Radioaktivität: Umweltradioaktivität

Kontamination der Umwelt mit künstlichen radioaktiven Stoffen

Künstliche radioaktive Stoffe werden als Spalt- und Aktivierungsprodukte bei der Kernspaltung von Uran-235 und Plutonium-239 gebildet oder auch bei der Aktivierung von Materialien durch Beschuss mit Neutronen oder geladenen Teilchen erzeugt.

Hinsichtlich ihrer Bedeutung für die Kontamination der Umwelt sind zunächst die bei den Kernwaffentests Mitte der 50er und in der ersten Hälfte der 60er Jahre in die Atmosphäre freigesetzten Spalt- und Aktivierungsprodukte zu nennen, wobei vor allem die Radionuklide Strontium-90 und Cäsium-137 von Interesse sind. Weitere beachtenswerte Quellen für den Eintrag künstlicher radioaktiver Stoffe in die Umwelt sind stör- oder unfallbedingte Freisetzungen aus kerntechnischen Anlagen. Untergeordnete Bedeutung haben demgegenüber in der Regel die Ableitungen radioaktiver Stoffe mit Luft oder Wasser beim laufenden Betrieb kerntechnischer Anlagen sowie Ableitungen bei Anwendung künstlicher radioaktiver Stoffe in Medizin, Forschung und Technik.

Seit 1945 wurden weltweit ca. 500 oberirdische Kernwaffentests durchgeführt, wobei ca. 86 % der Tests während des Zeitraums von 1951 bis 1962 erfolgten. Die dabei in die Atmosphäre freigesetzten radioaktiven Stoffe gelangten zum überwiegenden Teil in sehr hohe Luftschichten, von wo aus sie global verteilt wurden. Dabei erfolgten die höchsten Radionuklid-Ablagerungen in der Zone zwischen dem 40. und 50. nördlichen Breitengrad, für die in der Tabelle für einige Radionuklide die mit dem Kernwaffenfallout abgelagerten Aktivitäten aufgelistet sind (Frankfurt am Main = 50°07' N).


Tab. 1: Vergleich der in Offenbach abgelagerten Radionuklide (Bq/m²) aus dem Kernwaffenfallout in der nördlichen Hemisphäre und aus dem Reaktorunfall in Tschernobyl

Radionuklid

Halbwerts-
zeit

Abgelagerte Aktivität in Bq/m²

Kernwaffen a)

40° bis 50° N

Tschernobyl b)

Offenbach

Strontium-90

28,5 Jahre

3230

30

Ruthen-106

368 Tage

---

230

Iod-131

8 Tage

19000

6460

Cäsium-134

2 Jahre

---

290

Cäsium-137

30 Jahre

5200

860


Quelle:
a.) E. Wirth: Die Kontamination der Umwelt mit künstlichen Radionukliden und die daraus resultierende Strahlenexposition des Menschen in : Umweltradioaktivität, Ernst & Sohn Verlag, Berlin 1996
b.) Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung, Jahresbericht 1989

In Hessen wurden mit dem Kernwaffenfallout im Mittel etwa 3,4 kBq/m2 Cäsium-137 abgelagert. Aufgrund der sich über einen Zeitraum von mehr als 20 Jahren erstreckenden Deposition ist davon auszugehen, dass die Ablagerung relativ gleichmäßig über die gesamte Landesfläche erfolgte.

Im Kernkraftwerk Tschernobyl in der Ukraine ereignete sich am 26. April 1986 ein Unfall mit Zerstörung des Reaktorkerns und anschließendem Brand, bei dem große Mengen an radioaktiven Stoffen in die Umwelt freigesetzt wurden. Dabei wurde ein erheblicher Anteil der Freisetzung in Höhen bis zu etwa 1500 m eingetragen und mit den Luftströmungen über Entfernungen von mehreren tausend Kilometern verfrachtet. Aufgrund der zum Unfallzeitpunkt und während der folgenden Wochen vorherrschenden Wetterlage waren weite Teile Europas von einem kurzzeitigen, hinsichtlich seiner allgemeinen Auswirkungen aber bedeutsamen Eintrag radioaktiver Stoffe betroffen. Dabei war im Hinblick auf die Strahlenexposition des Menschen vor allem die Kontamination der Umwelt mit Strontium-90, Iod-131, Cäsium-134 und Cäsium-137 von Interesse.

