Strahlenbelastung-Fachreferat

Fachreferat: Technologie 7.02.2001

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Thema: Strahlenbelastung

1 Definition

2 Uranhaltige Munition

3 Radaranlagen

4 Handy

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1 Definition Allgemein: Zitat aus „Strahlung und Strahlenschutz“ vom Bundesamt für Strahlenschutz: „Strahlung ist eine Energieform, die sich als elektromagnetische Welle – oder als Teilchenstrom – durch Raum und Materie ausbreitet.“ Ursachen für Strahlung: - kosmische Strahlung - Radioaktivität der Luft - Umgebungsstrahlung - Natürliche im Organismus befindliche radioaktive Stoffe (Kalium 40, Radium, C14) Strahlung (Teilchenstrahlung ausgenommen) ist in ihrer physikalischen Natur gleich und unterscheidet sich durch die Menge der mitgeführten Energie, und damit in ihrer Wirkung. Man spricht von unterschiedlicher Wellenlänge und Frequenz. Der Mensch kann Strahlung nicht mit Sinnesorganen wahrnehmen. 1.1 Die verschiedenen Arten von Strahlung: 1.1.1 Ionisierende Strahlung Bsp: Röntgen-, Gammastrahlung und Teilchenstrahlung wie Alpha und Betastrahlung. - Sie hat die Fähigkeit Atome und Moleküle beim durchdringen zu ionisieren. - Trifft ionisierende Strahlung auf menschliches Gewebe übt sie eine Wirkung aus die schädigender Natur sein kann. - Teilchenstrahlung stellt eine eigene Familie der Ionisierenden Strahlung dar und wird wie auch die Gammastrahlung von Radioaktiven Stoffen ausgesandt.

1.1.2 Nichtionisierende Strahlung Bsp: Radio- Mikrowellen, elektromagnetische Felder (auch das Erdmagnetfeld) und optische Strahlung Auch sie übt auf das menschliche Gewebe eine Wirkung aus.

Um die von Strahlung ausgehende Gefahr besser beurteilen zu können muss man einige Faktoren berücksichtigen. Die da wären: 1.2 Strahlenmessung oder Ionendosis I Biologisch wirksam wird nur die Strahlung die auch vom Körper aufgenommen wird. Ionisierende Strahlung hat die Eigenschaft wie schon der Name sagt, Materie zu ionisieren.

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Auch zum Beispiel Luft wird von ihr ionisiert. Dies nutzt man zur Strahlenmessung aus, denn die Ionendosis gibt die durch Strahlung erzeugte elektrische Ladung der Ionen eines Vorzeichens pro Masse durchstrahlter Luft an. I=q/m q = erzeugte Ladung m = Masseneinheit Einheit: [I] = 1 C / kg Die Ionendosis, und somit die momentane Strahlungsintensität, kann direkt mit einem Geigerzähler bestimmt werden. Mit Dosismetern misst man die Strahlendosis die in einer bestimmten Zeitspanne eingestrahlt wird. 1.3 Energiedosis D Die „Stärke einer radioaktiven Quelle wird durch Curie bzw. Becquerel dargestellt. Um nun zu beschreiben wie groß die Wirkung dieser radioaktiven Strahlung ist, wurde die Energiedosis eingeführt. Sie ist ein Maß für die physikalische Wirkung von Strahlung auf Materie und macht Aussage über die von ionisierender Strahlung übertragene Energie E auf eine bestimmte Masse m.: D = E/m E = auf die Materie übertragene Energie m = Masse der Materie Einheit [D] = 1 Gy (Gray) 1 Gy = 1J/ 1 kg Zusammenhang zwischen D und I: D = E/m D = (E * q) / (q * m) q/m=I ð D = (E * I) / q Wenn pro Kilogramm beliebiger Materie die Energie von 1 Joule übertragen wird ist die Energiedosis von 1 Gray erreicht. Zu beachten ist dabei, dass ohne Materie keine Dosis definiert ist. Bei der Behandlung von bösartigen Tumoren wird Strahlung von max. 60 Gy angewandt. Diese Gesamtdosis wird über mehrere Wochen in Einzeldosen von 1 bis ca. 3 Gy verabreicht

