Hintergrund: Strahlenquellen und Strahlenwirkung

08. März 2012
Geigerzähler mit Dosisleistungsanzeige in Minamisoma, Präfektur Fukushima.

Radioaktivität: Strahlenquellen und Strahlenwirkung

Infolge des Erdbebens und des dadurch ausgelösten Tsunamis in Japan am 11. März 2011 versagten in mehreren Blöcken des Kernkraftwerks Fukushima Dai-ichi die Sicherheitssysteme. Es kam in drei Blöcken zur Kernschmelze, große Mengen Radioaktivität wurden freigesetzt. Wie groß ist die Strahlenbelastung in Japan – und in Deutschland? Wie entsteht Radioaktivität und wie wirkt sie auf Menschen?

Gehört zu:

Am 11. März 2011 erschütterte ein Erdbeben der Stärke 9,0 auf der Momenten-Magnituden-Skala den Norden der japanischen Hauptinsel Honshu. Es löste einen Tsunami aus, der an der nördlichen Ostküste der Insel große Schäden anrichtete. Mehr als 20.000 Menschen an der Küste kamen ums Leben, ganze Städte wurden zerstört.

Das Beben und die Flutwellen trafen auch das Kernkraftwerk Fukushima Dai-ichi, das etwa 250 Kilometer nordöstlich von Tokio direkt an der Pazifik-Küste liegt. Durch das Beben wurde die Anbindung des Kraftwerks an das Stromnetz unterbrochen, und durch den nachfolgenden Tsunami fiel in den Blöcken 1 bis 4 des Kraftwerks auch die Notstromversorgung aus. Damit fehlte dort die Energieversorgung für die Kühlung in den Reaktorkernen und den Brennelementbecken.

Große Mengen Radioaktivität freigesetzt 

In drei Blöcken des Kernkraftwerks kam es zu einer Überhitzung des Reaktorkerns und zu einer Schmelze des Kernmaterials. Wahrscheinlich wurden in diesen Blöcken die Sicherheitsbehälter beschädigt, die den Reaktordruckbehälter umschließen und das Austreten von Radioaktivität verhindern sollen. Zudem ereigneten sich zwischen dem 12. und 15. März 2011 mehrere Wasserstoffexplosionen, die die äußeren Gebäudehüllen um die jeweiligen Reaktorblöcke weitreichend zerstört haben. Bei Beschädigungen des Reaktorkerns kann sich Wasserstoff bilden.

Bei den Reaktoren in Fukushima handelt es sich um Siedewasserreaktoren, die auch in Deutschland noch eingesetzt werden (zum Beispiel im Kernkraftwerk Gundremmingen). Eine schematische Darstellung ihres Aufbaus findet sich beim Bundesamt für Strahlenschutz.

Aufgrund des Unfalls wurden große Mengen Radioaktivität freigesetzt. Die Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO) stuft das Unglück von Fukushima als "katastrophalen Unfall" ein, auf der höchsten Stufe 7 der sogenannten INES (International Nuclear Event Scale)-Skala, mit der Störfälle in kerntechnischen Anlagen bewertet werden.

Die Einstufung in INES 7 bedeutet eine schwerste Freisetzung von Radioaktivität mit Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt über längere Zeiträume und in einem weiten Umfeld. Noch ist nicht absehbar, wie viel Radioaktivität insgesamt freigesetzt wird, wie viele Menschen am Ende betroffen sein werden und welche langfristigen Auswirkungen auf die Umwelt entstehen.

Die havarierten Blöcke des Kraftwerks Fukushima Dai-ichi sind auch ein Jahr nach dem Unfall nicht in einem dauerhaft sicheren Zustand (Stand: März 2012). Mittlerweile wird kontaminiertes Wasser in einer Reinigungsanlage aufbereitet und zur Kühlung der Reaktoren verwendet. Um die weitere Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Umgebung zu reduzieren, sollen die zerstörten Reaktorgebäude abgedeckt werden.