Im Kernkraftwerk Fukushima in Japan wurden am 11. März 2011 durch ein starkes Erdbeben mit anschließendem Tsunami betriebswichtige Anlagenteile zerstört. Nach Ausfall der Kühlung kam es zur Kernschmelze und Explosionen. Mehrere Reaktorgebäude wurden schwer beschädigt und erhebliche Mengen radioaktiver Stoffe in die Umwelt freigesetzt. Spuren davon konnten anschließend auch in der Atmosphäre über Mitteleuropa festgestellt werden. Die in Deutschland nachgewiesenen Aktivitätskonzentrationen lagen im Bereich von wenigen Tausendstel Becquerel je Kubikmeter Luft. Das Bundesamt für Strahlenschutz hat hierzu detaillierte Informationen veröffentlicht.

Infolge des Reaktorunfalls in Tschernobyl wurden in Hessen im Mittel etwa 1,7 kBq/m2 Cäsium-137 abgelagert. Verursacht durch örtlich begrenzte Niederschläge waren lokal erheblich höhere Ablagerungen festzustellen (Washout-Effekt), wobei die Höhe der Deposition im Wesentlichen von Niederschlagsintensität und -zeitpunkt bestimmt war. Aufgrund der unterschiedlichen Wetterbedingungen Anfang Mai 1986 umfassen die lokalen Unterschiede der Cäsium-137-Ablagerung in Hessen eine Spanne von weniger als 0,5 kBq/m2 bis zu etwa 9 kBq/m2.

Die Verlagerung des auf der Bodenoberfläche deponierten Cäsiums in tiefere Bodenschichten erfolgt nur sehr langsam. Sowohl das nach dem Reaktorunfall in Tschernobyl als auch das infolge der Kernwaffentests abgelagerte Cäsium-137 befindet sich daher noch im Oberboden. Eine Verminderung der Aktivität ist lediglich aufgrund des radioaktiven Zerfalls zu verzeichnen. Derzeit liegt die Kontamination des Bodens in Hessen mit Cäsium-137 zwischen etwa 0,1 und 1 kBq/m2 (Kernwaffenfallout + Tschernobyl), wobei weiterhin deutliche lokale Unterschiede festzustellen sind.

Zur Bestimmung der Beiträge, die die im Boden und an der Bodenoberfläche deponierten Radionuklide zu der am jeweiligen Ort gemessenen Gesamt-Dosisleistung liefern (nuklidspezifische Dosisleistung) werden in Hessen jährlich nuklidspezifische Direktmessungen (in-situ-Messungen) an Standorten mit ungestörten Böden (ohne Bodenbearbeitung) durchgeführt. Die an insgesamt 30 Messorten in Hessen ab 1995 durchgeführten in-situ-Messungen zeigen heute für das Radionuklid Cäsium-137 im Landesmittel eine nuklidspezifische Dosisleistung von etwa 1 nGy/h. Zum Vergleich ist darauf hinzuweisen, dass die nuklidspezifische Dosisleistung durch das natürliche Radionuklid K-40 in Hessen im Mittel etwa 11 nGy/h beträgt.

Neben diesen Messungen der nuklidspezifischen Ortsdosisleistung stehen für Hessen Zeitreihen der spezifischen Cäsium-Aktivität in Acker-, Weide- und Wiesen- sowie Waldböden aus den Jahren 1989 bis 2016 zur Verfügung. Zwischen diesen drei Bodentypen bestehen bezüglich der Höhe und des Zeitverlaufs der Aktivitätsbelastung deutliche Unterschiede.

Die Aktivitätsverlagerung in tiefere Bodenschichten erfolgt bei Ackerböden durch Bearbeitung. Sie werden in der Regel mindestens einmal jährlich gewendet (gepflügt), womit eine gleichmäßige Durchmischung der oberen Bodenschicht (bis zu etwa 40 cm Tiefe) und somit auch eine Verteilung der deponierten Aktivität auf ein großes Volumen verbunden ist. Demgegenüber erfolgt die Tiefenverlagerung der auf Weide- und Wiesenflächen abgelagerten Radionuklide durch natürliche Migration. Dies ist ein Vorgang, der nur sehr langsam abläuft. Für Cäsiumisotope beispielsweise beträgt die Wanderungsgeschwindigkeit lediglich wenige Millimeter pro Jahr, wobei Bodenart, pH-Wert und auch die Bodennutzung Einfluss auf den Stofftransport haben. Bei Waldböden wird die Bodenoberfläche durch eine Streuschicht aus organischem Material (Laub, Nadeln) abgedeckt, in der ein großer Teil der abgelagerten Radionuklide zunächst gebunden bleibt. Diese radioaktiven Stoffe werden erst mit der fortschreitenden Zersetzung dieser organischen Auflage freigesetzt, d. h. dem Boden radioaktive Stoffe zugeführt, deren Ablagerung unter Umständen bereits mehrere Jahre zurückliegt. Im Fall der nach dem Reaktorunfall in Tschernobyl abgelagerten Aktivität wurde daher das Maximum der spezifischen Strontium-90- und Cäsium-137-Aktivität im Waldboden erst mit einer Zeitverzögerung von fünf bis sechs Jahren erreicht.