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1.4 Äquivalentdosis H Def: Biologische Maßeinheit die die Wirkungen von Strahlung auf den Menschen beschreibt. H=q*D D = Energiedosis q = Bewertungsfaktor Strahlung

q

Röntgen- und γ- Strahlen

1

ß – Strahlen

1

natürlich vorkommende α- Strahlen

10

α-Strahlen

20

schwere Rückstoßkerne, thermische und langsame Neutronen

2-3

schnelle Neutronen

20

ð Damit z. B. γ-Strahlung die gleiche biologische Wirkung wie α-Strahlung erzielt muss sie eine um den Faktor 20 höhere Energiedosis haben. Einheit: [H] = 1 Sv (Sievert) Sievert ist als Maßeinheit für alle ionisierenden Strahlen definiert Bei der Aussage Strahlung, im Bezug auf einen Körper, mit der Äquivalentdosis von 1 Sv ist sowohl die Art der Strahlung als auch die Energie der Strahlung bereits berücksichtigt. Problem: bei Radionukliden die sich nicht gleichmäßig im Körper verteilen kann es zu starken lokalen Anreicherungen kommen. Dadurch tritt hier eine sehr hohe Strahlenbelastung auf, obwohl die Äquivalentdosis für das gesamte Organ oder den gesamten Körper eher gering ist. Diese hohe lokale Strahlenbelastung kann zu einem erhöhten Krebsrisiko führen.

1.5 Dosisleistung Dosisleistung ist der Quotient aus der Dosis und der Zeit. Für die Energiedosisleistung pro Stunde ergibt sich somit = D / h und wird in Gy / h angegeben. Die Äquivalentdosisleistung wird im Strahlenschutz häufig in Mikrosievert je Stunde (µSv/h) angegeben

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Zudem gibt es eine Dosisleistungskonstante die für die meisten Radionuklide tabelliert ist. Es muss davon ausgegangen werden, dass die Strahlenquelle eine punktförmige Quelle darstellt und man vernachlässigt die Absorption durch Materie wie Luft. Die Ionendosis und die Äquivalentdosisleistung können durch sie wie folgt berechnet werden: Ionendosis I: I = (Γ * A * t) / r2 Γ = Dosisleistungskonstante in ( µSv * m2 ) / (h * GBq) h = Stunde m = Meter GBq = Gigabecquerel ( 109 Bq) A = Aktivität in Gigabecquerel r = Abstand von der Strahlenquelle in Meter t = Dauer der Bestrahlung Äquivalentdosisleistung = (Γ * A) / r2 Einheiten siehe oben Hier einige Beispiele für die Dosisleistungskonstante Nuklid

(µSv · m2) / (h · GBq)

11

C

159

13

N

159

15

O

159

18

F

155

51

Cr

4,8

59

Fe

169

57

Co

24,3

99m

Tc

16

111

In

87

123

J

44

125

J

39

131

J

59

133

Xe

14

1.6 Praktische Vergleichswerte Äquivalentdosis im Mittel für das Jahr 99 und pro Person: 2,00 mSv.

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Davon ca. 1,95 mSv allein durch medizinische Röntgendiagnostik und ein kleiner Teil aus Nuklearmedizin und Strahlentherapie. Kerntechnische Anlagen: 0,01 mSv Forschung, Technik, Haushalte: 0,01 mSv Tschernobyl: 0,02 mSv Diese Werte sind über alle Einwohner der BRD gemittelt Ca 333 000 Personen sind beruflich strahlenexponiert (Medizin, kerntechnische Anlagen, Wissenschaft, Technik und Forschung). Sie sind im Mittel einer jährlichen effektiven Äquivalentdosis von 0,24 mSv ausgesetzt. Hier einige Strahlenexpositionen bei verschiedenen Röntgen und CT-Untersuchungen. Untersuchung / Aufnahme

männlich mSv)