Schwerster Unfall nach Tschernobyl

Mit dem Unfall in Fukushima Dai-ichi ist das erste Mal nach Tschernobyl (1986) eine Havarie in einem Atomkraftwerk in die höchste Stufe eingeordnet worden. Jedoch unterscheiden sich die beiden Unfälle: In Tschernobyl wurde Radioaktivität in große Höhen geschleudert und großflächig verbreitet. Tschernobyl war, im Gegensatz zu Fukushima, ein sogenannter Graphit-Moderierter Reaktor. Das Graphit brannte und erzeugte eine enorme Hitze, die die radioaktiven Stoffe in große Höhen verbrachten. Von dort wurden sie in der Atmosphäre Tausende von Kilometern verfrachtet. In Fukushima gab es kein Graphit, deshalb gab es auch keinen Brand. In Japan finden sich sehr hohe Belastungen mit radioaktiven Stoffen, vor allem an bestimmten Stellen in der Nähe des Kernkraftwerk Fukushima, insbesondere in der Präfektur Fukushima. Ein Gebiet von 20 Kilometern um das Atomkraftwerk wurde evakuiert sowie eine Region außerhalb dieses Kreises. Hier wurden Dosiswerte gemessen, die zu einer Belastung von mehr als 20 Millisievert pro Jahr geführt hätten.

In Fukushima Dai-ichi gelangte Radioaktivität in die Atmosphäre, weil zur Entlastung der Sicherheitsbehälter um die Reaktorkerne Druck abgelassen wurde, ohne dass die austretenden Gase gefiltert wurden. Dabei wurden Edelgase freigesetzt, aber auch leichtflüchtige Spaltprodukte wie Jod und Cäsium. Zudem ist anzunehmen, dass die Sicherheitsbehälter Lecks haben. Neben der Freisetzung in die Atmosphäre kam es zur Freisetzung von Radioaktivität in Wasser. Kontaminiertes Wasser, das zur Notkühlung eingesetzt wurde, floss ins Meer.

Wie hoch ist die Strahlenbelastung in Japan?

Nach dem Unfall in Fukushima Dai-ichi wurden in Japan verschiedene Untersuchungen durchgeführt, um die Strahlenbelastung der Bevölkerung zu messen. So wurden mehrere Tausend Personen daraufhin untersucht, welche Strahlendosis sie aufgenommen hatten (interne Strahlenbelastung). In der überwiegenden Zahl der Fälle lagen die Werte unter 1 Millisievert. In zwei Fällen wurden Werte von zirka 3 Millisievert gefunden.

Dem Bundesamt für Strahlenschutz liegen zudem Werte für die Belastung des Körpers vor, die von außen einwirkt (externe Strahlenbelastung). Die fast 10.000 untersuchten Personen stammen aus den hoch belasteten Gebieten. In knapp 60 Prozent der Fälle lag die Belastung unter 1 Millisievert. Für gut 40 Prozent lag die Strahlenbelastung zwischen 1 und 10 Millisievert. Bei 71 Menschen wurden Werte darüber gemessen, der Höchstwert betrug 23 Millisievert.

Welche Dosis ist gefährlich?

Sievert ist die Maßeinheit der sogenannten effektiven Strahlendosis. Sie misst die Belastungen, denen ein Organismus durch Strahlung ausgesetzt ist. Bei hohen Dosen über circa 500 Millisievert können akute Strahlenschäden auftreten. Dazu zählen verbrennungsähnliche Erscheinungen der Haut, Haarausfall, Beeinträchtigung der Fruchtbarkeit und Blutarmut (Anämie). Wenn in einem Teil des Gewebes oder in einem Organ das Ausmaß der Zellabtötung eine gewisse Höhe überschreitet, kommt es zu Funktionseinbußen des betroffenen Organs oder Gewebes. Auch spätere Erkrankungen wie Leukämien und Krebs sind möglich. 

