Ein radiologischer Notfall ist ein Ereignis, das eine unerwartete Exposition mit ionisierender Strahlung zur Folge hat, die sich nachteilig auf Gesundheit und Umwelt auswirken kann (Notfall-Expositionssituation).
Dieser Artikel betrachtet radiologische Notfälle mit großräumiger Ausbreitung von Radionukliden, die Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung im Rahmen eines überregional oder regional ausgerichteten Notfallmanagements erfordern. Lokale Notfälle, deren Bewältigung der allgemeinen Gefahrenabwehr obliegt, sind nicht Gegenstand dieses Artikels.
Radiologisches Notfallmanagement
Ziel des radiologischen Notfallmanagements ist es, die zu erwartende Strahlendosis der Bevölkerung abzuschätzen und durch Maßnahmenentscheidungen angemessen zu begrenzen. Aus radiologischer Sicht besteht international Konsens über dabei zu berücksichtigende Rahmenbedingungen, die sich in Referenzwerten für die Dosis ausdrücken (siehe Abschnitt „Dosiseckwerte“).
Um dieses Ziel zu erreichen, müssen bereits in einer möglichst frühen Phase des Notfalls Entscheidungen getroffen werden. Diese sollten sich an einfachen radiologischen Kriterien orientieren. Ob das Ziel erreicht wird, hängt von vielen Faktoren ab. Aufgabe des Notfallmanagements ist es, die vorliegenden Daten hinsichtlich ihrer Relevanz sowie die in Betracht kommenden Schutzmaßnahmen hinsichtlich ihrer Eignung und Wirksamkeit abzuschätzen.
Die getroffenen Maßnahmenentscheidungen müssen zielführend und unter Berücksichtigung aller Umstände angemessen sein. Auch soziale, Umweltschutz- und ökonomische Gesichtspunkte müssen dabei berücksichtigt werden. Die weitere Entwicklung der Exposition muss überwacht und Maßnahmen müssen angepasst werden.
In Deutschland wurde in Hinblick auf diese komplexe Aufgabenstellung ein Notfallmanagementsystem auf Grundlage von Teil 3 des Strahlenschutzgesetzes (StrlSchG) eingerichtet. Ergänzend wurden mit der Notfall-Dosiswerte-Verordnung (NDWV) Kriterien für schnelle Reaktionen festgelegt (siehe Abschnitt „Dosiseckwerte“).
Radioaktivität bei radiologischen Notfällen
Radioaktivität ist die spontane Umwandlung instabiler Atomkerne (Nuklide) unter Aussendung ionisierender Strahlung. Derartige instabile Nuklide werden Radionuklide genannt.
Charakterisiert werden stabile Nuklide und Radionuklide durch Angabe des chemischen Elements und durch die Massenzahl ihrer Atomkerne. Zur Erläuterung ein Beispiel: Das Element Cäsium (chemisches Kurzzeichen Cs) umfasst Nuklide mit Massenzahlen von 113 bis 148. Nur ein einziges von diesen vielen Nukliden ist stabil, nämlich das mit der Massenzahl 133 (Cs-133). Es besteht aus 55 Protonen, wie alle anderen Nuklide des Elements Cäsium, sowie aus 78 Neutronen. In der Summe sind dies – und das drückt die Massenzahl aus – 133 Kernbausteine. Die anderen Nuklide des Elements Cäsium sind Radionuklide, darunter das für radiologische Notfälle besonders bedeutsame Radionuklid Cs-137. Sie existieren nur, wenn sie künstlich erzeugt werden, unterliegen dann dem radioaktiven Zerfall und senden dabei ionisierende Strahlung aus.
Radionuklide können natürlichen Ursprungs sein, bei Kernspaltungen in Kernreaktoren entstehen oder bei Kernwaffenexplosionen. Radionuklide natürlichen Ursprungs sind entweder zusammen mit den stabilen Nukliden entstanden (primordiale Radionuklide) oder sie werden fortlaufend in natürlichen Prozessen erzeugt. Kalium-40 (K-40) ist ein Beispiel für ein primordiales Radionuklid. Das radioaktive Tritium (H-3) hingegen ist ein kosmogenes Radionuklid. Es wird fortlaufend durch Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit der Erdatmosphäre erzeugt.
