Natürliche Strahlenquellen

1. Natürliche Strahlenquellen von Hanna Wosnitza

2. Inhaltsverzeichnis • Einführung in das Thema • Maßzahlen der Radioaktivitätsexposition • Kosmische Strahlung • Natürliche Radionuklide • Externe Strahlenexpositionen • Natürliche innere Strahlenexpositiondes Menschen • Zusammenfassung

3. Einführung in das Thema • Teilchenstrahlung aus dem Weltall  Protonen, Neutronen, Neutrinos und Antineutrinos  -Teilchen (geladene Helium-Kerne)  +- und --Teilchen (Positronen- und Elektronen-Strahlen)  energiereiche Photonenstrahlen (Röntgen- bzw. -Strahlen) • Ständige Bildung und exponentieller Zerfall von Radionukliden in der bodennahen Erdatmosphäre • Einstufiger exponentieller Zerfall natürlicher Radionuklide in der äußeren Erdkruste seit der Entstehung der Erde vor ca. 5 Milliarden Jahren • Mehrstufiger exponentieller Zerfall schwerer Radionuklide in der äußeren Erdkruste

4. 2 Wichtige Maßzahlen der Radio- aktivitätsexposition 2.1 Strahlungsaktivität: Die Maßeinheit Becquerel gibt die Anzahl der Kernumwandlungen pro Zeiteinheit einer gegebenen Probe an, gemessen in 1Bq=1s-1. 2.2 Spezifische Aktivität: Bezieht man die Aktivität auf ein Volumen oder eine Masse, so spricht man von der spezifischen Aktivität der betrachteten Substanz, gemessen in Bq/l oder in Bq/kg.

5. 2.3 Die internationale Strahlenschutzkommission (ICPR) hat die effektive Strahlendosis E des Menschen definiert, sie wird gemessen in der physikalischen Maßeinheit: 1 Sievert = 1J/kg

6. 3 Natürliche Kosmische Strahlung • Die Sonne sendet neben Infrarot- und Lichtstrahlung energiereiche Teilchen zur Erde, den sog. Sonnenwind: 1. Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit 93% 2. geladene -Teilchen (He-Kerne) 6% 3. schwerere geladene Teilchen <1% 4. Neutrino- und Antineutrino-Strahlung (für den Menschen ohne Bedeutung) • Effekte in der äußeren Lufthülle der Erde: 1. Protonen und Helium-Kerne zertrümmern Luftmoleküle 2. dadurch wird eine Vielzahl sog. sekundärer natürlicher kosmischer Strahlen erzeugt 3. diese fliegen weiter und erzeugen wiederum wichtige Radionuklide in den erdnahen Luftschichten

7. Wichtige Umwandlungs-Effekte der sekundären kosmischen Höhenstrahlung Erzeugungsphase: 1. Tritium-Prozess: • C-14-Prozess: Zerfallsphase: • Tritium-Zerfall: • C-14-Zerfall:

8. 4 Natürliche Radionuklide in der Umwelt 4.1 Radioaktive Ur-Nuklide In der Natur existieren eine Vielzahl von Radionukliden (Isotope) mit Halbwertszeiten, die wesentlich größer als das Erdzeitalter sind (5.109 a). • Lange Halbwertszeiten bedeuten geringe spez. Aktivitäten eines Nuklids, sie spielen für die Strahlenbelastung des Menschen praktisch keine Rolle. Sie heißen radioaktive Ur-Nuklide und besitzen keine bekannten Zerfallsreihen. • Eine Ausnahme bildet das Kalium-Isotop K-40 mit einer Halbwertszeit von T1/2=1,28.109 a • Es ist im menschlichen Körper mit 2 g/kg Körpermasse enthalten mit einer Aktivität von 4000 Bq.

9. Zerfalls-Schema des Kalium-Isotops K-40

10. 4.2 Mehrstufige Umwandlung natürlicher Radio-Nuklide in stabile Blei-Isotope • In der Natur kommen vier natürliche radioaktive Zerfallsreihen vor, von denen die Plutonium-Neptunium-Reihe auf Grund der kurzen Halbwertszeit bereits „ausgestorben“ ist.  In schnellen Brutreaktoren (z.B. im schnellen Brüter in Kalkar) kann das radioaktive Plutonium Pu-241-Nuklid erzeugt werden, so dass diese „ausgestorbene“ Zerfallsreihe wieder existiert.

11. 4.3Die natürliche Thorium-,Uran-Actinium-und die Uran-Radium-Zerfallsreihe

12. 4.4 Natürliche Radionuklide im Boden, im Wasser und in der Luft • In der Erdkruste kommen natürliche Radionuklide in unterschiedlichen Konzentrationen vor • In den drei natürlichen Zerfallsreihen wird stets das Edelgas Radon durchlaufen • Die verschiedenen Edelgas-Nuklide (Isotope) treten aus der Erdoberfläche aus und verteilen sich • Rn-216, Rn-220 und Rn-222 haben sehr kurze Halbwertszeiten und erzeugen spez. Aktivitätenvon 14 Bq/m3 Luft • Regen transportiert das Radon in den Süßwasser-Kreislauf zurück • In Mineralwässern werden häufig spez. Aktivitäten von bis zu 1500 Bq/l gemessen

13. 4.5 Natürliche Radio-Nuklide in Baustoffen • Natürliche Baustoffe enthalten ebenso radioaktive Stoffe. • Je mehr Masse ein Haus besitzt, desto höher ist die natürliche Strahlen-belastung für die Hausbewohner. • Klassifizierung von häufig verwendeten Baustoffen nach ihrem Radionuklid-Gehalt:

14. 5 Externe Strahlenexposition 1 Kosmische Strahlung: • Die kosmische Strahlung und damit die Ionisierung der Luft hängt stark von der Höhe über NN ab. • Die effektive Strahlendosis liegt im gewichteten Mittel bei 0,3 mSv pro Jahr. • Die Exposition steigt in Deutschland von 0,3 mSv/a bei Meereshöhe auf 2 mSv/a bei 3000 m Höhe an. 2 Terrestrische Strahlung: • Die beim Zerfall natürlicher radioaktiver Stoffe emittierte ionisierende Strahlendosis liegt zwischen 0,2 und 0,5 mSv/a. • Hinzu kommt die Strahlendosis-Leistung natürlicher Baustoffe im Bereich von 0 bis 0,25 mSv/a.

15. Natürliche interne Strahlenexpositiondes Menschen • Im menschlichen Körper liegt eine mittlere Aktivität von ca. 9000 Bq vor. • Das Kalium K-40 Nuklid trägt dabei zu ca. 4000 Bq bei. • Die gasförmigen und in Lebensmitteln gebundenen Radonnuklide Rn-220 und Rn-222 tragen zur jährlichen effektiven Strahlendosis von ca. 1 mSv/a bei. • Die durch die Nahrung aufgenommenen Radio-Nuklide der kosmischen Sekundär-Strahlung (C-14, H-3, Na-22 und Be-7) liefern nur einen sehr kleinen Beitrag zur jährlichen Strahlendosis von ca. 13 Sv/a.

16. 7 Zusammenfassung • Effektive jährliche Strahlendosis aller natürlicher Strahlenquellen:  1 Drittel externe Exposition  2 Drittel interne Exposition • Jährlicher Mittelwert in Deutschland liegt zwischen 1,5 und 6 mSv/a natürlicher Strahlendosis • Tabelle der mittleren natürlichen effektiven Strahlendosisleistung in mSv/a für Deutschland: