Vorlesung AOC I Radiochemie

AOC I: Teil „Umweltradioaktivität“
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Historie
Isotope
Arten der radioaktiven Strahlung
Zerfallsgesetz
Radioaktives Gleichgewicht
Natürliche Zerfallsreihen
Von welchen Strahlenquellen geht unsere Belastung aus?
Das Radon-Problem
Natürliche Radionuklide im Trinkwasser
Kernspaltung, Kernreaktor
Anthropogene Radionuklide
Der Reaktorunfall von Chernobyl und seine Auswirkungen auf
Österreich
• Belastungspfade
• Die Bombenpeaks
Uranglas
Historischer Rückblick
1828 Berzelius: Thorium
1879 Klaproth: Uran
Verwendung des Urans: Färben von Gläsern und Keramik
größter Lieferant: Bergbau in St. Joachimsthal / Jachimov
1895: Röntgen
arbeitet über Floureszenzerscheinungen von Kathodenstrahlen
X-Strahlen
1896: H. Becquerel
arbeitet über die Floureszenz von Uranmineralien
Uransalz auf Photoplatte, die lichtdicht in schwarzes Papier
eingewickelt ist; Sonnenlicht regt Floureszenz an, Platte ist dann geschwärzt
Henri Becquerel
Marie und Pierre Curie
Marie Curie
untersucht die Ionisation von Luft durch verschiedene Präparate:
metallisches Uran und Uransalze aus abgetrenntem Uran
nicht besonders aktiv im Vergleich zu Pechblende = natürliches
Uranmineral U3O8
Strahlung kommt nicht vom Uran selbst !!!
Aufarbeitung von 11 Tonnen Pechblende-Abraum (4 Jahre):
findet 2 neue Elemente:
Polonium (Tellur-Fraktion)
Radium 85 mg (Barium-Fraktion) - Atomgewicht
Nobelpreis für Physik 1903: Entdeckung der Radioaktivität
Becquerel, M. und P. Curie
Nobelpreis für Chemie 1911: Entdeckung von Po und Ra und Untersuchung
der Chemie des Ra
M. Curie
1907
ca. 40 radioaktive „Körper“ bekannt
im Periodensystem aber nur mehr 12 Plätze frei!
manche dieser „Körper“ haben unterschiedliche Lebensdauern und
versch. Zerfallsprodukte, lassen sich aber chemisch nicht trennen!
z.B. Thorium (232), Radiothorium (228), Ionium (230)
alle mit Ordnungszahl 90!
weiteres Problem mit Periodensystem:
nicht-ganzzahlige Atomgewichte kommen vor, z.B. Chlor 35,453
PSE um 1907
1913 F. Soddy: Isotopie
es gibt Atome gleicher Kernladungszahl (und damit des gleichen
Elements) von verschiedenem Atomgewicht;
jedes solche, durch die Zahl seiner Protonen und Neutronen eindeutig
bestimmte Atom nennt man ein Nuklid
Verschieden schwere, aber chemisch identische Atomarten heißen
Isotope
Periodensystem → Nuklidkarte
E. Rutherford
1898 E. Rutherford
die neue Strahlung besteht aus 3 unterschiedlichen Komponenten,
Unterschiedlich bezüglich Reichweite / Durchdringungsfähigkeit
α Helium-Ionen
β Elektronen
1902 Rutherford + Soddy:
radioaktiver Zerfall verbunden mit Elementumwandlung!