Die Strahlung aus natürlichen Quellen beispielsweise aus der Nahrung oder durch kosmische Strahlung, summiert sich in Deutschland pro Jahr und Person auf durchschnittlich 2,1 Millisievert (effektive Dosis). Je nach Wohnort, Ernährungs- und Lebensgewohnheiten liegt sie zwischen 2 und 3 Millisievert, kann aber in Ausnahmefällen bis zu 10 Millisievert reichen. Die Strahlenbelastung aus künstlichen Quellen - wie zum Beispiel aus Röntgenuntersuchungen oder Computertomographien (CT) - beträgt in Deutschland zirka 2,0 Millisievert pro Jahr. Zum Vergleich: Bei einer Röntgenaufnahme, beispielsweise des Brustkorbs, werden maximal 0,03 Millisievert erreicht; eine CT-Untersuchung des ganzen Körpers kann zu 10 bis 20 Millisievert führen. Auch bei Flügen führt Höhenstrahlung zu einer Belastung: Bei einem Flug von München nach Japan werden Werte bis zu 0,1 Millisievert erreicht.

Um gesundheitliche Gefahren zu vermeiden, gibt es Grenzwerte für die Strahlenbelastung. In Deutschland dürfen Menschen, die beruflich Radioaktivität ausgesetzt sind, eine Dosis von maximal 20 Millisievert pro Jahr erhalten. Im gesamten Berufsleben darf die Dosis 400 Millisievert nicht überschreiten. In der unmittelbaren Umgebung eines Reaktors kann bei einer Kernschmelze auch eine sehr hohe Strahlenbelastung auftreten. Ab einer Höhe von über 500 Millisievert kann sie zu gesundheitlichen Schäden führen, die – abhängig von der Höhe der Dosis –  bereits innerhalb von Stunden, Tagen oder Wochen auftreten.

Ab einer Schwellendosis von 1000 Millisievert innerhalb kurzer Zeit treten akute Strahleneffekte auf, beispielsweise Übelkeit und Erbrechen. Zum Beispiel ist eine Belastung von 3000 bis 4000 Millisievert innerhalb kurzer Zeit lebensbedrohlich: Ohne medizinisches Eingreifen sterben bei dieser Dosis 50 Prozent der exponierten Personen nach drei bis sechs Wochen.

Die massive Freisetzung von Radionukliden, insbesondere I-131, Cs-134 und Cs-137 führte zu Strahlendosen bis zu 400 Millisievert pro Stunde innerhalb des Reaktorblocks 3 am 17. März 2011. Dosiswerte von mehr als 20 Millisievert pro Jahr werden in einer Region bis zu 40 Kilometer in nordwestlicher Richtung von Fukushima-I entfernt erreicht. Einzelne Beschäftigte auf dem Kraftwerksgelände in Fukushima erhielten sehr hohe effektive Dosen über 200 Millisievert und Teilkörperdosen bis zu 3000 Millisievert. Bisher gab es aber im Vergleich zur Katastrophe in Tschernobyl 1986 in Fukushima keine Toten durch Radioaktivität.

Nur bei Unfällen mit radioaktiven Stoffen kann es zu diesen extrem hohen Dosen kommen. Zum Beispiel auch bei einem Strahlenunfall in Goiana (Brasilien) im Jahr 1987. 

Es gibt keinen Wert, unterhalb dessen Radioaktivität kein gesundheitliches Risiko beinhaltet. Mit der Höhe der Strahlenbelastung steigt die Wahrscheinlichkeit gesundheitlicher Folgen. So treten ab einer Dosis von 1000 mSv in einer Bevölkerungsgruppe etwa zehn Prozent zusätzliche Krebs- und Leukämiefälle auf.

Vor jeder Anwendung ionisierender Strahlen in der Medizin muss der Arzt den Nutzen gegenüber dem Risiko für den Patienten abwägen.

Bedeutet Fukushima eine Gefahr für Deutschland?

