04_Natuerliche Radioaktivitaet_14_12_10

Natürliche Radioaktivität
Prof. Dr. S. Prys
Bildquelle: www.wikipedia.de
1.0 Natururan (NU)
Gammaspektrum von Natururan
U-238
99,3 %
U-235
0,7 %
Bildquelle: www.wikipedia.de
1
1.1 Zerfallsreihen
Zerfallsreihe: Abfolge von radioaktiven Zerfällen
Uran-Radium-Reihe:
Uran-Actinium-Reihe:
Thorium-Reihe:
Neptunium-Reihe:
Ausgangsnuklid U-238
Ausgangsnuklid U-235
Ausgangsnuklid Th-232
Ausgangsnuklid Np-237
Endnuklid Pb-206
Endnuklid Pb-207
Endnuklid Pb-208
Endnuklid Bi-209
Die 4. Zerfallsreihe kommt in der Natur nicht vor, da das langlebigste Glied
237Np dieser Reihe praktisch vollständig zerfallen ist.
1.1.1 Die Uran-Radium-Zerfallsreihe
2
1.1.2 Die Uran-Actinium-Zerfallsreihe
1.1.3 Die Thorium-Zerfallsreihe
3
1.1.4 Grösste Uranvorkommen
der Erde
Bildquelle: www.wikipedia.de
1.1.5 Der Naturreaktor von OKLO
Entdeckt 1972 in OKLO (Gabun) – funktionierte vor ~ 2 Mrd Jahren
Bildquelle: http://oklo.curtin.edu.au/when.cfm
4
1.1.5.1 Reaktorbetrieb
mehrere Hundertausend Jahre bei ca.100 kW und Aufheizung
vermutlich bis zu 450 °C auf.
Bildquelle: http://oklo.curtin.edu.au/when.cfm
1.1.5.2 OKLO Zeitverlauf
U Mobilisierungsphase
U Erz/Reaktorbildungsphase
U Reaktor “in Betrieb”
Betriebsdauer:
Spaltprodukteinlagerung
vor ~3,5 Mrd Jahren
vor ~2,8 Mrd Jahren
> 50% UO2
vor ~2 Mrd Jahren, z.B. Zone 15
einige 100 000 Jahre
bis jetzt
5
1.1.5.3 OKLO Spaltprodukte
Spaltung
von U-238 mit schnellen Neutronen
von Pu-239 mit thermischen Neutronen nur aus Brutreaktion möglich
U + 01n →
238
92
−
β
U →
239
92
−
β
Np →
239
93
239
94
Pu
und U-235 mit thermischen Neutronen
1.1.5.4 OKLO „Endlager“
OKLO Reaktoren sind für die Endlagerforschung wertvoll
6
Test
Suchen Sie die Halbwertszeiten
der wandernden Spaltprodukte
heraus !
1.1.5.5 Multiple Barrieren für
Radionuklide
Endlager der Natur
chemisch/thermisch
stabiles Mineral
Eisenhaltige Schicht
Hochadsorbierendes Medium
Geringporöses Medium
Geologisch stabile Formation
7
1.1.6 Uranminerale
Bildquelle: www.wikipedia.de
1.1.7 Uraninit
Uraninit UO2
spezifische Aktivität: 157,788 MBq/kg
Metamiktes Gestein (Zerstörung der
kubischen Gitterstruktur durch
Radioaktivität)
Dichte: 11 - < 7 g/cm3
Vorkommen: Erzgebirge, Schwarzwald,
Tschechien, Zentralmassiv
(Frankreich),Kanada, Australien,
Russland, Norwegen
Bildquelle: www.wikipedia.de
8
1.1.8 Pechblende & Co
Pechblende U3O8
(=UO2*U2O6), selten U3O7
Autunit
Ca(UO2)2(PO4)2 x 8 − 12 H2O
Torbernit
Cu(UO2)2(PO4)2 x 12 H2O
Bildquelle: www.wikipedia.de
1.1.9 Autunit mit Fluoreszenz
Autunit
Ca(UO2)2(PO4)2 x 8 − 12 H2O
spezifische Aktivität: ~ 86 MBq/kg
Fluoresziierende Eigenschaften
Bildquelle: www.wikipedia.de
9
1.1.10 Uranothorit
Uranothorit (Th,U)SiO4
