Dosisleistungen und Einschätzung von Strahlenrisiken

von Prof. Dr. Werner Rühm

Gegenwärtig sind die Begriffe „Strahlung“ und„Radioaktivität“ in aller Munde. In den Medien wird von einer „radioaktiven Wolke über Tokio“ berichtet, von „verstrahlten“ Menschen und Nahrungsmitteln und man liest „Fukushima-Strahlung verseucht Todeszone“, um nur einige wenige Beispiele zu nennen. Was ist von derartigen Berichten zu halten? Bereits Paracelsus erkannte vor vielen Jahren in anderem Zusammenhang „Dosis sola facit venenum“ (allein die Dosis macht das Gift). Auch in Bezug auf ionisierende Strahlung kann diese Sicht weiterführen.

Häufig wird von relativ hohen Dosisleistungswerten von einigen 100 mSv pro Stunde genauso berichtet wie von relativ niedrigen von einigen Tausendstel mSv pro Stunde – doch wie sind derartige Werte einzuordnen?

Hier hilft es, sich zu vergegenwärtigen, dass Radioaktivität einnatürliches und
alltägliches Phänomen darstellt.

Radioaktivität und ionisierende Strahlung sind Teil unseres Lebens. Wir begegnen ihnen beispielsweise zuhause im Wohnzimmer, im Freien beim Spaziergang, auf dem Flug in den Urlaub. Und selbst ohne Unglücke wie den Unfall von Tschernobyl vor 25 Jahren in Russland oder aktuell die Ereignisse in Fukushima in Japan nehmen wir ständig über die Nahrung radioaktive Substanzen auf.

Dosis durch natürliche Radionuklide in der Nahrung und im Erdreich

Eine besondere Rolle bei der Inkorporation von radioaktiven Stoffen spielen primordiale Radionuklide. Diese Radionuklide zeichnen sich durch eine besonders lange physikalische Halbwertszeit aus und sind seit der Entstehung der Erde in der Erdkruste vorhanden. Typische Beispiele dafür sind 235U (T1/2 = 7,0 x 108 Jahre), 238U (T1/2 = 4,5 x 109 Jahre), 232Th (T1/2 = 1,4 x 1010 Jahre), oder 40K (T1/2 = 1,3 x 109 Jahre). Das natürliche Element Kalium besteht neben dem stabilen 39K auch aus 0,0117 % radioaktivem 40K. Daher nehmen wir mit der Nahrung ständig 40K auf, und unser Körper enthält typischerweise etwa eine Aktivität von 50 Bq 40K pro Kilogramm Körpergewicht. Bei einem Körpergewicht von 70 kg zerfallen also pro Sekunde etwa 3.500 40K-Kerne und senden dabei unter anderem Gammastrahlung mit einer Energie von 1.461 keV aus. Dadurch wird der menschliche Körper pro Jahr einer effektiven Dosis von etwa 0,17 mSv ausgesetzt. Wenn man Uran und Thorium und deren Zerfallsprodukte mit berücksichtigt, sind wir pro Jahr durch natürliche Radionuklide in der Nahrung einer effektiven Dosis von etwa 0,3 mSv ausgesetzt. Diese primordialen Radionuklide senden zudem beim Zerfall im Erdboden oder in Baumaterialien Gammastrahlung aus, die zu einer Bestrahlung des Menschen von außen beiträgt. Diese so genannte terrestrische Strahlung führt in Deutschland zu einer jährlichen effektiven Dosis von etwa 0,4 mSv, sodass die primordialen Radionuklide insgesamt für eine jährliche effektive Dosis von 0,7 mSv verantwortlich sind.

