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Radioaktivität und radioaktive Strahlung
- Die physikalischen Grundlagen -


Unter Radioaktivität bzw. radioaktiver Strahlung versteht man eine beim Zerfall von Atomkernen entstehende Strahlung mit ionisierenden Eigenschaften. Innerhalb der radioaktiven Strahlung wird auf Basis der Entstehung zwischen den Materiestrahlen, zu denen die Alpha- und Beta-Strahlung zählt und den Wellenstrahlen, der Gammastrahlung unterschieden. Die Gammastrahlung ist eine reine elektromagnetische Strahlung die aus Photonen besteht und keine Materie besitzt.
Auch in unserer natürlichen Umgebung kommt radioaktive Strahlung  als kosmische Strahlung (Höhenstrahlung)  und als Strahlung einiger Nuklide der Elemente des Periodensystems, wie z. B. Uran vor. Außerdem gibt es heute in unserer Umwelt auch eine große Anzahl künstlich erzeugter radioaktiver Nuklide.

Radioaktive Strahlung ist je nach Wellenlänge und Dosis in der Lage sehr tief in menschliches Gewebe einzudringen und dort schwere Schäden an den Zellen hervorzurufen. Da der menschliche Körper keinen Sinn, wie sehen oder hören,  für die Erfassung radioaktiver Strahlung hat, ist hierfür spezielle Messtechnik erforderlich. Zu diesen Messgeräten zählen beispielsweise Geigerzähler und Dosimeter.

Die Anwendungsmöglichkeiten radioaktiver Stoffe  und Strahlungen sind heute sehr vielfältig. So werden diese in der Medizin, beispielsweise zur Diagnostik und Markierung von inneren Organen oder auch zu Therapiezwecken eingesetzt. Ein breites Anwendungsfeld stellt auch die Technik mit der Energiegewinnung in Kernkraftwerken, Materialprüfung, Konservierung und Sterilisation sowie der weite Bereich der Rüstungs- und Waffentechnik dar.

Physikalische Grundlagen der Radioaktivität

Radioaktive Atome, die sich durch Ihre Kernladungszahl (Protonenzahl) unterscheiden, nennt man Elemente. Atome die sich durch die Anzahl der Neutronen unterscheiden, werden hingegen als Nuklide bezeichnet. Verschiedene Nuklide ein und des gleichen Elements werden Isotope genannt.

Aktivität [A]

Die grundlegende Messeinheit für die Radioaktivität eines Stoffs ist die Aktivität [A], die einem Zerfallsprozeß pro Sekunde entspricht. Die Maßeinheit für die Aktivität [A] ist das Becquerel (Bq) oder früher Curie (Ci).Die Bezeichnungen Becquerel und Curie gegen auf die französische n Physiker Henris Antonie Becquerel (1852…1908) und das Ehepaar Marie  (1867…1934) und Pierre (1859…1906) Curie zurück.

1 Zerfallsprozeß (Klick)  =  1 Becquerel (1 Curie = 3,7 * 10e10 Becquerel)

(1 µCurie = 370 Kilo-Becquerel)

Da das Atom bei jedem Zerfall an Masse verliert und somit langsam verbraucht wird, nimmt auch die Aktivität mit der Zeit ab.
Als Maße für diese Abnahme ist die Halbwertzeit [T½] gebräuchlich, die angibt nach welcher Zeit nur noch die Hälfte der ursprüglichen Menge an radioaktiven Atomen vorhanden ist.
Das bedeute jedoch, daß selbst nach der 5fachen Halbwertzeit immer noch über 10% der ursprünglichen Aktivität vorhanden ist. Die Halbwertzeit ist vom jeweiligen Kernmaterial abhängig.

 

Ein weiterer wichtiger Wert ist der Energiegehalt der abgegebenen Strahlung. D. h. die Bewegungsenergie (Geschwindigkeit) mit der sich die Teilchen bzw. Photonen vom Kern wegbewegen. Die Maßeinheit für die Energie ist das Joule [J] oder Elektronenvolt [eV]. 1 Elektronenvolt entspricht der Bewegungsenergie die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung von 1 Volt erhält.

1 Elektronenvolt  entspricht  1,602 * 10-19 Joule


Energiedosis / Strahlungsdosis [D]

Um den Einfluß radioaktiver Strahlung auf unseren Körper oder biologisches Gewebe im Allgemeinen, zu erfassen sind die Masse des Körpers und die Einwirkdauer von entscheidender Bedeutung. Die Energiedosis [D], gemessen in Gray (Gy), ist das Grundmaß für die biologische Wirkung. 1 Gray ist die Dosis, die entsteht, wenn auf 1 kg Masse die Energie einer radioaktiven Strahlung von 1 Joule einwirkt.