Die Karte zeigt die Zeitreihen der spezifischen Cäsium-137-Aktivität im Boden der 14 hessischen Probenahmeorte für die Jahre 1989 bis 2016. Die Beprobung der Ackerböden erstreckt sich auf die Bodenschicht von 0 bis 30 cm und die der Weide- und Wiesenböden sowie der Waldböden auf die Bodenschicht 0 bis 10 cm. In Hessen wurden in den letzten Jahren spezifische Cäsium-137-Aktivitäten im Bereich von etwa 5–25 Bq/kg Trockenmasse in Ackerböden, im Bereich von etwa 10–40 Bq/kg Trockenmasse in Weide- und Wiesenböden und im Bereich von etwa 10–125 Bq/kg Trockenmasse in Waldböden ermittelt.

Pflanzen von landwirtschaftlich und gärtnerisch bearbeiteten Ackerflächen in Hessen weisen spezifische Cäsium-137-Aktivitäten unterhalb von 0,5 Bq/kg Frischmasse und spezifische Strontium-90-Aktivitäten unterhalb von 1 Bq/kg Frischmasse auf. Demgegenüber sind, wie die Ergebnisse von Messungen des Futtermittels Weide- und Wiesenbewuchs (1. Grasschnitt) zeigen, im Bewuchs von ungestörten Bodenflächen wegen des höheren Cäsium-137- und Strontium-90-Angebots in den obersten Bodenschichten spezifische Cäsium-137- und Strontium-90-Aktivitäten bis zu etwa 2 Bq/kg Trockenmasse zu finden. Für die daraus resultierende Kontamination der Milch und des Rindfleischs mit Cäsium 137 und Strontium-90 ergeben sich spezifische Aktivitäten unter 1 Bq/kg Frischmasse.

Der Verzehr von Nahrungsmitteln pflanzlichen und tierischen Ursprungs führt wegen der Kontamination mit natürlichen und künstlichen radioaktiven Stoffen zwangsläufiger Weise auch zu einer Zufuhr radioaktiver Stoffe in den menschlichen Körper. Radioaktivitätsbestimmungen an Gesamtnahrung (tägliche Nahrungsmittel aller Mahlzeiten einschließlich Getränke für eine erwachsene Person) zeigen, dass die tägliche Cäsium-137-Zufuhr zum menschlichen Körper im Mittel seit 1989 wieder unterhalb von 0,5 Bq liegt. (Abb. 1)

Abb. 1: Cäsium-137-Aufnahme mit der Gesamtnahrung
Abb. 1: : Cäsium-137-Aufnahme mit der Gesamtnahrung

Oberflächengewässer sind wie die Bodenoberfläche möglichen Ablagerungen luftgetragener radioaktiver Stoffe ausgesetzt. Demzufolge sind auch heute noch die Aktivitätsablagerungen aus den Kernwaffentests und dem Reaktorunfall in Tschernobyl in Oberflächengewässern nachweisbar. Im Wasser aus hessischen Oberflächengewässern waren unmittelbar nach dem Reaktorunfall in Tschernobyl Cäsium-137-Kontaminationen bis etwa 3 Bq/Liter in Fließgewässern und bis etwa 15 Bq/Liter in stehenden Gewässern (Seen und Teiche) zu beobachten, die jedoch innerhalb weniger Tage (Fließgewässer) bzw. Wochen (stehende Gewässer) auf Werte unterhalb von 0,2 Bq/Liter zurückgingen. Bundesweit liegen die im Oberflächenwasser nachgewiesenen Cäsium-137-Konzentrationen derzeit meist unter 0,01 Bq/Liter.