In Deutschland sind radioaktive Stoffe in der Atmosphäre aufgrund der großen Entfernung, der weiträumigen Verteilung und der Verdünnung nur mit sehr empfindlichen Messmethoden nachgewiesen worden. Zudem ist ein Teil der Radionuklide während der Transportzeit bereits zerfallen beziehungsweise unterwegs ausgewaschen. Daher sind keine gesundheitlichen Auswirkungen zu erwarten.

Die Menge der Strahlung, die nach dem Unfall freigesetzt wurde, hing zu Beginn vor allem von Zerfallsprodukten der Elemente Jod und Cäsium ab, vor allem von den Nukliden Jod-131 und Tellur-132. Tellur-132 mit dem Tochternuklid Jod-132 trägt erheblich zu der äußeren Strahlenbelastung bei. Da es eine Halbwertszeit von nur drei Tagen besitzt, ist es praktisch nach einem Monat aus der Umwelt verschwunden. Jod-131 spielt aufgrund seiner Halbwertszeit von acht Tagen etwa drei Monate nach einem Unfall keine Rolle mehr für die Strahlendosis.

Langfristig von Bedeutung sind die Cäsium Isotope Cs-134 (Halbwertszeit zwei Jahre) und Cs-137 (Halbwertszeit 30 Jahre). Die in Deutschland gemessenen Konzentrationen waren so gering, dass gesundheitliche Folgen nicht zu befürchten sind.

Auch durch aus Japan einreisende Personen oder importierte Fracht besteht in Deutschland keine Gefahr. Bei einigen Personen wurden geringe Strahlenwerte gemessen, die auf den Unfall zurückzuführen sind. Sie lagen zwischen 0,05 Millisievert und 0,1 Millisievert, bei einer einzelnen Person bei 0,5 Millisievert. Zum Vergleich: Die natürliche Strahlenbelastung beträgt im Mittel in Deutschland 2,1 Millisievert im Jahr.

Fracht aus Japan wird stichprobenartig geprüft. Werden an der Oberfläche Kontaminationen gemessen, die die Grenzwerte überschreiten, werden sie aus dem Verkehr gezogen und gegebenenfalls zurückgeschickt. Die dem Bundesamt für Strahlenschutz vorliegenden Messergebnisse zeigen, dass Kontaminationen von Frachtstücken sehr selten waren. 

Lebensmittel, die aus Japan importiert werden, werden von den für die Lebensmittelkontrollen zuständigen Landesbehörden auf Radioaktivität untersucht. Rechtliche Grundlage dafür stellen die Sondervorschriften dar, die als Sicherheitsmaßnahmen für die Einfuhr von Lebensmitteln aus Japan auf europäischer Ebene erlassen worden sind und die seitdem regelmäßig in Anpassung an die radiologische Lage aktualisiert wurden. Sie gelten vorläufig bis zum 31. Oktober 2012. Danach dürfen Lebensmittel aus den betroffenen japanischen Regionen nur nach Deutschland eingeführt werden, wenn sie in Japan kontrolliert und zertifiziert wurden. Somit wird bescheinigt, dass keine erhöhte radioaktive Belastung vorliegt. Sollten wider Erwarten an den EU-Außengrenzen kontaminierte Lebensmittel festgestellt werden, werden diese zurückgewiesen und gelangen nicht auf den europäischen Markt.

Wie entsteht Radioaktivität?

Als Radioaktivität wird die Eigenschaft bestimmter Atomkerne bezeichnet, sich ohne äußere Einwirkung in andere Kerne umzuwandeln. Dieser Prozess wird als Kernzerfall bezeichnet. Dabei wird energiereiche Strahlung ausgesendet, die sogenannte ionisierende Strahlung beziehungsweise umgangssprachlich radioaktive Strahlung. Als Ergebnis der Umwandlung von Atomkernen entstehen neue Atomkerne. Diese werden als "Tochternuklide" bezeichnet und können selbst radioaktiv sein.