Digitale Subtraktions Angiographie (DSA) intraarteriell Hirn

24,30

20,60

Digitale Subtraktions Angiographie (DSA) intraarteriell Leber

23,30

34,90

21,40

32,30

Computertomographie (CT) Abdomen nativ

9,94

16,91

Computertomographie (CT) Oberbauch nativ

8,60

11,49

Computertomographie (CT) Thorax nativ

7,38

12,51

Computertomographie (CT) Becken nativ

6,49

12,91

Computertomographie (CT) Lendenwirbelsäule nativ

5,10

7,20

Computertomographie (CT) Schädel nativ

4,20

4,40

Computertomographie (CT) Hals nativ

3,20

3,61

Computertomographie (CT) Halswirbelsäule nativ

2,00

2,10

Computertomographie (CT) Gesichtsschädel nativ

1,57

1,81

Röntgen Becken von vorn (a.p.)

1,52

1,85

Röntgen Lendenwirbelsäule von hinten (LWS p.a.)

0,95

1,70

Röntgen Lendenwirbelsäule (LWS) seitlich

0,93

1,75

Röntgen Colon-Kontrasteinlauf (KE) Übersicht

0,70

1,34

Röntgen Abdomen Übersicht

0,30

0,50

Röntgen Brustwirbelsäule von hinten (BWS p.a.)

0,21

0,30

Röntgen Brustwirbelsäule (BWS) seitlich

0,21

0,20

Röntgen Niere

0,20

0,30

Röntgen Schädel seitlich

0,05

0,06

Röntgen Thorax seitlich

0,05

0,05

Röntgen Halswirbelsäule von hinten (HWS p.a.)

0,05

0,05

Röntgen Thorax von hinten (p.a.)

0,04

0,04

Röntgen Galle / T-Drain

0,03

0,03

Digitale Subtraktions intraarteriell (i.a.) Bein

Angiographie

intravenös

(i.v.)

Becken

/

(in weiblich mSv)

(in

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Röntgen Halswirbelsäule (HWS) seitlich

0,02

0,02

Röntgen Schädel von hinten (p.a.)

0,01

0,01

Röntgen Nasennebenhöhlen (NNH)

0,01

0,01

Hier die Folgen einer bestimmten Äquivalentdosis (aus www.MedicineWorldwide.de ): Sievert

0

bis Ohne größeren diagnostischen Aufwand keine nachteiligen

0,5 0,5

Wirkungen

Wirkungen feststellbar bis Veränderungen des Blutbilds, Hautrötungen, vereinzelt Übelkeit,

1 1 bis 2

Erbrechen, sehr selten sogar Todesfälle Nachteilige

auf

das

Knochenmark,

Erbrechen,

Übelkeit, schlechtes Allgemeinbefinden, etwa 20% Sterblichkeit Schwere

ab 4

Wirkungen

Einschränkungen

des

Allgemeinbefindens

sowie

schwere Störungen der Blutbildung. Die Infektionsbereitschaft ist stark erhöht, 50 %ige Sterblichkeit Neben

ab 6

den

genannten

schweren

Störungen

gastrointestinale Symptome auf. Die Überlebensrate ist nur noch sehr gering

über 7

nahezu 100 %ige Sterblichkeit

über 10 Zusätzlich Schädigung des ZNS, bis hin zu Lähmungen über

treten

Schneller Tod durch Ausfall des ZNS (ZNS= Sekundentod)