Dosis durch Inhalation von radioaktivem Radon

Das oben genannte Uranisotop 238U spielt eine besondere Rolle, weil bei seinem Zerfall im Erdreich unter anderem das radioaktive Radonisotop 222Rn (T1/2 = 3,825 Tage) entsteht. Da Radon als Edelgas chemisch inaktiv und flüchtig ist, kann es durch Undichtigkeiten im Boden oder Keller eines Gebäudes in Wohnräume gelangen und sich dort anreichern. Während zum Beispiel die typische Konzentration von 222Rn im Freien etwa 10 Bq/m3 beträgt, liegt der Mittelwert in Deutschland in Wohnräumen bei etwa 50 Bq/m3. Gerade in Gegenden mit einer relativ hohen Urankonzentration im Erdreich können je nach Dichtigkeit des Gebäudes und Lüftungsverhalten der Bewohner in seltenen Fällen sogar Raumluftkonzentrationen von mehr als 10.000 Bq/m3 auftreten. Das inhalierte 222Rn zerfällt zum Teil in der Lunge, die dort entstehenden ebenfalls radioaktiven Folgeprodukte emittieren unter anderem Alpha- und Betateilchen und bestrahlen so das umliegende Gewebe. Man geht davon aus, dass in Deutschland die Inhalation von 222Rn zu einer mittleren effektiven jährlichen Dosis von 1,1 mSv führt. Gegenwärtig werden Geräte entwickelt, die die individuelle Exposition einer Person durch 222Rn über einen Zeitraum von bis zu einem Jahr in Echtzeit registrieren und speichern [1,2]. Abbildung 1 zeigt die Raumluftkonzentration von 222Rn in einem Büro, gemessen durch ein derartiges, fest installiertes Gerät über einen Zeitraum von etwa einer Woche. Die rote Vergleichskurve dagegen zeigt die Messung eines zweiten Geräts, das von einer Person, die in diesem Büro tagsüber arbeitete, die ganze Zeit getragen wurde. Über Nacht und am Wochenende reicherte sich Radon in der Luft des ungelüfteten und abgeschlossenen Büros bis zu einer Konzentration von maximal 2.500 Bq/m3 an. Das getragene Gerät zeigte dagegen deutlich niedrige Konzentrationen an, weil offenbar die Wohnräume der Person niedrige Radonkonzentrationen aufwiesen. An den Arbeitstagen erhöhte sich die Exposition der Person jeweils bei Betreten des Büros am Morgen. Die Raumluftkonzentration in der Büroluft dagegen nahm ab, da die Person zuerst das Fenster zum Lüften öffnete.

Dosis durch kosmische Strahlung

Die Erde ist einem kontinuierlichen Strom von Teilchen der kosmischen Strahlung (hauptsächlich Protonen und Heliumkerne – Alphateilchen – aus dem Weltall und von der Sonne) ausgesetzt, die in der Erdatmosphäre über komplizierte Kernreaktionen eine Vielzahl unterschiedlicher Sekundärteilchen erzeugen. Der Großteil der effektiven Dosis durch diese so genannte sekundäre kosmische Strahlung rührt von sekundären Neutronen und Protonen her. In Deutschland trägt die kosmische Strahlung im Mittel pro Jahr etwa 0,3 mSv zur effektiven Dosis bei. Die Dosis durch die sekundäre kosmische Strahlung nimmt mit zunehmender Höhe immer mehr zu. Messungen zeigen beispielsweise, dass auf der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus auf der Zugspitze (Abb. 2) [3] die Dosisleistung durch sekundäre Neutronen der kosmischen Strahlung mit etwa 7 x 10–5 mSv pro Stunde bereits etwa 7-mal höher ist als auf der Koldewey Station auf Spitzbergen, die auf Meeresniveau liegt (Abb. 3) [4,5]. Rechnungen zeigen, dass der Anteil der sekundären Neutronen an der gesamten effektiven Dosis durch kosmische Strahlung etwa 40 – 50 % beträgt.
Bei einer typischen Flughöhe von 10 km ist die effektive Dosis durch kosmische Strahlung sogar mehr als 100-mal höher als auf Meeresniveau. Wer sich für die Dosis durch kosmische Strahlung interessiert, die beim Flug in den nächsten Urlaub auftritt, kann mit dem Flugdosisprogramm EPCARD, mit dem für ca. 75 % der bei deutschen Fluglinien beschäftigten Piloten und Flugbegleiter die Dosis durch kosmische Strahlung bestimmt wird, die Dosis für einen beliebigen Flug berechnen (Abb. 4) [6]. Als Faustformel gilt, dass in einer Flughöhe von 10 km die Dosisleistung durch kosmische Strahlung etwa 0,005 mSv pro Stunde beträgt. Ein Direktflug von Frankfurt nach Tokio und wieder zurück dauert zum Beispiel insgesamt etwa 20 Stunden, was zu einer zusätzlichen Dosis von etwa 0,1 mSv führen würde.