γ elektromagnetische Strahlung
Folge eines α- oder β-Zerfalls
Emanation:
Entdeckung des radioaktiven Edelgases Radon
Das radioaktive Zerfallsgesetz
Zerfallskonstante λ: ein Maß für die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls in
der Zeiteinheit
Einheit: 1 / sec oder s-1
dN = - λ N dt
N(t) = N(0) e-λt
Halbwertszeit T1/2
Aktivität A = Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit
A = λ N = λ (m/M) NL
Aktivität von 1g Ra = 1 Ci = 3,7*1010 s-1
Radioaktives Gleichgewicht
Radioaktives Gleichgewicht:
Mutternuklid sehr langlebig,
Tochternuklid rel. kurzlebig
Mutternuklid rel. kurzlebig,
Tochternuklid noch deutlich
kurzlebiger
Ra 228
Thorium-Reihe
5.7 a
←
Th 232
1.4*1010a
Ac 228
6.13 h
Pb 212
10.6 h
Tl 208
3.1 m
←
←36%
Bi 212
Pb 208
←
Stabil
60.6 min
Po 216
0.15 s
←
Rn 220
55.6 s
←
Ra 224
3.64 d
←
Th 228
1.9 a
64% β
Po 212
0.3 µs
Th 234
24.1 d
←
U 238
4.5*109a
Pa 234
1.2 m
Pb 214
26.8 m
←
Po 218
3.05 m
←
Rn 222
3.8 d
←
Ra 226
1600 a
←
Th 230
7.5*104a
←
Bi 214
19.8 m
Pb 210
22 a
←
Po 214
162 µs
Bi 210
Uran-Reihe
5.0 d
Pb 206
stabil
←
Po 210
138.4 d
U 234
2.5*105a
Wie liest man die Karten mit den Zerfallsreihen?
Rechts oben das jeweils langlebigste Nuklid ist das Mutternuklid, das
noch von der Elementsynthese aus der „Geburtsstunde“ unseres
Sonnensystems übrig ist (vor ca. 4-5 Milliarden Jahren)
Der Pfeil 2 Felder nach links bedeutet: α-Zerfall
Der Pfeil 1 Feld nach unten und 1 Feld nach rechts: β-Zerfall
(dieser Pfeil fehlt leider manchmal, bitte selbst ergänzen)
Es gibt noch eine 3. Zerfallsreihe ausgehend von U-235
Verhältnis U-235/U-238= 0.007, d.h. U-235 ist sehr selten
Eine 4. Zerfallsreihe ausgehend von Np-237 ist bereits ausgestorben,
da die HWZ der Mutter nur 2,14 Millionen Jahre beträgt (seit der
Elementsynthese sind also bereits 1000 HWZ vergangen…)
Radon
Rn-222- Konzentrationen im Freien: 4-10 Bq/m3
(1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde)
In Häusern kann die Rn-Konzentration viel höher sein:
Ab 400 Bq/m3 müssen Maßnahmen zur Reduktion ergriffen werden, wie z.B.
Keller besser abdichten, Bodenluft unter dem Haus absaugen…
Neubauten sollten 200 Bq/m3 nicht überschreiten
Eine Konzentration von 60 Bq/m3 bewirkt eine jährliche Dosis von
1 mSv. Die jährliche mittlere Strahlenbelastung beträgt bei uns
2-3 mSv (alles zusammen, wie im Bild vorher angegeben), kann aber aufgrund
unterschiedlicher Wohnverhältnisse auf bis zu 70 mSv ansteigen.