Aus dem Zerfall der Atomkerne gehen letztlich stabile, nicht radioaktive Kerne hervor. Halbwertszeit heißt die Zeit, die benötigt wird, um den Anteil radioaktiver Kerne auf etwa die Hälfte zu reduzieren. Die Halbwertszeiten können dabei extrem unterschiedlich sein: Zwischen wenigen Sekunden und Millionen von Jahren kann es dauern, bis sich Radioaktivität verringert.

Wie viele dieser Zerfallsprozesse in einer bestimmten Zeit ablaufen, wird in der Einheit Becquerel (Bq) angegeben. Sie wird meist in Bezug zu Fläche, Volumen oder Masse gesetzt, zum Beispiel Bq pro Quadratmeter.

Beim Zerfall des Atomkerns können verschiedene Arten von Strahlung entstehen. Alphastrahlen können die menschliche Haut nicht durchdringen. Betastrahlen hingegen können wenige Millimeter in Haut oder auch Kunststoff vordringen, in der Luft sogar einige Zentimeter oder Meter. Gelangen beide in den Körper, etwa durch Lebensmittel, können sie dort Blut, Gewebe und andere Zellen schädigen. Bei Gammastrahlen handelt es sich um eine elektromagnetische Strahlung, etwa wie das Licht, allerdings mit einer wesentlich höheren Fähigkeit, Materie zu durchdringen.

Wo außer in Kernkraftwerken gibt es Radioaktivität?

Es gibt verschiedene natürliche und künstliche Quellen für Radioaktivität, denen Menschen auch im Alltag ausgesetzt sind. Zu den natürlichen Quellen zählt das Edelgas Radon (Rn-222, Halbwertszeit 3,8 Tage). Radon ist überall auf der Welt vorhanden. Es tritt aus dem Erdboden oder Baumaterialien aus und wird eingeatmet. Mit der Nahrung werden natürliche Radionuklide aus dem Zerfall der radioaktiven Stoffe Thorium und Uran sowie Kalium-40 aufgenommen. Zur natürlichen Strahlenbelastung trägt auch kosmische Strahlung bei. Sie gelangt aus der Sonne und aus den Tiefen des Weltalls auf die Erde. In großen Höhen ist diese Strahlung deutlich stärker als in niedrigen Lagen: Sie wird auf dem Weg zur Erde durch die dichte Atmosphäre schwächer. Zudem gibt es die terrestrische Strahlung. Ihre Ursache sind überwiegend natürliche radioaktive Stoffe in Böden und Gesteinsschichten der Erdkruste sowie in daraus hergestellten Baustoffen.

Neben der natürlichen gibt es Strahlung aus künstlichen Quellen. Der überwiegende Teil stammt aus Strahlenanwendungen in der Medizin wie der Röntgendiagnostik, der nuklearmedizinischen Diagnostik sowie der Strahlen- und Nuklearmedizinischen Therapie.

Warum ist Radioaktivität für Menschen gefährlich?

Strahlung schadet dem Menschen. Wie schädlich sie ist, das hängt von der Dauer und Intensität ab. Die Strahlung wirkt auf molekularer Ebene auf das Körpergewebe ein. Sie schädigt Zellen oder ihre Bestandteile, insbesondere die Erbsubstanz (DNS). Das führt nicht zwangsläufig zu Gesundheitsschäden, da der Körper Schädigungen von Zellen ausgleichen kann. Diese Reparatursysteme können jedoch überfordert sein; das hängt unter anderem von der Art der Strahlung, der Höhe der Dosis und dem Zeitraum der Strahlenwirkung ab. So entstehen eher bleibende Schäden, wenn eine bestimmte Dosis innerhalb einer kurzen Zeit aufgenommen wird und dabei eine größere Anzahl von Schäden innerhalb einer Zelle gleichzeitig entstehen. Wird die gleiche Dosis über einen längeren Zeitraum verteilt, ist die Chance auf eine vollständige Reparatur höher.