Dosis durch den Verzehr von Pilzen

Während Ende April 1986 nach dem Unfall von Tschernobyl eine radioaktive Wolke über Deutschland hinwegzog, kam es insbesondere im süddeutschen Raum zu ergiebigen Niederschlägen. Dabei wurden unter anderem die Radionuklide 137Cs (T1/2 = 30,2 Jahre) und 134Cs (T1/2 = 2,1 Jahre) aus der Luft ausgewaschen und auf dem Boden deponiert. Aufgrund der kürzeren physikalischen Halbwertszeit ist 134Cs mittlerweile weitgehend zerfallen. Von 137Cs dagegen ist heute noch etwa die Hälfte der damals deponierten Aktivität vorhanden (im Münchner Raum wurden 1986 etwa 20.000 Bq 137Cs pro Quadratmeter deponiert). Glücklicherweise wird Cäsium in mineralischen Böden stark gebunden und ist kaum pflanzenverfügbar. Daher müssen wir uns heute über eine Kontamination von landwirtschaftlichen Produkten mit 137Cs keine Gedanken machen. Eine Ausnahme bilden jedoch Waldprodukte wie bestimmte Pilzarten, die in manchen Gegenden nach wie vor eine relative hohe 137Cs-Aktivität aufweisen. Im Waldökosystem wird das Cäsium in den obersten organischen Schichten des Bodens biologisch gebunden und ist damit pflanzenverfügbar. Abbildung 5 zeigt als Beispiel die 137Cs- Ganzkörperaktivität einer Person nach dem Unfall von Tschernobyl, die am Bundesamt für Strahlenschutz bestimmt wurde. Dafür wurde ein Ganzkörperzähler verwendet, der die im Körper beim Zerfall von 137Cs mit einer Energie von 661 keV frei werdende Gammastrahlung außerhalb des Körpers nachweisen kann [7]. In den Monaten nach dem Unfall von Tschernobyl stieg die Ganzkörperaktivität der untersuchten Person kontinuierlich an und erreichte etwa ein Jahr später einen maximalen Wert von 1.300 Bq. Danach fiel die Aktivität stark ab, da zum einen die Nahrungsmittel immer weniger kontaminiert waren, und zum anderen das aufgenommene 137Cs mit einer biologischen Halbwertszeit von etwa 100 Tagen vom Körper wieder ausgeschieden wurde. Etwa 31, 41 und 53 Monate nach dem Unfall kam es dann wieder zu einer Inkorporation von 137Cs. Diese wiederholten Inkorporationen traten immer im Herbst auf und konnten auf den Konsum von kontaminierten Waldpilzen zurückgeführt werden. Selbst mehrere Jahre nach dem Unfall hatte die untersuchte Person also immer wieder 137Cs-Ganzkörperaktivitäten, die denen kurz nach dem Unfall ähnelten. Unter Berücksichtigung der Biokinetik von 137Cs im menschlichen Körper (Art der Verteilung im Körper, biologische Halbwertszeit etc.) und der physikalischen Eigenschaften (physikalische Halbwertszeit, Energie der beim Zerfall emittierten Gamma strahlung von 661 keV, etc.) lässt sich berechnen, dass die einmalige Inkorporation von 1.000 Bq 137Cs zu einer effektiven Dosis von 0,013 mSv führt.

Zusammenfassung

Wenn man die Beiträge aller natürlichen Strahlungsquellen berücksichtigt, so sind wir in Deutschland im Mittel einer jährlichen effektiven Dosis von 2,1 mSv ausgesetzt. Wenn also im Zusammenhang mit den Ereignissen von Fukushima auf dem Reaktorgelände zum eispiel eine Dosisleistung von 120 mSv pro Stunde gemessen wird, so bedeutet dies, dass man dort in einer Minute einer Dosis ausgesetzt wäre, der man in einem Jahr auch durch natürliche Strahlenquellen ausgesetzt ist. Nachweisbare gesundheitliche Schäden wären dann nicht zu erwarten. Wenn man sich dort dagegen einige Arbeitstage aufhalten würde, würde die damit verbundene Dosis akute Strahlenschäden mit möglicherweise tödlichen Folgen hervorrufen. Die für Tokio im Rahmen des japanischen Radioaktivitätsmessnetzes SPEEDI erhobenen Ortsdosisleistungen lagen am 11. April bei etwa 0,00008 mSv pro Stunde mit fallender Tendenz. Zum Vergleich werden Messwerte zwischen 0,00003 und 0,00008 mSv pro Stunde für die Monate vor dem Unglück angegeben [8]. Falls sich der beobachtete fallende Trend fortsetzt, wären in Kürze wieder Werte von vor dem Unglück erreicht. Die mit dem Unglück von Fukushima verbundenen zusätzlichen Strahlendosen wären für die Bewohner von Tokio dann relativ gering.

Literatur
[1] Karinda, F.L., et al. (2008) Radiat. Meas. 43, 1170 – 1174.
[2] Gruber, E. et al. (2011) Radiat. Prot. Dosim. 144, 620– 626.
[3] Leuthold, G., et al. (2007) Radiat. Prot. Dosim. 126, 506– 511.
[4] Rühm, W. et al. (2009a) Radiat. Environ. Biophys. 48:125– 133.
[5] Rühm, W. et al. (2009b) Radiat. Prot. Dosim. 136, 256– 261.
[6] Mares, V. et al. (2009) Radiat. Prot. Dosim. 136, 262– 266.
[7] Rühm, W., et al. (1999) Health Phys.77, 373– 382.
[8] http://www.weatheronline.co.uk/weather/news/fukushima; download am 13. April 2011