Ra 228
Thorium-Reihe
5.7 a
←
Th 232
1.4*1010a
Ac 228
6.13 h
Pb 212
10.6 h
Tl 208
3.1 m
←
←36%
Bi 212
Pb 208
←
Stabil
60.6 min
Po 216
0.15 s
←
Rn 220
55.6 s
←
Ra 224
3.64 d
←
Th 228
1.9 a
64% β
Po 212
0.3 µs
Th 234
24.1 d
←
U 238
4.5*109a
Pa 234
1.2 m
Pb 214
26.8 m
←
Po 218
3.05 m
←
Rn 222
3.8 d
←
Ra 226
1600 a
←
Th 230
7.5*104a
←
Bi 214
19.8 m
Pb 210
22 a
←
Po 214
162 µs
Bi 210
Uran-Reihe
5.0 d
Pb 206
stabil
←
Po 210
138.4 d
U 234
2.5*105a
Das „Radon-Problem“
Rn-220: sehr kurzlebig (HWZ 55 s), d.h. bis es aus dem Boden
herausdiffundiert, ist schon das meiste zerfallen
Rn-222: 3,8 d HWZ, entweicht aus dem Boden
Edelgas, d.h. wird wieder ausgeatmet; Wahrscheinlichkeit, dass es in
der Lunge zerfällt, ist gering, ABER:
Seine Folgeprodukte sind Metalle, diese lagern sich in der Luft an
Aerosole an und werden mit diesen eingeatmet; je kleiner die
Aerosole (1µm und kleiner), desto tiefer gehen sie in die Lunge und
desto länger bleiben sie dort. Die beiden α-Strahler Po-210 und Po214 können dabei Strahlenschäden induzieren - Krebsvorstufen
Rn-222: 5,49 MeV
Po-218: 6,00 MeV
Po-214: 7,69 MeV
α-Spektrum von Rn-222 und seinen Töchtern
Trinkwasseruntersuchungen
Bestimmung natürlicher Radionuklide im
Trinkwasser
Ra 228
Thorium-Reihe
5.7 a
←
Th 232
1.4*1010a
Ac 228
6.13 h
Pb 212
10.6 h
Tl 208
3.1 m
←
←36%
Bi 212
Pb 208
←
stabil
60.6 min
Po 216
0.15 s
←
Rn 220
55.6 s
←
Ra 224
3.64 d
←
Th 228
1.9 a
64% β
Po 212
0.3 µs
Th 234
24.1 d
←
U 238
4.5*109a
Pa 234
1.2 m
Pb 214
26.8 m
←
Po 218
3.05 m
←
Rn 222
3.8 d
←
Ra 226
1600 a
←
Th 230
7.5*104a
←
Bi 214
19.8 m
Pb 210
22 a
←
Po 214
162 µs
Bi 210
5.0 d
Pb 206
stabil
←
Po 210
138.4 d
Uran-Reihe
U 234
2.5*105a
EU-Trinkwasserrichtlinie (1998)
Richtdosis: 0.1 mSv/a
Beiträge sämtlicher Nuklide mit Ausnahme von Tritium,
40K, 222Rn und 222Rn-Folgeprodukte
Trinkwasser: Ra, U, (210Pb, 210Po)
Empfehlung der Kommission (2001):
max. Konzentration 210Pb: 200 mBq/L
max. Konzentration 210Po: 100 mBq/L
WHO 2004: max. 15 µg/L Unat.↔185 mBq/L 238U ↔12µSv/a
238U+ 234U: 24µSv/a
Uran: chem. Toxizität viel höher als Radiotoxizität, darum WHOGrenzwert als Masse und nicht als Aktivität oder Dosis.
Zielorgan: Niere
Radium: wird in die Knochen eingelagert
Ra-228 (β-Strahler) gefährlicher als Ra-226 (α-Strahler), da es eher an
der Knochenoberfläche bleibt, wo es blutbildende Organe schädigen
kann; das langlebigere Ra-226 geht tiefer in den Knochen
Pb-210: β-Strahler, geht auch in die Knochen, dort wächst dann auch
noch Po-210 nach
Po-210: α-Strahler, sehr radiotoxisch (Litwinenko-Affäre)! Verteilt sich
auf alle Organe
Die Dosiskonversionsfaktoren zeigen die relative Gefährlichkeit der
Nuklide an. Für Kleinkinder sind alle toxischen Substanzen noch
gefährlicher als für Erwachsene, da sie aufgrund ihrer hohen
Wachstumsraten die Nahrung besser auswerten müssen.
Dosiskonversionsfaktoren (Sv/Bq), IAEA 1996
Dosis (Sv/a) = Akt.konz(Bq/L).x Trinkwasserkonsum(L/a) x f(Sv/Bq)
Erwachsene
Kinder 1a (3m)
U-238
4.5*10-8
1.2*10-7
U-234
4.9*10-8
1.3*10-7
Ra-226
2.8*10-7
9.6(47)*10-7
Pb-210
6.9*10-7
3.6*10-6
Po-210
1.2*10-6
8.8*10-6
Ra-228
6.9*10-7
6.0(31)*10-6
Messung der verschiedenen Radionuklide
alle Nuklide werden aus derselben Probe bestimmt
(1-1.5 L)
Radium und 210Pb: Flüssigszintillationsspektrometrie
210Po:
Spontandeposition, α-Spektrometrie
Uran: Ionenaustausch, Mikropräzipitation, α-Spektrometrie
Radium-Isotope in Waldquelle Mineralwasser
Österreichisches Trinkwasser
Nur die Ra-Isotope liefern relevante Beiträge zur Effektivdosis!
210Pb und 210Po jeweils < 5 mBq/L
Ra-226: 9 von 100 Proben über 10 mBq/L
Waidhofen/Th. 110 mBq/L ↔ 0.02 mSv/a (0.13 mSv/a 3m)
Retz
80
Eberstein K.
48
Hermagor K.
38
Heilstollen
32
Eisgarn, Horn 30
Schrems
23
Freistadt
19
Ra-228: 17 von 23 Proben im Waldviertel 10-26 mBq/L
Kamegg
10 mBq/l ↔ 0.005 mSv/a (0.08 mSv/a 3m)
Forstau S. 17
Aktivitätskonzentrationen (mBq/L) in Mineralwässern
Ra-226
Ra-228
Pb-210
Po-210
U-238
Gasteiner
14.6 ±1.5
25 ±2.5
17 ±2
Johannisb.
150 ±2.0
135 ±4.0
—
2.4 ±0.3
1.2 ±0.2
1.4 ±0.2
78 ±2.0
70 ±2.0
≤3
1.4 ±0.2
2.4 ±0.2
3.1 ±0.2
Peterquelle
211 ±3.0
236 ±6.0
—
0.7 ±0.1
1 ±0.1
1.5 ±0.2
Preblauer
3.7 ±0.8
5.8 ±0.6
4.6 ±2
1.2 ±0.2
2.4 ±0.2
2.6 ±0.2
Römerquelle
31 ±2.0
5.5 ±0.5
5 ±1
6.1 ±0.4 35.8 ±1.4
37.6 ±1.4
Severin-Vita.
4.8 ±1.0
—
—
0.4 ±0.1
1.4 ±0.2
1.5 ±0.2
Urquelle
33 ±3.0
18 ±1.0
6 ±1
1.5 ±0.3
1.8 ±0.2
3.4 ±0.3
Vöslauer
43 ±3.0
—
3.3 ±1
0.5 ±0.1 36.1 ±1.3
54.4 ±1.9
Waldquelle
92 ±2.0
62 ±2.0
—
0.6 ±0.1 12.5 ±0.6
44.1 ±1.6
Juvina
4.0 ±0.4 73.6 ±3.8
U-234
79 ±4
Effektivdosen von 226Ra, 228Ra, 210Pb, 210Po, 234U und 238U
in österr. Mineralwässern (Erwachsene)
0,01
Ra-226
0,015
~
0,009
Ra-228
Pb-210
Po-210
0,007
U-238
0,006
U-234
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
le
W
al
dq
ue
l
V
ös
la
ue
r
le
U
rq
ue
l
re
bl
au
er
R
öm
er
S
qu
ev
el
er
le
in
-V
it a
qu
el
le
P
et
er
qu
el
le
n
Ju
vi
na
P
Jo
ha
n
ni
sb
ru
nn
e
ei
ne
r
0
G
as
t
Effektivdosis /mSv/a)
0,008
Mineralwasser
auch hier liefern die Ra-Isotope die größten
Dosisbeiträge
Achtung: Baby-Nahrung sollte nicht mit
Mineralwasser
zubereitet werden!!!
weitere Risikogruppe: Jugendliche (10-15 a)
aufgrund der hohen Wachstumsraten hohe
Dosiskonversionsfaktoren
30-er Jahre: auf der Suche nach Transuranen
Man bestrahlte Uran mit langsamen Neutronen:
U-238 + n → U-239
β-Strahler mit23,5 min HWZ
zerfällt in Np-239, dieses in Pu-239
ABER: es passiert noch etwas anderes!