In Oberflächengewässer eingetragene radioaktive Stoffe werden innerhalb relativ kurzer Zeit an im Wasser suspendierte anorganische und organische Schwebstoffe (Seston) gebunden oder, wenn sie bereits in partikularer Form deponiert worden sind, unmittelbar der Schwebstoffphase zugeführt. Diese kontaminierten Feststoffe werden abhängig von den Bedingungen im Gewässer (Fließgeschwindigkeit, Turbulenz u.a.) und den Eigenschaften des Schwebstoffs (Korngröße, Dichte u.a.) zu einem späteren Zeitpunkt als Sediment an der Sohlenschicht des Gewässers ablagert. Während Radioaktivitätsbestimmungen in Schwebstoff bereits kurzfristig nach einem Ereignis Aufschluss über die Kontamination eines Gewässers geben können, ermöglichen Aktivitätsbestimmungen in Sediment vor allem eine Darstellung der langfristigen Kontamination eines Gewässers. Die Karte zeigt die in hessischen Fließgewässern, Seen und Teichen in Schwebstoff- und Sedimentproben aus den Jahren 1989 bis 2016 ermittelte spezifische Cäsium-137-Aktivität. Sie liegt derzeit unter 30 Bq/kg Trockenmasse.

Die im Schwebstoff und Sediment hessischer Oberflächengewässer enthaltene Cäsium-137-Aktivität führt bei Fischen, die in diesen Gewässern aufwachsen, zu spezifischen Cäsium-137-Aktivitäten unterhalb von 0,5 Bq/kg Frischmasse. Damit liegt auch das Nahrungsmittel Fisch hinsichtlich der Cäsium-137-Kontamination in der gleichen Größenordnung wie die pflanzlichen und sonstigen tierischen Nahrungsmittel.

In Kläranlagen ist, wie bei den Oberflächengewässern, eine Abscheidung der mit dem Regenwasser und dem häuslichen Abwasser in die Anlagen eingetragenen radioaktiven Stoffe mit der Feststoffphase zu beobachten. So sind im Klärschlamm aus kommunalen Kläranlagen in Hessen zur Zeit noch spezifische Cäsium-137-Aktivitäten bis zu etwa 10 Bq/kg Trockenmasse zu finden, während im Abwasser Cäsium-137-Konzentrationen oberhalb von 0,1 Bq/Liter nur über einen Zeitraum von einigen Wochen nach dem Reaktorunfall in Tschernobyl auftraten. Die spezifischen Cs-137-Aktivitäten in den in Hessen überwachten Kläranlagen zeigt die Karte für die Jahre 1989 bis 2016.

Darüber hinaus ist in hessischen Kläranlagen das Radionuklid Iod-131 nachzuweisen. Hierbei handelt es sich um ein Radionuklid, das unter anderem auch in der Medizin eingesetzt wird. Klärschlamm enthält häufig spezifische Iod-131-Aktivitäten bis zu einigen 100 Bq/kg Trockenmasse.

Kompost ist ein Produkt der Reststoffverwertung, das im gartenbaulichen Bereich zur Nahrungsmittelproduktion eingesetzt wird. Das dabei zur Verrottung anstehende Pflanzenmaterial ist zur Zeit nur in geringem Umfang mit künstlichen radioaktiven Stoffen belastet, das Endprodukt weist jedoch wegen der Aufkonzentrierung beim Rotteprozess deutlich höhere Aktivitäten auf, die bezüglich des Cäsium-137 derzeit noch bis zu etwa 20 Bq/kg Trockenmasse betragen (Abb.2).

Abb. 2: Spezifische Cäsium-137-Aktivität im Kompost
Abb. 2: Spezifische Cäsium-137-Aktivität im Kompost

Eine Anreicherung radioaktiver Stoffe ist auch in den Austragsprodukten von Verbrennungsanlagen (Schlacke, Filterstaub, Endprodukte der Rauchgasreinigung, gereinigte Rauchgase) zu erwarten. In den drei überwachten hessischen Verbrennungsanlagen (eine Klärschlamm- und zwei Müllverbrennungsanlagen) sind derzeit in der Rohschlacke spezifische Cäsium-137-Aktivitäten in Höhe von etwa 1 bis 3 Bq/kg Trockenmasse und in der Flugasche (Filterstaub) abhängig vom Anlagentyp und insbesondere von der eingesetzten Technik zur Reinigung der Rauchgase spezifische Cäsium-137-Aktivitäten in Höhe von etwa 10 bis 60 Bq/kg Trockenmasse zu bestimmen.

Eine umfangreiche Übersicht über die Einzelergebnisse der Untersuchungen von Nahrungsmittelproben und sonstigen Proben auf Radioaktivität veröffentlicht das Hessische Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie in regelmäßig aktualisierten Tabellen.

 

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