100 Beispieltabelle zur Dosisleistung siehe Buch Seite 156.

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2 Uranhaltige Munition

2.1 Allgemein Abgereichertes Uran (engl. : depleted uranium kurz DU) wird in Form von sogenannten Penetratoren (penetrators) in Munition eingesetzt da es eine relativ hohe Dichte von 19,07 g/cm3 besitzt (Vergleich Dichte von Blei: 11,35 g/cm3 ), und sich somit besonders panzerbrechend erweißt. Ca 300g abgereichertes Uran (ca. 15 cm3 ) sind in einem Geschoss der Luftwaffe enthalten. 1991 im Golfkrieg, 1994/95 im Bosnienkrieg und 1999 im Kosovokrieg wurde DU-Munition eingesetzt. Im Kosovokrieg wurden ca. 31 000 Geschosse eingesetzt. Beim Aufprall eines Urangeschosses auf beispielsweise einen Panzer zerstäubt und entzündet sich das Uran und zerfällt in Uranoxid-Partikel. Bei der Herstellung von angereichertem Uran zum Beispiel für Brennstäbe für Kernreaktoren entsteht abgereichertes Uran als Abfallprodukt. Wenn man von abgereichertem bzw. angereichertem Uran spricht bezieht man sich auf den Gehalt des radioaktiven Isotops U235. In natürlichem Uran hat dies einen Gehalt von etwa 0,7% und U238 einen Gehalt von 99,3%. Abgereichertes Uran hat einen U235 Gehalt von ca. 0,2%. Man kann abgereichertes Uran nicht nur aus natürlichem Uran herstellen, es entsteht auch als Abfallprodukt bei der Wiederaufbereitung von abgebrannten Kernbrennstoffen. In diesem Fall können auch Spuren von Plutonium enthalten sein. 1 kg U 238 besitzt eine Aktivität von 12 Mega Becquerel (MBq). 1 kg U 235 hat dagegen eine Aktivität von 80 MBq. In einem Abstand von einem Meter zu 1kg abgereichertem Uran hätte das eine Folge von 2 mSv pro Jahr, was etwa der natürlichen Strahlenbelastung entspricht. In den Gesteinen und Böden der Erdkruste ist natürliches Uran zu finden. Die U238Konzentration in der Erdkruste beträgt etwa 4 g/Tonne Erdreich und liegt somit über der Konzentration von beispielsweise Quecksilber, Silber oder Gold. Eine Gefahr für den Menschen stellt Uran erst dann dar, wenn es in den Körper aufgenommen wird. Dies kann geschehen durch: - Inhalation von Uranpartikeln - Aufnahme von mit Uran verseuchten Nahrungsmitteln und Trinkwasser - Aufnahme durch Verletzungen der Haut

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2.2 Chemotoxische Wirkung von Uran Eine chemotoxische Wirkung tritt bei Inhalation von Uran oder der Aufnahme von Uran durch die Nahrungskette besonders in den Nieren auf, denn die Nieren sind das wesentliche Ausscheidungsorgan für aufgenommenes Uran. Die tatsächliche Gefährdung ist dabei von einigen Faktoren abhängig z. B.: - Konzentration des Urans in den Munitionsrückständen - Anteil der wasserlöslichen und wasserunlöslichen Uranverbindungen - Größe der uranhaltigen Staubpartikel. Wenn bestimmte Werte überschritten werden kommt es zur Niereninsuffizienz bis hin zum Nierenversagen. Einfluss auf andere Organe hat Uran erst bei weitaus höheren Konzentrationen die bereits zum Nierenversagen führen würden. Da Uran eine relativ geringe spezifische Radioaktivität hat überwiegt die chemotoxische Wirkung vor einer radiotoxischen Wirkung. Es ist zu beachten dass bereits die Aufnahme von 10 mg Uran zu einer Schwermetallvergiftung führt. 2.3 Radiotoxische Wirkung Uran sendet ionisierende Strahlung aus, vorwiegend α-Strahlung. Die Reichweite von αStrahlung in der Luft beträgt wenige Zentimeter, im Körpergewebe wenige Millimeter bis hin zu Bruchteilen von Millimetern. Bereits durch Kleidung kann man diese α-Strahlung von außen effektiv abschirmen. Das mit Uran verbundene Strahlenrisiko ist entscheidend abhängig von der Höhe der Strahlenbelastung. Es muss jedoch davon ausgegangen werden, dass diese ionisierende Strahlung das Krebsrisiko erhöht. Die größte Gefahr einer Aufnahme von Uran besteht dann, wenn beim Auftreffen der Munition auf ihr Ziel bei der dabei entstehenden Temperatur von über 600 °C der Penetrator aus DU teilweise zerstäubt und oxidiert wird. Die somit freigewordenen Uranpartikel können eingeatmet werden und gelangen auf diesem Weg in die Lunge, wobei die α-Strahlung eine entscheidende Rolle spielt. In der Lunge kann es durch α-Strahlung zu einer Schädigung des Lungengewebes kommen. Das Lungenkrebsrisiko erhöht sich. Nimmt eine Person 1 g verdampftes Uran über die Lunge auf, so wird die Lunge mit einer Äquivalentdosis von etwa 260 mSv belastet. Zu einer Aufnahme von Uran über die Darmwand kann es durch die Aufnahme von mit Uran verseuchten Lebensmitteln kommen. Auf diesem Weg werden in etwa 0,15% bis 6% des mit der Nahrung aufgenommenen Urans aufgenommen. Dieses aufgenommene Uran lagert sich in den Knochen und in geringem Ausmaß im Knochenmark ab. Eine Verunreinigung des Urans durch Plutonium führt laut Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) zu keiner deutlichen Erhöhung des Risikos für Krebserkrankungen. Bei einigen gesunden Freiwilligen wurden Messungen des Urans im Urin gemacht. Ergebnis: Lebensalter: Mittelwert in ng/d 20 15 50 30 (ng/d = Nanogramm pro Tag)