spezifische Aktivität: ~ 32 MBq/kg
Isotop Th-232
Anwendung im THTR
Brutstoff zur Gewinnung von U-232
Bildquelle: http://www.mindat.org/min-8611.html
1.1.11 Polymetallisches U-Erz
Erzgebirge
Bildquelle: www.wikipedia.de
10
1.2 Metallisches Uran
Kommt in der Natur kaum vor
Uran U
Lithophiles Element
(=reichert sich in Silikatschmelzen an)
Oxidationsstufen:
+4
(kaum wasserlöslich)
+6
(gut wasserlöslich farbige Uranylkomplexe)
Annagrün: Einfärben von Glas
Bildquelle: www.wikipedia.de
1.3 Thoriumminerale
Thorianit ((Th,U)O2)
spezifische Aktivität: ~39,4 MBq/kg
Geringe metamikte Eigenschaften
Monazitsand
((Ce,La,Nd,Th)[PO4],
4–12 % Thoriumdioxid ThO2)
Thorianit
Bildquelle: www.wikipedia.de
Thorit((Th,U)SiO4)
11
1.3.1 THTR Brutreaktion
Brennstoff: U-235 / U-233
Brutreaktion zur Erzeugung von spaltbarem U-233
Th + 01n →
232
90
−
min)
Th β( 22
, 2 
→
233
90
−
d)
Pa β( 26
,97
→
233
91
233
92
U
Moderator: Graphitkugeln
Kühlmittel: He
Hohe inhärente Sicherheit
Brennstoffwechsel bei laufendem Betrieb möglich
2.0 Strahlenbelastungen
Mean Effective Dose Rate [mSv/a]
kosmische Strahlung
terrestrische Strahlung
natürliche Inkorporationen
totale natürliche Strahlenbelastung
medizinische Anwendungen
Industrieaktivitäten
Tschernobyl
Kernwaffentests
Flüge
Arbeitsumgebung
fossile Energieerzeugung
nukleare Energieerzeugung
Industrieprodukte
totale zivilisatorische Strahlenbelastung
Summe
0,3
0,4
1,4
2,1
2
0,01
0,01
0,005
0,005
0,002
0,002
0,001
0,001
2,036
4,136
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
12
2.0.1 Natürliche
Strahlenexposition
Effektive Dosisleistung [mSv/a]
extern
intern
total
kosmisch
1000 m ü.d.M
0 m ü.d.M
Radionuklide
0,4
0,27
0,02
0,4
0,27
0,02
0,35
0,006
1,29
0,22
1,89
terrestrisch
K-40
Rb-87
U-nat
Th-nat
0,12
0,14
0,17
0,006
1,17
0,08
Σ
0,71
1,45
0,18
Total
2,16
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
2.0.2 Beispiele für Äquivalentdosen
7000
4000
1000
250
200
0,01
20
6
0,3
2,0
mSv
mSv
mSv
mSv
mSv/a
mSv
mSv/a
mSv/a
mSv/a
mSv/a
2,1 mSv/a
<3 mSv/a
Strahlentod LD100
Schwere Strahlenkrankheit LD50
"Strahlenkater„
Schwellendosis (erste klinische Effekte)
Maximale natürliche Strahlenbelastung (Brasilien, Monazit)
3 h Flug 10 km Höhe
Grenzwert für berufliche Strahlenbelastung (Kategorie A)
Grenzwert für berufliche Strahlenbelastung (Kategorie B)
Grenzwert für Belastung aus kerntechnischen Anlagen
Mittlere Strahlenbelastung durch medizinische
Anwendungen
Mittlere natürliche Strahlenbelastung D
Zusätzliche natürliche Strahlendosis
(Beton-, Granitbauten)
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
13
2.1 Natürliche Radionuklide
C-14
(8 500 PBq)
T
(1 300 PBq)
K-40
Th-232, U-235, U-238
Ra-228, Ra, 226, Rn-222, Pb-210,
Po-218,...
vor 1955
Meerwasser:
100 Bq / m3
Oberflächengewässer
200 - 900 Bq / m3
2.2 Radioaktivität in Böden
Bodenart / Herkunft
Fränkischer Schiefer
Kalkstein
Granit
Basalt
Basalt
Basalt
Rohphosphat
Rheinsand
Bimsstein
K-40 Aktivität in Bq / kg
Hof
999
Pfalz
< 37
Italien
925
Hessen
444
Pfalz
222
Prag
444
Marokko
703
Speyer
407
Neuwieder
Becken
1036
14
2.2.1 Radioaktivität der Gesteine
Bodenart
K-40 Aktivität
[Bq/kg]
Th-232 Aktivität
[Bq/kg]
Ra-226 Aktivität
[Bq/kg]
Granit
1000
120
100
Tuff
1000
100
100
Gneis
900
45
75
Sandstein
500
25
20
Basalt
270
30
25
Kalkstein
90
5
25
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
2.2.2 Strahlung durch Gestein
Sedimentgestein
Sand, Ton, Kalk
0,1 - 2 mSv / a
Metamorphe Gesteine
Gneis, Biotitgneis
0,9 - 3 mSv / a
Magmatische Gesteine
Granit, Porphyre
0,9 - 5 mSv / a
15
2.2.3 Terrestrische Strahlung
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
2.2.3.1 Radioaktivität in Baustoffen
Gips, Holz, Kunststoff
Kalkstein, Sandstein
Ziegel, Beton
natürliches Gestein
Schlackenstein, Bimsstein
niedrig
hoch
Mittlere Aktivität der Luft:
im Freien:
in Wohnungen
14 Bq / m3
50 Bq / m3
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
16
2.3 Radioaktivität im Wasser
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
2.4 Kosmische Strahlung
Primärstrahlung:
Wechselwirkung mit
Sekundärstrahlung:
Neutrinos, Mesonen
14 N + 1n →
7
0
p 93% , He 6,3 %
N - 14, O - 16
p, n,
14C + 1p
6
1
17
2.4.1 Strahlenexposition
durch Höhenstrahlung
Höhe über dem Meeresspiegel in m
12000
3000
2000
1000
0
0,005
1,20
0,63
0,36
0,01
mSv / h
mSV / a
mSV / a
mSV / a
mSV / a
Dosisleistung [mSv/a]
0,5
1,0 1,5 2
2.4.2 Kosmische Strahlung
1
Hamburg
2
3
4
5
Höhe über Meeresspiegel [km]
München
Zugspitze
Großglockner
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
18
2.4.2.1 Kosmische Strahlenbelastung
exponierter Städte
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
2.4.3 Strahlenbelastung beim
Fliegen
Effektive Dosis durch Höhenstrahlung auf ausgewählten Flugrouten
Abflug
Ankunft
Dosisbereich* [µSv]
Frankfurt
Frankfurt
Frankfurt
Frankfurt
Frankfurt
Frankfurt
Frankfurt
Gran Canaria
Johannesburg
New York
Rio de Janeiro
Rom
San Francisco
Singapur
10 - 18
18 - 30
32 - 75
17 - 28
3-6
45 - 110
28 - 50
* Die Schwankungsbreite geht hauptsächlich auf die Einflüsse von
Sonnenzyklus und Flughöhe zurück.
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
19
2.4.5 Strahlenbelastung bei der
Raumfahrt
Flug
Erdumkreisung
Erdumkreisung
Mondumkreisung
Mondlandung
Mondlandung
APOLLO VII
SALJUT 6 / IV
APOLLO XI
APOLLO XI
APOLLO XIV
Flugdauer [h]
Dosis [mSv]
260
4 200
147
195
209
3,6
55
5,7
6
15
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
3.0 Die natürliche Aktivität
eines Standardmenschen
Radionuklid
Aktivität in Bq
K - 40
4 500
C -14
3 800
Rb - 87
650
Pb - 210, Bi - 210, Po – 210
60
Daughters Rn - 220
30
H-3
25
Be - 7
25
Daughters Rn - 222
15
Sonstige
7
Summe
9 112 (ca. 130 Bq / kg)
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
20
3.1 Natürliche Radionuklide in der
Nahrung
Bildquelle: www.bfs.de
3.1.1 Spezifische Aktivität in
Nahrungsmitteln
Stoff
Aktivität in Bq / kg
KCl
vegetarische Nahrungsmittel
Rentierleber (Po-210)
Paranüsse (Ra- 226)
15 944
40*
222
132
* Mittelwert
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
21
3.1.2 Aktivität eines Frühstücks
Nahrungsmittel
120 g Mischbrot
25 g Camenbert
25 g Corned Beef (Jugoslawien)
20 g Nuß-Nougat-Creme
125 ml schwarzer Tee (Türkei)
Aktivität in Bq
2,0
0,9
1,2
3,2
6,5
Nicht
verkehrsfähig !
