden gereichen. 1905 - Pierre Curie (1859-1906), Physiknobelpreis 1903 16

Vorahnungen Wenn man bedenkt, dass das Radium in den Händen von Verbrechern sehr gefährlich werden könnte, drängt sich einem die Frage auf, ob es für die Menschheit von Vorteil ist, die Geheimnisse der Natur kennen zu lernen, und ob sie reif dafür ist, sich ihrer zu bedienen, oder ob diese Erkenntnisse ihr nicht vielleicht eher zum Schaden gereichen. 1905 - Pierre Curie (1859-1906), Physiknobelpreis 1903 Wenn ein geeigneter Zünder gefunden würde, ist es denkbar, dass sich durch die Materie eine Welle des atomaren Zerfalls explosiv fortsetzt, die diese alte Erde in Asche verwandeln könnte... Irgendein Gimpel in seinem Laboratorium könnte unversehens die ganze Welt in die Luft sprengen. 1903 Ernest Rutherford (1871-1937), Chemienobelpreis 1908 17

Warnungen Wir leben sozusagen auf einer Insel von Schießbaumwolle, für die wir Gott sei Dank das anzündende Streichholz noch nicht gefunden haben. 1921 Walther Nernst (1864-1941), Chemienobelpreis 1920 18

Warnungen Wir leben sozusagen auf einer Insel von Schießbaumwolle, für die wir Gott sei Dank das anzündende Streichholz noch nicht gefunden haben. 1932: Entdeckung des Neutrons (postuliert von Rutherford) 1921 Walther Nernst (1864-1941), Chemienobelpreis 1920 Wir dürfen mit Recht an die Möglichkeit denken, dass die Forscher, die nach Gutdünken Elemente aufbauen und zerschlagen können, auch Kernumwandlungen von explosivem Charakter verwirklichen werden. (...) Sollte man es fertig bringen, dass solche Umwandlungen sich in der Materie fortpflanzen, so wird vermutlich die Befreiung enorm großer nutzbarer Energie stattfinden. 1935 Frédéric Joliot-Curie (1900-1959), Chemienobelpreis 1935 19

Warnungen...im Oktober 1933 hatte ich den Einfall, dass man eine Kettenreaktion erreichen könne, wenn ein Element zu finden wäre, das zwei Neutronen ausstoßen würde, nachdem es ein Neutron geschluckt hatte. Zuerst dachte ich dabei an Beryllium, dann an andere Elemente, einschließlich Uran, aber aus dem einen oder anderen Grund führte ich das entscheidende Experiment niemals aus. Szilard-Vorschlag (1935), zumindest vorübergehend nicht zu veröffentlichen... Leo Szilard (1898-1964) Frühjahr 1939 Experimenteller Nachweis: Kettenreaktion in Uran möglich! (Enrico Fermi, F. Joliot-Curie, L.Szilard) 20

Entwicklungsgeschichte insbesondere militärische Forschung und Entwicklung im Zweiten Weltkrieg und danach 1932 Entdeckung des Neutrons 1938 Entdeckung induzierter Kernspaltung 1942-1945 Deutscher Uranverein / US Manhattan Project 21

Hiroshima - 6. August 1945 90% aller Gebäude im Umkreis von 13 Quadratkilometern zerstört ~ 140.000 Tote (Ende 1945) plus ~ 60.000 durch Spätfolgen Sprengkraft: entspricht 13 000 t TNT = 13 kt TNT ( Kilotonnen ) Quelle: http://www.atomicarchive.com/maps/hiroshimamap.shtml 22

68 Jahre Atombombenabwurf auf Hiroshima und Nagasaki 23

Entwicklungsgeschichte insbesondere militärische Forschung und Entwicklung im Zweiten Weltkrieg und danach 1932 Entdeckung des Neutrons 1938 Entdeckung induzierter Kernspaltung 1938-1945 /1942-1945 Deutscher Uranverein / US Manhattan Project 1945 1. Uran-Spaltbombe (und Einsatz über Hiroshima) 1. Plutonium-Spaltbombe (und Einsatz über Nagasaki) 1949 1. sowjetischer Kernwaffentest 1951 1. Booster-Bombe (fusionsverstärkte Spaltbombe) 1952 1. Wasserstoffbombe (thermonukleare Fusion) 1959 bzw. 1961 Stationierung von Interkontinentalraketen.. 1986 65.000 Atomsprengköpfe weltweit.. 2006 14.000 (+13.000) Sprengköpfe in 9 Kernwaffenstaaten 25

