Transcript Natürliche Strahlenquellen

Natürliche
Strahlenquellen
von Hanna Wosnitza
Inhaltsverzeichnis
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3
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6
Einführung in das Thema
Maßzahlen der Radioaktivitätsexposition
Kosmische Strahlung
Natürliche Radionuklide
Externe Strahlenexpositionen
Natürliche innere Strahlenexposition
des Menschen
7 Zusammenfassung
1
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
2
Wichtige Maßzahlen der Radioaktivitätsexposition
N
2.1 Strahlungsaktivität: A :
t
Die Maßeinheit Becquerel gibt die Anzahl der
Kernumwandlungen pro Zeiteinheit einer gegebenen
Probe an, gemessen in 1Bq=1s-1.
2.2 Spezifische Aktivität:
A
aV 
V
A
bzw. am 
m
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.
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
absorbierte Strahlungsenergie
Energiedosis : D =
Masse


E   wi    wi , j  Di , j 
i
 j

hierin bedeuten : wi  Wichtungsfaktor für das i  te Organ ( nach ICPR )
wi , j  Wichtungsfaktor des i  ten Organs
der j  ten Strahlungsart ( nach ICPR )
Di , j  absorbierte Strahlungsenergie pro Masse
des i  ten Organs der j  ten Strahlungsart
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
Wichtige Umwandlungs-Effekte der sekundären
kosmischen Höhenstrahlung
Erzeugungsphase:
1. Tritium-Prozess:
n  147 N  126 C  13H   
1
0
2.
C-14-Prozess:
n  147 N  146 C  11 p   
1
0
Zerfallsphase:
1. Tritium-Zerfall:
3
1
2.
H  23He  10e   
C-14-Zerfall:
C  147 N  10e   
14
6
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.



Zerfalls-Schema des Kalium-Isotops K-40
4.2
Mehrstufige Umwandlung natürlicher Radio-Nuklide
in stabile Blei-Isotope

In der Natur kommen vier natürliche radioaktive
Zerfallsreihen vor, von denen die PlutoniumNeptunium-Reihe auf Grund der kurzen
Halbwertszeit bereits „ausgestorben“ ist.

In schnellen Brutreaktoren (z.B. im schnellen Brüter
in Kalkar) kann das radioaktive Plutonium Pu-241Nuklid erzeugt werden, so dass diese
„ausgestorbene“ Zerfallsreihe wieder existiert.
4.3
Die natürliche
Thorium-,
Uran-Actiniumund die UranRadiumZerfallsreihe
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. Aktivitäten
von 14 Bq/m3 Luft
 Regen transportiert das Radon in den SüßwasserKreislauf zurück
 In Mineralwässern werden häufig spez. Aktivitäten von
bis zu 1500 Bq/l gemessen
4.5
Natürliche Radio-Nuklide in Baustoffen
 Natürliche Baustoffe
enthalten ebenso
radioaktive Stoffe.
 Je mehr Masse ein Haus
besitzt, desto höher ist
die natürliche Strahlenbelastung für die
Hausbewohner.
 Klassifizierung von häufig
verwendeten Baustoffen
nach ihrem RadionuklidGehalt:
Baustoff
RadionuklidGehalt
Holz, Kunststoff sehr niedrig
Kalksandstein
niedrig
Ziegel, Beton
mittel
Granit
hoch
Schlackenstein,
sehr hoch
Bimsstein
5
1



2


Externe Strahlenexposition
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.
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.
6
Natürliche interne Strahlenexposition
des 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.
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:
Exposition in
mSv/a
Externe
Bestrahlung
Interne
Bestrahlung
Gesamt
kosmische
Strahlung
0,25 – 0,4
0,02
0,27 – 0,42
nat. Nuklide in
der Erdkruste
0,45
1,35
1,8
0,7
1,4
2,1

Strahlenbelastung