100 g Quark
25 g Blaubeeren
0,2
2,4
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
3.1.3 Aktivität eines Mittagessens
Nahrungsmittel
150 g Wildfleisch (Niedersachsen)
60 g Nudeln, gekocht
200 g Maronen (Niedersachsen)
Aktivität in Bq
87,2
0,6
210,6
Nicht
verkehrsfähig !
20 g Pfirsich (Konserve, Griechenland)
10 g Preisselbeermus (Skandinavien)
150 g Vanilleeis
50 g Kirschen
1,0
0,0
3,0
16,7
Quelle: Volkmer – Radioaktivität und Strahlenschutz
22
3.1.4 Radioaktivität im Wildfleisch
Bayerischen Wald 2004
Cs-137
Wildschweine 80 - 40.000 Bq/kg Mittelwert ~ 7.000 Bq/kg
Rehwild ~700 Bq/kg
Unterschiede Ernährungsverhalten Wildschweinen fressen
unterirdisch wachsende Hirschtrüffeln hohe Belastung
3.1.5 Mittlere Verzehrsraten
23
3.1.6 Mittlere Ingestionsdosis
3.1.7 Natürliche Radionuklide in
der Nahrung
Bildquelle: www.bfs.de
24
4.0 Biologische und
effektive Halbwertszeit
biologische Halbwertszeit unterschiedlich
bei unterschiedlichen Organen
bei unterschiedlichen Ernährungsgewohnheiten
1
Teff
=
1
Tbio
+
1
T phys
4.1 Biologische Halbwertszeiten
Radionuklid
H-3
C - 14
Sr - 90
K - 40
Cs - 137
Ra - 226
U-nat
Th - 232
I - 131
biologische HWZ
12
d
49 a
48 d
70 d
140 d
44,9 a
20 d
24,8 a
200 a
40 - 140 d
Speicherorgan
Gewebe / Wasser
Fett
Knochen
Muskulatur
Ganzkörper
Muskulatur
Knochen
Nieren / Knochen
Ganzkörper
Knochen
Schilddrüse
25
Test 2
Wie groß ist die mittlere effektive
Halbwertszeit von II-131 ?
4.2 Radiotoxizität
Toxizität des ionisierenden Strahlers und seiner
Folgeprodukte
niedrig
U - nat, Tc - 99m
Cs - 137, Ba - 140
I - 131, Cs - 134
Ra - 226, Pu - 239
hoch
26
Übungsfragen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Welche natürlichen Zerfallsreihen kennen Sie ?
Wie liegt Uran in der Natur vor ? Isotopenverhältnis ?
Woher stammt die terrestrische Aktivität ?
Woher stammt die kosmische Strahlung ?
Woher stammt die Wasseraktivität ?
In welcher Gruppe im PS befinden sich Uran und Plutonium ?
Nennen Sie Merkmale von Uran und Thorium ?
Was ist eine Brutreaktion ?
Welches wissenschaftliche Interesse besteht an den OKLO Reaktoren ?
Wie groß ist die mittlere natürliche Radioaktivität in Deutschland ?
Wie groß ist die effektive Halbwertszeit von Cs-137 für Frauen?
Was versteht man unter Radiotoxizität?
Literatur
1.
2.
3.
Volkmer – Kernenergie Basiswissen; Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
Koelzer, Lexikon der Kernenergie
Krieger, H. Grundlagen der Strahlungsphysik; Vieweg + Teubner Verlag 2009
27
Pause
Ende
28
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2010
;-)
29