Sonntag, 10. April 2011

Die kleine Strahlenkunde

Strahlung ist allüberall. Auf der Erde sowieso, aber auch im Weltraum und sogar tief im Inneren unseres Planeten. Bei Reaktorunfällen verschiebt sich dieses Gleichgewicht, meist ganz leicht, eine kurze Zeit örtlich (Fukushima) oder global (Tschernobyl), gibt aber dennoch zu allerlei Ängsten bei den Menschen Anlass. Häufig sind nur einzelne Organe, wie die Schilddrüse gefährdet, manchmal ist der ganze Körper von Strahlung "eingehüllt". Grosse Schwierigkeiten machen dem Laien die Unterschiede der verschiedenen Strahlenarten, wie Alpha, Beta, Gamma und die Dosisbezeichnungen, wie Mikro-und Millisievert sowie das Becquerel. Im Folgenden will ich einige dieser Dinge möglichst allgemeinverständlich erklären, ohne aus meinen Bloglesern gleich ausgewachsene Strahlenschutzexperten zu machen.

Die Strahlenarten

In der Praxis gibt es nur drei verschiedene Sorten von Strahlen: die Alphastrahlen, die Betastrahlen und die Gammastrahlen; zu letzteren gehören auch die Röntgenstrahlen, mit denen die Ärzte therapieren. Die Alphastrahlen bestehen aus Heliumatomkernen, die Betastrahlen aus Elektronen, die beispielsweise auch unseren elektrischen Strom bilden und die Gammastrahlen sind so etwas wie energiereiches Licht. Sehr unterschiedlich ist die Durchdringungsfähigkeit dieser Strahlenarten. Alpha- und Betastrahlen kann man bereits mit einem Blatt Papier abschirmen. (Hätten die Unfallbekämpfer in Fukushima - wie in den Zeitungen berichtet - nicht löcherige Gummistiefel getragen, dann hätte die dortige Betastrahlung auch nicht ihre Beinhaut gerötet). Gammastrahlung, insbesondere hoher Energie, durchdringt einen Menschen total, richtet aber nur bei hoher Dosis (siehe unten) einen Schaden an.

Wichtig ist, wie unser Körper der Strahlung ausgesetzt ist. Kommt sie von aussen (Umgebungsstrahlung) dann ist sie meist ungefährlich, da wir uns ja von ihr entfernen  oder uns - mit Bleischürzen - davor schützen können. "Essen" wir die Strahlung, etwa über einen Salatkopf, der mit radioaktiven Atomen belegt ist, dann bringen wir die Strahlung in unseren Magen-/Darmkanal, wo sie mehrere Tage verharren kann und uns intern so lange bestrahlen wird. Man nennt dies Ingestion. Noch problematischer kann es sein, wenn wir  radioaktive Teilchen einatmen (Inhalation). Diese können dann für Wochen oder auch Monate in der Lunge liegen bleiben und durch fortgesetzte Bestrahlung möglicherweise dort Krebs erzeugen. Japaner, die selbst bei leichten Erkältungen Gesichtsmasken tragen, sind gegen Ingestion und Inhalation sicherlich besser geschützt als der durchschnittliche Europäer.

Wenige gefährliche Nuklide

Auf der Erde (und im Universum) gibt es etwa 100 Elemente, die sich chemisch allesamt unterschiedlich verhalten und im berühmten Periodensystem ihren Platz haben. Jedem dieser Elemente sind - im Schnitt - weitere 25 sogenannte Nuklide zugeordnet, die sich chemisch genau so wie das Mutterelement verhalten, physikalisch aber total andere Eigenschaften besitzen. Diese ca. 2.500 Nuklide sind auf der sogenannten Nuklidkarte zu finden, wo insbesondere ihre ausgesandten Strahlenarten vermerkt sind.

Die Nuklide werden aus wissenschaftlichen Gründen in Beschleunigern und Kernreaktoren erzeugt. In Atomkraftwerken sind sie in den sogenannten Brennstäben zu finden. Werden diese Brennstäbe bei Störfällen - wie etwa in Fukushima - überhitzt, so kommen eine Reihe dieser Nuklide frei. Enige wenige haben eine schädliche Wirkung auf die Menschen in ihrer Umgebung, weshalb es dort besonderer Vorsichtsmassnahmen bedarf. Diese Nuklide sind insbesondere das Jod-131, das Strontium-90, das Cäsium-137, sowie (mit Abstrichen) das Plutonium-239.


Besonders gefährdete Körperorgane durch spezielle Nuklide

Jod-131 sendet Betastrahlen aus und besitzt eine Halbwertszeit von 8 Tagen. Das bedeutet, dass nach gut 10 Wochen bzw. 3 Monaten die Strahlung dieses Nuklid auf ein Tausendstel abgeklungen ist, also kaum mehr eine Rolle spielt - auch nicht mehr im Meerwasser der japanischen See! Jod-131 ist ein flüchtiges Nuklid und kontaminiert (verunreinigt) insbesondere Gras. Über die Kühe, die solches Gras fressen, gelangt es in die Milch. Trinken Menschen, insbesondere Kleinkinder, solche Milch, dann wandert das Jod bevorzugt in die Schilddrüse und bestrahlt dieses Organ. Bei Überdosis kann sich Schilddrüsenkrebs entwickeln. Nichtradioaktive Jodtabletten als Medikament verhindern die Anlagerung des (später kommenden) radioaktiven Jods sehr wirkungsvoll. Es ist jedoch totaler Unsinn, Jodtabletten einzunehmen - wie es derzeit häufig in Deutschland geschieht - ohne,  dass eine radioaktive Gefährdung besteht.

Strontium-90 sendet ebenfalls Betastrahlen aus und besitzt eine Halbwertszeit von 29 Jahren. Es klingt also nur langsam ab und verbleibt lange Zeit in der Biosphäre.  Strontium ist chemisch verwandt mit dem Element Calzium, weshalb es vorzugsweise die Knochen bzw. das Knochenmark sucht und sich dort einbaut. Bei starker Akkumulation und länger andauernder Bestrahlung kann sich daraus Knochenkrebs entwickeln.

Cäsium-137 ist ein Gammastrahler und besitzt ebenfalls eine Halbwertszeit von 29 Jahren. Dieses Nuklid bindet sich häufig an Staubteilchen und kann eingeatmet werden, wenn man auf kontaminierten Wegen herumläuft. Deshalb ist es sinnvoll, dass in Fukushima der Boden mit Harz etc. verfestigt wird. Cäsium findet man auch auf Pilzen und im Fleisch von Wildtieren, welche sich im Wald bewegen. Dieses Nuklid ist wegen seiner Gammastrahlung und der langen Halbwertszeit gefährlicher einzuschätzen als das vorgenannte Jod und Strontium.

Plutonium-239 bzw Plutonium-238 haben eine Halbwertszeit von 24.000 Jahren bzw. 86 Jahren und sind in der Öffentlichkeit als Schreckgespenst bekannt. Wahrscheinlich zu Unrecht. Im Reaktor wird Plutonium zumeist in der Form von Plutoniumoxid verwendet und ist damit nicht flüchtig. Die Gefahr des ungewollten Einatmens ist daher gering. Auch das Risiko beim Verschlucken (Ingestion) des Plutonium ist überschaubar. da es von der Magenschleimhaut nicht aufgenommen  und sofort zu 99,99 Prozent wieder ausgeschieden wird. Ob in Fukushima wirklich Plutonium entwichen ist, ist derzeit noch umstritten.
Bei den ungefähr 600 oberirdischen Bombentests, vorallem der sechziger und siebziger Jahre, sind insgesamt fünf Tonnen Plutonium als nicht umgesetzte Restmenge in die Atmosphäre verblasen worden. Im Verlaufe der nachfolgenden 25 Jahre sind sie durch langsames Absinken und Auswaschen auf den Boden gelangt. Würde man heute an einem beliebigen Punkt der nördlichen Halbkugel in einen Kreis von von 10 Metern Durchmesser etwa 4 Zentimeter tief die Erde abheben und daraus alles Plutonium extrahieren, so hätte man wegen des Fall-outs etwa 1 Milligramm Plutonium. In die Lunge eines Menschen verbracht, würde es dessen Krebswahrscheinlichkeit um 1 Prozent erhöhen. Aber: es ist eben nicht dort, sondern im Boden. Das Plutonium verhält sich gewissermassen wie ein nicht abgeernteter Knollenblätterpilz, der den Schuhen auch nicht schadet.