1 Gray (Gy) = 1 Joule (J) / 1 Kg Materie (kg)

Die Einheit Gray wurde nach dem amerikanischen Botaniker Asa Gray (1810…1888) benannt

Radioaktive Strahlung ist auch in der Lage Teilchen (z.B. der Luft) zu ionisieren. Dabei entstehen positive Ionen und negative Elektronen. In diesem Fall wird dann von einer Ionendosis gesprochen.

RBW-Faktor [q]

Die biologische Wirkung und damit verbundene Schädigung des Gewebes hängt jedoch auch von der Art der Strahlung ab. Hierfür wurde RBW-Faktor [q]  eingeführt, der zwischen 1 für Röntgen- und Gammastrahlung und 20 für Alphastrahlung liegt. Das Kürzel RBW steht für Relative biologisch Wirksamkeit. Hierbei muss natürlich beachtet werden, dass es sich um die im Gewebe  wirksame Strahlungsdosis handelt. Im Fall der Alphastrahlung, die in der Luft nur eine sehr geringe Reichweite von wenigen Zentimetern hat, muss das strahlende Material sich auf der Hautoberfläche bzw. in der Lunge befinden um den Faktor 20 zu erreichen.

Aus dem Multiplikation mit dem RBW-Faktor [q] ergibt sich die Äquivalenzdosis [Dq], die ebenfalls die Maßeinheit Gray (Gy) verwendet.

Äquivalenzdosis [Dq] = Energiedosis [D] * RBW-Faktor


Energiedosisrate [D'] und Äquivalenzdosisrate [Dq]

Die Energiedosisrate [D‘] bzw. Äquivalenzdosisrate [Dq‘] stellen schließlich den Bezug zur Einwirkdauer her. Die Energiedosisrate bezieht sich auf der Energiedosis bezogen auf die Dauer von 1 Sekunde.

1 D‘ = 1 Gray (Gy) / 1 Sekunde (s)            1 Dq‘ = 1 Gray (Gy) / 1 Sekunde (s)

Die Äqivalenzdosisrate ist ein Maß für die mögliche Schädigung des menschlichen Körpers durch die radioaktive Strahlung. Diese Betrachtung gilt natürlich in abgeleiteter Form auch für viele andere Arten elektromagnetischer Strahlung. Zu beachten ist auch, dass die meisten Angaben über die Schädlichkeit sich auf eine kurzzeitige Bestrahlung beziehen. Durch eine längere Einwirkdauer, beispielsweise über mehrere Jahre, kann auch eine geringe Äquivalentdosis Schäden hervorrufen kann.

Früher waren noch weitere Maßeinheiten für die Energiedosis, wie beispielsweise Rem oder Röntgen gebräuchlich. Diese  beiden Einheiten beziehen im Gegensatz zum Gray ausschließlich auf biologisches Weichteilgewebe  (Muskelfleisch). Die Einheit Röntgen entspricht der Energie- bzw. Ionendosis, vergleichbar [D], während das rem (röntgen equivalent man) die Äquivalenzdosis [Dq] bezogen auf den Menschen bei Ganzkörperbestrahlung  beschreibt. Die Einheit rem wurde heute durch die Sievert (Sv) ersetzt, da diese direkter mit der Energiedosis Gray in Bezug gesetzt werden kann.

1 Gray entspricht  100 Röntgen bzw. 100 rem
1 Gray (Gy) entspricht 1 Sievert (Sv)

Die Einheit Sievert (Sv) ist heute die im Strahlenschutz gebräuchliche Einheit für die Äquivanezdosis Dq].

Für die Auswirkungen einer kurzzeitigen Bestrahlung kann die nachfolgende Tabelle als Richtwert herangezogen werden. Als Grundlage wurde die Bestrahlung des gesamten Körpers angenommen (Ganzkörperbestrahlung). Diese Tabelle stammt aus den 1970er Jahren und bezieht sich auf die Strahlungsauswirkungen in Folge von Kernwaffeneinsätzen. Aus diesem Grund ist der für einen effektiven Schutz der Bevölkerung relevante Bereich unter 0,2 Gray nicht näher definiert.