oberer Grenzwert in ng/d 30 70

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2.4 Zusammenhang zwischen DU-Munition und Leukämie Strahleninduzierte Leukämie tritt regelmäßig erst mehrere Jahre nach einem schädigenden Ereignis auf. Aus medizinischer Sicht ist es daher unwahrscheinlich, dass ein Zusammenhang zwischen den Leukämieerkrankungen, einiger Soldaten die im Kosovo eingesetzt wurden, und DU-Munition besteht. Größere Personengruppen von Bergarbeitern waren bei der Uranerzgewinnung und dessen Verarbeitung einer erhöhten Uranstaubkonzentration ausgesetzt. Eine Untersuchung unter mehr als 60 000 betroffenen Bergleuten zeigt ein erhöhtes Lungenkrebsrisiko durch eingeatmeten Uranstaub. Eine Zunahme anderer Krebsarten und Leukämie wurde bis heute nicht festgestellt. ( Quelle: S. Darby et al., Journal of the National Cancer Institute, Vol. 87, Seiten 378- 384, 1995). Auch das BfS hat bei Uranbergarbeitern eine Untersuchung gestartet und konnte ebenfalls keine erhöhte Leukämiehäufigkeit nachweisen.

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3 Radarstrahlung Radarstrahlung wird heute im modernen zivilen sowie militärischen Flugverkehr und in der Schifffahrt eingesetzt. In einem Untersuchungszeitraum von 1997 bis Anfang 2001 sind von 99 Personen die an Radaranlagen arbeiteten 69 an Krebs erkrankt und 24 bereits verstorben. Unter den Krankheitsbildern lagen zu 25% Leukämie 20% Morbus Hodgkin und 17% Hirntumore. Soldaten meinen es könnten noch weit über 100 neue Fälle dazukommen. Nicht ionisierende Radarstrahlen: Radarstationen senden zum einen Radarstrahlen, die zu der Kategorie der nicht ionisierenden Strahlen gehören ab. Ihre Frequenz liegt im Giga-Hertzbereich mit einer Wellenlänge von Dezimetern bis hin zum Millimeterbereich. Radarstrahlen sind damit elektromagnetische Hochfrequenzstrahlen, vergleichbar mit UKW, TV oder UV Strahlen. Die Größte Gefahr, für den Menschen, die von solchen Mikrowellen ausgeht besteht in einer Erwärmung der Zellen die diese unter geeigneten Bedingungen auch zerstören, ja sogar verdampfen kann, was zu inneren Verbrennungen führt. Diese Phänomen kennt bestimmt jeder aus seiner Mikrowelle zu Hause, die auch mit Hochfrequenter Strahlung Materie erhitzt oder zum kochen bringt. Es wird darüber spekuliert ob Hochfrequente Strahlung eine Veränderung der DNA und damit Krebs auslösen kann. Wissenschaftliche Ergebnisse, die das unterlegen, sind mir nicht bekannt, Wissenschaftler wollen diese Möglichkeit aber auch nicht ausschließen. Röntgenstrahlung Die größte Gefahr die von Radaranlagen ausgeht besteht jedoch in der Röntgenstrahlung, die bei der Erzeugung von Radarstrahlen entsteht. Untersuchungen: Nach einem Gutachten der Universität Witten-Herdecke sollen betroffene Radarmechaniker bzw. –operateure bei ihrer Tätigkeit vor den abgeschirmten Geräten einer effektiven Äquivalentdosis von 0,06 bis 0,07 mSv ausgesetzt gewesen sein. Das ergibt bei 8 Arbeitsstunden und 250 Arbeitstagen pro Jahr eine jährliche Äquivalentdosis von 120 bis 140 mSv. Zum Vergleich die natürliche (normale) jährliche Äquivalentdosis liegt bei 2,4 mSv. Es gibt sogar Untersuchungen denenzufolge Marine Soldaten einer Strahlenbelastung von 3000 mSv pro Jahr ausgesetzt wären. Erklärung wie Röntgenstrahlung in Radaranlagen entsteht:

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4 Handy Das Handy hält Einzug in alle Lebensbereiche, doch bringt es auch einige Gefahren mit sich. Die vom Handy erzeugte Hochfrequente Strahlung erzeugt zum einen thermische Effekte, zum anderen athermische Effekte, aber auch auf elektrische Geräte wie zum Beispiel einen Herzschrittmacher kann diese Strahlung negativen Einfluss haben. Thermische Effekte Bei diesem Effekt wird die Energie der HF-Strahlung in erhöhte kinetische Energie der absorbierenden Moleküle umgewandelt. Die Aufnahme dieser Wärme wird jedoch von einigen Faktoren beeinflusst, zum Beispiel Art und Geometrie des Gewebes oder durch Blutzirkulation, Schwitzen, Atmen und Wärmeaustausch abgeschwächt. Tritt die Erwärmung in Bereichen, wie zum Beispiel dem Auge oder dem Hoden, die keine Möglichkeit zu einem Wärmeaustausch haben, auf, so kann dies zu irreversiblen Schäden wie Verbrennungen oder Verdampfungen führen. Besonders beim Auge kann es zu einer Linsentrübung (Grauer Star) kommen. Aber auch schon bei kleineren aber dafür langanhaltenden Erwärmungen des gesamten Körpers von über 1°C kann es unter Umständen zu Verhaltensänderungen, Stoffwechselstörungen oder Einfluss auf die Embryonalentwicklung kommen. Eine hierbei relevante Kenngröße ist die Leistungsdichte. Sie wird in W/cm² (Watt pro Quadratzentimeter) angegeben.

Athermische Effekte Diese Effekte sind derzeit weniger gut als die thermischen Effekte erforscht. Die bekanntesten athermischen Effekte sind der Perlenketteneffekt und die dielektrische Sättigung. - Perlenketteneffekt: Eine zu den elektrischen Feldlinien parallele Kettenanordnung von Partikeln zum Beispiel Blutzellen. Blutzellen sind normalerweise schwach elektrisch geladen, und stoßen sich dadurch voneinander ab. Die HF-Strahlung schwächt diese Ladung ab. Dadurch kleben die Blutzellen zusammen. -

dielekrische Sättigung Sie entsteht, wenn starke elektromagnetische Felder in den Makromolekülen Seitenketten polarisieren, und somit die Wasserstoffbindungen aufbrechen, was zur Veränderung von Molekülen z. B. der DNA führen kann.

Des weiteren wird darüber spekuliert ob hochfrequente elektromagnetische Felder den Zellstoffwechsel beeinflussen. Sogar eine krebserzeugende Wirkung sowie Irritationen von Sinneswahrnehmung wird ihnen vorgeworfen.