Aktivität und Becquerel

Jede strahlende Substanz, sei es ein Brennelement oder ein Salatkopf, auf den Cäsiumatome gefallen sind, ist "aktiv" d. h. er strahlt. Die sogenannte Aktivität ist die Anzahl der Atomkerne, welche in der genannten Substanz pro Sekunde zerfallen und damit Strahlung aussenden.
Das Becquerel - benannt nach dem Entdecker der Radioaktivität, dem Franzosen Henri Becquerel - ist die Masseinheit der Aktivität. Wenn bei einer radioaktiven Substanz 1 Zerfall pro Sekunde stattfindet, dann besitzt diese Substanz die Aktivität von einem Bequerel, d. h. 1 Bq. Bequerel ist also immer mit einer Menge oder Masse verknüpft. Wenn ein kontaminierter Salatkopf mit 600 Bq strahlt, dann besitzt ein halber Salatkopf der gleichen Charge 300 Bq.
 Bequerel ist eine sehr kleine Masseinheit. Ein Gramm Radium beispielsweise, mit dem die Forscher früherer Zeiten manchmal noch sehr hemdsärmlig umgingen, besitzt die gigantische Aktivität von 37 Milliarden Bq!
Die Masseinheit Bequerel wird vorallem in Verbindung mit Lebensmitteln verwendet. Für Ihre Kontamination bzw. radioaktive Verschmutzung gibt es staatlich festgelegte Grenzwerte, die allerdings meist von Land zu Land variieren.

Dosis und Dosisleistung

Die Strahlendosis oder Dosis ist (vereinfacht gesprochen) die Menge an Strahlung, die der Körper aufnimmt. Dabei sind die verschiedenen wirksamen Strahlenarten und die verschiedene Empfindlichkeit der menschlichen Organe bereits eingerechnet. Die Dosisleistung ist die Dosis pro Zeiteinheit, zumeist pro Stunde oder pro Jahr.

Gemessen wird die Dosis in der Masseinheit Sievert, abgekürzt Sv. Da Sievert eine recht hohe Dosis ist, unterteilt man sie in milli-Sv und mikro-Sv. 1 Sv entspricht 1.000 milli-Sv; 1milli-Sv entspricht 1.000 mikro-Sv. Demnach enthält 1 Sv 1.000.000 mikro-Sv. Grob vereinfacht kann man sagen: Strahlendosen im Bereich von mikro-Sv sind für den menschlichen Körper nicht erkennbar gesundheitsschädlich. Bei 10 bis 20 milli-Sv (entsprechend 10.000 bis 20.000 mikro-Sv) fängt es an bedenklich zu werden. Bestrahlungen jenseits von 1 Sv (früher als 100 rem bezeichnet) sollte man auf alle Fälle meiden, bzw sich dort nur wenige Minuten aufhalten.

Einige Zahlenbeispiele aus der Praxis mögen ein Gefühl für die Sievert-Einheiten vermitteln.
Wer ein Jahr lang im Umkreis eines Kernkraftwerks wohnt, erhält dadurch eine zusätzliche Strahlendosis von 0,1 mikro-Sv; bei einem Kohlekraftwerk (manchen mag dies erstaunen) sind es schon 0.3 mikro-Sv. Eine einmalige zahnärztliche Röntgenaufnahme belastet den Patienten mit 5 mikro-Sv; ein Flug von Frankfurt nach New York - wegen der Höhenstrahlung - gar mit 50 mikro-Sv. Piloten und Bordpersonal, die ständig solche Fernflüge durchführen, werden also mit signifikanten Dosen bestrahlt. Eine Rötgenaufnahme der Brust bedeutet 20 mikro-Sv; Das Wohnen in einem typischen deutschen Steinhaus bringt 70 mikro-Sv pro Jahr.

Kommen wir zum Bereich der milli-Sv. Die mittlere jährliche Strahlenbelastung eines Deutschen liegt bei 2,4 milli-Sv pro Jahr. "Ausreisser" sind meist einmalige medizinische Behandlungen, wie: Mammografie (3 milli-Sv), Herzkathederuntersuchung (10 milli-Sv), Computertomografie (30 milli-Sv) u. a.

Im beginnenden Sv-Bereich bewegten sich die Arbeiter in den havarierten Kernkraftwerken von Fukushima. Ihr Dosisgrenzwert wurde vom Arbeitgeber auf 0,25 Sv festgesetzt. Die stündliche Dosis unter dem Reaktorblock 2 wurde zu 1 Sv gemessen; Arbeiter konnten sich dort also nur wenige Minuten aufhalten. Bei Aufnahme einer Dosis von 1 Sv beginnt der sog. Strahlenkater, eine leichte Übelkeit. Bei einer Dosis von 6 Sv hat der Mensch keine Überlebenschance mehr; bei 80 Sv tritt der sofortige Tod durch Ausfall des Nervensystems ein.

Schlussendlich gilt auch im Strahlenschutzbereich die alte Apothekerweisheit: die Dosis macht das Gift. Geringe Bestrahlungen haben nur geringe - oder gar keine - Auswirkungen auf Mensch und Tier. Wenig bekannt ist, dass auch der menschliche Körper selbst strahlt: wegen des dort abgelagerten Nuklids Kalium-40 mit immerhin 4.000 Bequerel.

Und wenn man die Freundin besonders herzhaft drückt, dann werden daraus sogar 8.000 Bq!

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