Nukleartechnikentwicklung seit den 1940er Jahren Urananreicherung: Produktion von Waffenstoff (HEU) Erste Reaktoren: Plutoniumerzeugung Plutonium-Abtrennung / Wiederaufarbeitung: Plutonium für Waffen Uranschürfung : 400-500 tausend Tonnen für Waffen Erster kommerzieller Reaktor: Calder Hall 1956 gleichzeitig Plutoniumlieferant fürs britische Waffenprogramm 26

Nukleartechnikentwicklung seit den 1940er Jahren Seit 1955 friedliches Nuklearzeitalter Urananreicherung: Produktion von Waffenstoff (HEU) Brennstoff für heute > 400 Leistungsreaktoren (Brennelementfertigung) Erste Reaktoren: Plutoniumerzeugung Leistungsreaktoren in 31 Staaten + 30 Länder mit Forschungsreaktoren Plutonium-Abtrennung / Wiederaufarbeitung: Plutonium für Waffen Brennstoffwiederaufarbeitung: 250 t Pu auf Halde nur teilweise Nutzung als MOX-Brennstoff (theoret. brauchbar für 40.000 Sprengköpfe) Uranschürfung : 400-500 tausend Tonnen für Waffen Uranbedarf für Reaktoren z.zt. 70.000 t pro Jahr Erster kommerzieller Reaktor: Calder Hall 1956 gleichzeitig Plutoniumlieferant fürs britische Waffenprogramm Zwischenlager für abgebrannten Brennstoff 27

Atomzeitalter ist geprägt durch militärisch-zivile Ambivalenz der Nukleartechnologie und der verwendeten Materialien militärische Entwicklungsprogramme oder latente militärische Optionen unter Nutzung der nach 1955 zunehmend verbreiteten zivilen Technologien Tendenz, dass Klub der drei Atommächte (USA, SU, UK) nicht begrenzt bleibt: - 1960 Frankreich - 1964 China - 1967 Israel - 1970er Südafrika - 28

Kernwaffenarsenale 2011 Sprengköpfe (intakt) Sprengköpfe operational Hiroshima- Äquivalente operational USA 8.500 2.150 32.000 Rußland 11.000 4.500 45-72.000 Großbritannien 225 150 1.000 Frankreich 300 300 2.800 China ~240 ~175 16.000 Israel ~200 ~80? Indien 60-80 50?? Pakistan 90-110?? Nordkorea (8-12)?? SUMME ~ 20.650 ~7.450 100.000-130.000 Hiroshima Quelle: auf Basis von Norris/Kristensen, FAS 29

Kernwaffenarsenale 2011 Sprengköpfe (intakt) Sprengköpfe operational Hiroshima- Äquivalente operational Reserve Sprengkraft (gesamt) USA 8.500 2.150 32.000 2.850 ~ 1,5-2 Gt Rußland 11.000 4.500 45-72.000 X.000 ~ 1,7-3 Gt Großbritannien 225 150 1.000 ~ 75 22,5 Mt Frankreich 300 300 2.800 ja? 42 Mt China ~240 ~175 16.000 ja? > 250 Mt Israel ~200 ~80??? Indien 60-80 50???? Pakistan 90-110?? (70-130)? Nordkorea (8-12)?? SUMME ~ 20.650 ~7.450 100.000-130.000 Hiroshima Quelle: auf Basis von Norris/Kristensen, FAS 3,5-6Gt (~250.000-400.000 Hiroshima) 30