Radioaktivität kann Krebs und Leukämien auslösen. Diese Erkrankungen treten erst Jahre oder Jahrzehnte nach einer Bestrahlung auf und lassen sich im klinischen Erscheinungsbild nicht von anderen denkbaren Erkrankungsursachen unterscheiden. Auch niedrige Dosen können die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Krebs oder Leukämien bei bestrahlten Personen erhöhen. Wirken ionisierende Strahlen auf Keimdrüsen oder Keimzellen, können sie Schäden im Erbgut (Mutationen) verursachen, die zu genetisch bedingten Krankheiten (Erbschäden) führen. Diese können sich bei den Nachkommen der bestrahlten Personen in Form von Fehlbildungen, Stoffwechselstörungen, Immunschäden etc. auswirken.

Wird eine schwangere Frau einer Bestrahlung ausgesetzt, kann es beim ungeborenen Kind zu Fehlbildungen und Entwicklungsstörungen kommen. Zudem besteht für das Kind ein erhöhtes Risiko, an Krebs oder Leukämien zu erkranken. 

Was tun gegen Gefahren durch Radioaktivität?

Der beste Schutz gegen gesundheitliche Gefahren durch Radioaktivität ist, die Belastung zu vermeiden. Daher besteht Strahlenschutz vor allem darin, die Exposition so gering wie möglich zu halten – sowohl die Belastung durch Strahlenquellen außerhalb des Körpers, zum Beispiel beim Röntgen, als auch die Aufnahme von Radionukliden mit der Nahrung oder Atemluft. Zum Beispiel sind Pilze in verschiedenen Gegenden Süddeutschlands immer noch mit Cs-137 aus der Freisetzung nach dem Reaktorunfall in Tschernobyl kontaminiert. Jede technische oder medizinische Anwendung muss gerechtfertigt sein. Für Strahlendosen gibt es Grenzwerte, deren Einhaltung überwacht wird. Mit strengen Vorschriften wird sichergestellt, dass die Bevölkerung vor diesen Risiken sicher geschützt wird.

Vor allem gegen Alpha- und Betastrahlung von außen ist eine Abschirmung möglich – zum Beispiel durch Schutzanzüge, Schutzhandschuhe oder Atemschutzmasken. Diese Strahlung reicht nur einige Zentimeter weit. Alphastrahlung kann die Haut nicht durchdringen. Die Aufnahme in den Körper kann jedoch zu einer erheblichen Belastung führen. Zur Abschirmung von Gammastrahlung müssen dagegen schwere Materialien wie beispielsweise Blei und Beton verwendet werden.

Nach einem Freisetzen von Radioaktivität wie in Fukushima soll die Belastung von Menschen und Umwelt unter anderem dadurch verringert werden, dass oberflächliche Verunreinigungen durch radioaktive Stoffe beseitigt werden. Die Verunreinigung wird als Kontamination bezeichnet, die Entfernung als Dekontamination. In der Sperrzone um Fukushima Dai-ichi wurden bereits Gebäude gereinigt und belastete Erde abgetragen.

 

Weiterführende Links zum Thema:

Bundesamt für Strahlenschutz: der Unfall in Fukushima im Überblick
http://www.bfs.de/de/kerntechnik/unfaelle/fukushima/uebersicht.html

Bundesumweltministerium: Folgemaßnahmen nach Fukushima
http://www.bmu.de/atomenergie_sicherheit/fukushima_folgemassnahmen/doc/47260.php

Bundesumweltministerium Fragen und Antworten zur Situation in Japan
http://www.bmu.de/atomenergie_sicherheit/fukushima_folgemassnahmen/faq/d...

Internationale Atomenergiebehörde (IAEA): Fukushima Nuclear Accident (in englischer Sprache)
http://www.iaea.org/newscenter/focus/fukushima/

---

Dieser Text steht unter der Creative Commons-Lizenz CC BY-NC-SA 3.0. Sie dürfen ihn zu allen nicht-kommerziellen Zwecken - also auch für den Unterricht - verwenden und bearbeiten, z.B. kürzen oder umformulieren. www.umwelt-im-unterricht.de muss immer als Quelle genannt werden. Details zu den Bedingungen finden Sie auf der Creative Commons-Website.