Im natürlichen Uran befindet sich auch U-235, das durch langsame
Neutronen gespalten wird!!!
O. Hahn (Chemiker!) konnte nachweisen, dass sich die Produkte der
Reaktion mit den Neutronen chemisch wie Barium verhalten und nicht
wie Transurane (Ende 1938)
Bei der Spaltung werden wieder 2-3 Neutonen frei → Kettenreaktion!!!
Außerdem ca. 200 MeV Energiegewinn pro Spaltung!!!
1g U-235: 7,9*1010 J
1g C: 4*102 J
Die Bindungsenergie pro Nukleon als Funktion der
Massenzahl
Der Kernreaktor
U-235 muss auf ca. 3% angereichert werden
2 von den 3 entstehenden Neutronen müssen absorbiert werden –
wird vom U-238 erledigt; damit nicht alle 3 Neutronen absorbiert
werden muss der Querschnitt der Brennelemente rel. klein sein
Die Neutronen müssen auf thermische Energien abgebremst werden,
damit sie das U-235 spalten können – Moderator Wasser (Graphit)
Das Wasser wird erhitzt, gibt seine Energie über einen Wärmetauscher
an einen Sekundärkreislauf ab → Turbine
Ein gut gewartetes KKW gibt weniger Radioaktivität an die Umwelt ab
als ein Kohlekraftwerk!
Atombombe: reines U-235 oder Pu-239
Anthropogene Nuklide:
Spaltprodukte: I-131, Cs-137, Sr-90,…..
Aktivierungsprodukte: Co-60,…Pu-Isotope
Bombe: durch den hohen Neutronenfluss Bildung von AktivierungsProdukten direkt in der Atmosphäre, z.B. C-14, H-3, I-129……
Verteilen sich mit den Luftströmungen über die ganze Nordhalbkugel
Die Lage der Spaltprodukte in der Nuklidkarte
Der Reaktorunfall von Chernobyl,
26. April 1986
Radioaktive Stoffe in der Luft:
Nuklid
Jod-131
Die Radionuklide wurden vor
allem durch Niederschläge
ausgewaschen
Natürlicher Hintergrund:
0,20 µSv/h (Wien)
Nach dem Unfall:
Erhöhung um Faktor 3-5,
Höchster Wert: 2,7 µSv/h
HWZ
8,04 d
Cäsium-137
30 a
Cäsium-134
2,1 a
Strontium-90
28,5 a
Strontium-89
51 d
Ruthenium-103
39,5 d
Ruthenium-106
368 d
Tellur-132
78 h
Belastung im ersten Jahr nach dem Reaktorunfall
Die Zufuhr radioaktiv verseuchter Lebensmittel verursachte ca. 80%
der Gesamtdosis
Pflanzen, die direkt dem fallout ausgesetzt waren, waren stark belastet;
über das Futter besonders Milch, Milchprodukte und Fleisch belastet.
I-131 nur kurzfristig problematisch, allerdings Anreicherung in der
Schilddrüse!
Cs-137 und Cs-134 längerfristig am wichtigsten; durch Fütterung mit
unbelastetem Futter einige Wochen vor der Schlachtung starke
Reduzierung der Fleisch-Belastung
Die Radionuklide werden im Boden fest gebunden, werden dann kaum
mehr von den Pflanzen aufgenommen
Österreich:
die Belastung durch den Reaktorunfall in Chernobyl war
ungefähr so groß wie am Beginn der 60er-Jahre die
Belastung durch den fallout von den
Kernwaffenversuchen!!!
Die „Bombenpeaks“
N-14 + n → C-14 + p
HWZ (C-14)= 5730 a
geht auch mit therm. Neutronen
N-14 + p → H-3 + Fragmente
HWZ (H-3)=12,3 a
En>4,5 MeV