Kernreaktoren weltweit Quelle: wikipedia 31

Gegenwärtiger Stand der Nuklearenergienutzung ~ 370 GW Nuklearstrom-Kapazität (~440 Leistungsreaktoren in 31 Ländern) überwiegend Leichtwasserreaktoren (LWR) ~ 14 % nuklearen Anteil bei Stromproduktion (insbes. 5-10 Staaten) ~ 5,5 % nuklearer Primärenergieanteil ~ 3 % nuklearer Anteil am Endenergieverbrauch ( nur sehr begrenzter Beitrag zur CO 2 Vermeidung) Gegenwärtig genutzte LWR benötigen Uran als Brennstoff Uran ist eine nicht-erneuerbare Ressource Europa, USA, Japan, etc. abhängig von Importen 32

Drei Hauptanforderungen an Sicherheit der Reaktoren 1. Reaktivitätskontrolle (Brennstoffkonfiguration darf nie überkritisch werden) 2. Nachwärmeabfuhr aus den Brennelementen (auch aus den alten im Becken) 3. Einschluss der radioaktiven Stoffe 34

Katastrophenpotential Typisches Inventar von etwa 100 t Brennstoff in 1 GW Reaktor Im abgebrannten Brennstoff: 0,8 % Uran-235 (wenn vollständig abgebrannt) 1,2 % Plutonium (230 kg / GWa) 6,2 % Transurane und Spaltprodukte (1,2 t / GWa) 91,8 % Uran-238, (-236,-237) [4,2% Uran-235 im frischen Reaktor-Brennstoff (LWR)] 35

Sicherheitsprobleme von Spaltreaktornutzung 1. Wirkung extremer äußere Ereignisse auf Reaktoren (Naturkatastrophen, Kriegseinwirkungen, Terror, Flugzeugabsturz) 2. Pausenlose aktive Kühlung der Brennelemente 3. Extremes Katastrophenpotential größerer Spaltreaktoren - naturgesetzlich unvermeidbare Nachzerfallswärme 4. Sicherung des Atommülls: Nachzerfallswärme, Angriff, Abschluss von der Lebenswelt über extreme Zeiträume 5. Sicherung gegen Gebrauch in Waffenprogrammen (Urananreicherung unverzichtbar, Plutoniumabtrennung verzichtbar) 36

Nuklearunfälle Kyschtym (Majak) (1957) Sellafield (1957) Three Mile Island (1979) Tschernobyl (1986) Goiânia-Unfall (1987) Fukushima (2011) 37

Kernwaffentests Insgesamt wurden zwischen 1945 und 1996 über 2000 Kernwaffentests registriert, 25% bzw 622 Tests wurden in der Atmosphäre durchgeführt; 200 Bomben der USA 200 Bomben der Sowjetunion 20 Bomben von Großbritannien 50 Bomben von Franzreich 20 Bomben von China 38

Kernwaffentests Insgesamt wurden zwischen 1945 und 1996 über 2000 Kernwaffentests registriert, 25% bzw 622 Tests wurden in der Atmosphäre durchgeführt; 200 Bomben der USA 200 Bomben der Sowjetunion 20 Bomben von Großbritannien 50 Bomben von Franzreich 20 Bomben von China 39

Kernwaffentests und Tschernobyl im Vergleich Zusätzliche Strahlenbelastung für einen Durchschnittsdeutschen durch Kernwaffentests und Tschernobyl Quelle: http://www.bfs.de/de/kerntechnik/unfaelle/fukushima/vergleich.html 40

Österreich - entnuklearisiert Kernkraftwerk Zwentendorf bei Wien SWR mit ca. 700 MW (ca. 1 Mrd. Euro) 5.11.1978 Referendum (50,47% Nein) wird Ersatzteillager für deutsche SWR Dez. 1978 Atomsperrgesetz : kein KKW ohne Volksabstimmung 13.8.1999 Bundesverfassungsgesetz für ein atomfreies Österreich: - Atomwaffenverbot (Bekräftigung des Beitritts zum Nichtverbreitungsvertrag) - keine Atomenergienutzung Quelle: wikipedia 42

Reaktoren rund um Österreich 13 innerhalb 100 km Zone + 13 innerhalb 200 km Zone Quelle: Informationskreis Kernenergie, modifiziert auf Stand 2013 43