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Die Strahlenschutzverordnung (StrlSchV)

Eine weitaus zeítgemäßere stellt die Bewertung der Gefährung durch ionisierende Strahlung stellt die Bereichsdefinition nach der Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) dar. Die Rechtsgrundlage für die Strahlenschutzverordnung ist § 54 des Atomgesetz. Die StrlSchV existiert in Deutschland seit dem Jahr 1976 und wurde seitdem mehrfach novelliert.

Der Zweck der Verordnung wird in § 1 beschrieben:

"Zweck dieser Verordnung ist es, zum Schutz des Menschen und der Umwelt vor der schädlichen Wirkung ionisierender Strahlung Grundsätze und Anforderungen für Vorsorge- und Schutzmaßnahmen zu regeln, die bei der Nutzung und Einwirkung radioaktiver Stoffe und ionisierender Strahlung zivilisatorischen und natürlichen Ursprungs Anwendung finden."

Zu diesem Zweck definiert die Strahlenschutzverordnung eine maximal zulässige Strahlenbelastung durch künstliche Strahlenquellen für die Bevölkerung und beruflich Strahlenexponierte. Als beruflich Strahlenexponierte gelten alle Menschen, die beruflich Umfeld mit radioaktiven Stoffen haben. Dazu zählen das Betriebspersonal in kerntechnischen Anlagen (z. B. Kernkraftwerke) sowie Beschäftigte in Forschung und bestimmten Bereichen der Industrie. Für medizinisches Personal, welches beispielsweise mit Röntgengeräten arbeitet, gelten zusätzlich zur Strahlschutzverordnung die Bestimmungen der Röntgenverordnung.

Ein Strahlenschutzbereich ist ein räumlich abgetrennter Bereich, in dem Personen ionisierender Strahlung ausgesetzt sein können, die oberhalb des Grenzwerts für das allgemeine Staatsgebiet liegt. Strahlenschutzbereiche müssen nach nationalem (StrlSchV) und EU-Recht für kerntechnische Anlagen (zum Beispiel Kernkraftwerke oder Brennelementfabriken), für Interims-, Zwischen- oder Endlager von radioaktivem Abfall, für Anlagen zur Erzeugung von ionisierender Strahlung (zum Beispiel Teilchenbeschleuniger), aber auch für eine einfache Röntgenanlage, sowie beim Umgang mit künstlich erzeugten radioaktiven Stoffen (z. B. Labor, nuklearmedizinische Therapie/Diagnose) eingerichtet werden.

In der ursprünglichen Fassung aus den 1970er Jahren wurden 4 Strahlenschutzbereiche neben dem allgemeinen Staatsgebiet unterschieden (siehe nachfolgende Tabelle). Je höher der Schutzbereich, desto höher ist auch die in diesem mögliche Strahlungsbelastung.

Zweck diese Strahlenschutzbereiche ist es die Bevölkerung und insbesondere das Betriebspersonal vor den Auswirkungen der ionisierenden Strahlung zu schützen. Die Bereiche sind durch bauliche Maßnahmen und eine deutliche Kennzeichnung auszuwiesen. Die Grenzen der Strahlenschutzbereiche werden durch die Dosis definiert, die eine Person innerhalb des jeweiligen Bereiches durch äußere oder innere Strahlenexposition erhalten kann. Da es sich um betriebliche Schutzbereiche handelt, wird eine Aufenthaltsdauer von 40 Wochenstunden bei 50 Wochen pro Jahr (d. h. 2000 Stunden pro Jahr) ausgegangen.

Interessant ist dabei zu beobachten wie die Grenzwerte der Schutzbereiche mit jeder Überarbeitung immer detailierter ausgearbeitet und auch immer weiter abgesenkt wurden, während der Grenzwert für das allgemeine Staatsgebiet auf 1mSv/a erhöht wurde. Heute existieren auch nur noch 3 Schutzbereiche, da die beiden Überwachungsbereiche zusammengelegt wurden.

Es ist auch zu beachten, dass es sich bei den in der Verordnung angegebenen Werten um zulässige obere Grenzwerte und nicht um tatsächlich vorhandenen Belastungen handelt. Das bedeutet, dass auch innerhalb von Strahlenschutzbereichen (insbesondere in den Überwachungsbereichen) meistens keine höhere Strahlenexposition als im allgemeinen Staatsgebiet vorliegt. Weiterhin ist muss beachtet werden, dass nur künstliche Strahlungsquellen berücksichtigt werden. Die natürliche Strahlenbelastung liegt heute in Deutschland bei durchschnittlich 1,5...2,0 mSv pro Jahr, also weit über dem Grenzwerte der für den Überwachungsbereich gilt.

Über die Zeit wurden die Strahlenschutzverordnung mehrfach überarbeitet und umfasst heute mit dem Überwachungs-, Kontroll- und Sperrbereich, 3 Schutzbereiche mit sehr fein untergliederten Grenzwerten. Innerhalb der Schutzbereiche wird auch nicht mehr der gesamte Körper (Ganzkörperbestrahlung) betrachtet, sondern unterschieden welche Körperstellen der Strahlung ausgesetzt werden. Die Änderungen gehen zum Einen auf neuere wissenschaftliche Erkenntnisse, zum Anderen auf bessere Schutzkleidung, etc. zurück.


Überwachungsbereich

Als Überwachungsbereiche gelten alle Bereiche, in denen Personen pro Kalenderjahr eine höhere efffektive Dosis als 1 mSv, eine höhere Organdosis für die Augenlinse als 15 mSv oder 50 mSv für die Haut, Hände, Unterarme sowie Füße und Knöchel erhalten können. Oft wird der Einfachheit halber das gesamte Betriebsgelände als Überwachungsbereich ausgewiesen und durch einen Zaun mit Warschildern oder ähnliche Maßnahmen vom allgemeinen Staatsgebiet abgetrennt. Dies ist meist bei Kernkraftwerken und den zugehörigen Lagerstätten zu beobachten.

Bisheriges bzw. noch
gültiges Warnschild nach deutscher Norm

Neues Warnschild nach europäischen und internationalen Normen


Kontrollbereich


Der Kontrollbereich ist meist ein Bereich innerhalb des Überwachungsbereichs. In ihm können Personen pro Kalenderjahr eine höhere efffektive Dosis als 6 mSv pro Kalenderjahr, eine höhere Organdosen für die Augenlinse als 45 mSv oder 150 mSv für die Haut, Hände, Unterarme sowie Füße und Knöchel erhalten. Kontrollbereiche müssen abgegrenzt und deutlich sichtbar gekennzeichnet sein. Ein Kontrollbereich darf nur zur Durchführung oder Aufrechterhaltung der vorgesehenen Betriebsvorgänge betreten werden. Besucher von betreffenden Einrichtungen können nur mit behördlicher Erlaubnis Zutritt in einen Kontrollbereich erhalten. Von Personen, die sich in den Kontrollbereich begeben bzw. dort betriebliche Aufgaben erfüllen müssen, muss die erhaltene Körperdosis erfasst werden. Gewöhlich wird hierfür ein amtlich zugelassenes Dosimeter verwendet. Vor dem erstmaligen Zutritt und danach einmalim Jahr müssen die betreffenden Personen eine Unterweisung erhalten in der insbesondere über die anzuwendenden Strahlenschutzmaßnahmen belehrt werden.


Sperrbereich


Sperrbereiche sind Bereiche innerhalb eines Kontrollbereichs, in denen die Ortsdosisleistung höher als 3 mSv pro Stunde sein kann. Personen darf der Aufenthalt in einem Sperrbereich nur erlaubt werden, wenn sie unter der Aufsicht einer beauftragten fachkundigen Person zur Durchführung vorgesehener Betriebsvorgänge oder aus zwingendem Grund tätig werden müssen. Sperrbereiche sind abzugrenzen und deutlich sichtbar zu kennzeichnen.


Der Zutritt in alle Strahlenschutzbereichen, d. h. allen Überwachungs-, Kontroll- und Sperrbereichen, ist nach strengen Vorgaben geregelt. Die in der in Deutschland geltenden Strahlenschutzverordnung § 37 "Zutritt zu Strahlenschutzbereichen" nachgelesen werden.
Für alle Bereiche eines Betriebes, die keinem Strahlenschutzbereich zugeordnet sind, gilt der Grenzwert für das allgemeine Staatsgebiet für die Ortsdosisleistung von maximal 1 mSv pro Jahr.

 

Anmerkung:
Wir versuchen die Informationen auf unserer Homepage stets in einem aktuellen Zustand zu halten. Andererseits sehen wir eas auch als unsere Aufgabe Ihnen die historische Entwicklung auf verschiedenen Gebieten näher bringen. Für zuverlässige bzw. dem aktuell gültigen Recht entsprechende Aussagen bitten wir jedoch immer die entsprechenden Gesetzblätter und Verordnung in der gültigen Fassung heranzuziehen.