Das bei einem radioaktiven Zerfall entstehende Nuklid, das so genannte Tochternuklid, ein Zerfallsprodukt, kann wieder ein Radionuklid sein, oder ein stabiles Nuklid. Die Umwandlungsprozesse sind für die jeweiligen Radionuklide charakteristisch. Sie laufen spontan ab, folgen statistischen Gesetzen und enden, unter Umständen über Zerfallsreihen, schließlich immer bei stabilen Nukliden.
Charakteristisch für den radioaktiven Zerfall eines Radionuklids ist dessen Halbwertszeit und die auftretende Strahlung. Es treten vor allem zwei Arten von Teilchenstrahlung auf, Alphastrahlen und Betastrahlen. Hinzu kommt die Gammastrahlung, die keine Teilchenstrahlung ist, sondern eine elektromagnetische Strahlung relativ hoher Energie, die der Teilchenstrahlung fast immer folgt. Es gibt noch weitere Strahlenarten, die allerdings in Bezug auf die im Folgenden behandelte Thematik keine weitere Bedeutung haben, wie die „Positronenstrahlung“ („Beta+“) und der „K-Einfang“.
Eine besondere Form der radioaktiven Umwandlung ist die spontane Kernspaltung. Diese wird bei einigen wenigen, besonders schweren Nukliden beobachtet, z. B. bei dem primordialen Radionuklid Uran-235 (U-235). Die dabei entstehenden Spaltprodukte sind fast immer radioaktiv. Cs-137 ist z. B. ein solches Spaltprodukt. In erheblichem Umfang entstehen Spaltprodukte künstlich in Kernreaktoren, in denen der Mensch den Prozess der Kernspaltung steuert. Weitere wichtige Beispiele für Radionuklide, die wie das Cs-137 in radiologischen Notfällen von Bedeutung sein können, sind die Spaltprodukte Sr-90, Mo-99, Ru-106, Te-132, I-131, I-132, I-133 und Ba-140 (einschließlich ggf. vorhandener Tochternuklide) sowie die schweren Nuklide U-238 und Pu-239. Auch auf andere Weise künstlich erzeugte, in Technik und Medizin vielfach verwendete Radionuklide können bei radiologischen Notfällen von Bedeutung sein, wie z. B. Co-60. Dieser Artikel beschränkt sich, im Einklang mit seiner Beschränkung auf radiologische Notfälle mit großräumiger Ausbreitung von Radionukliden, auf solche mit radioaktiven Kontaminationen durch Spaltprodukte.
Radiologische Notfälle werden durch die vorliegenden Radionuklide, deren Aktivität und ihre Halbwertszeit bestimmt. Eine Aktivitätsangabe, gemessen in der Einheit Becquerel (Einheitenzeichen: Bq), muss dabei immer ausdrücken, wo die Aktivität gemessen wurde, auf welche Radionuklide sie sich bezieht und wie sich die Aktivität verteilt. Diese kann unzugänglich sein oder sich gleichmäßig und großflächig auf dem Boden verteilen, auf eine bestimmte Fläche beschränkt sein, sich auf kleinstem Raum konzentrieren („Hot Spots“). Beispiele für Aktivitätsangaben sind z. B. Bq pro m2, Bq pro m3, Bq pro kg, Bq pro Liter, Bq pro Gebrauchseinheit und Bq pro Hot Spot.
Auf den ersten Blick werden radiologische Notfälle von der Gammastrahlung und die von ihr verursachte äußere Bestrahlung geprägt. Radionuklide können aber auch in den Körper gelangen (Inkorporation), z. B. durch Einatmen (Inhalation) oder durch Verschlucken bei der Nahrungsaufnahme (Ingestion). Hinsichtlich der Strahlenwirkung dominiert dann die Teilchenstrahlung. Sie kann im biologischen Gewebe ihre besonders schädigende Wirkung entfalten, während sie von außen den Menschen ansonsten kaum erreicht oder spätestens durch die Haut abgeschirmt wird.
Tabelle 1 zeigt Daten einer Auswahl von Radionukliden. Die meisten sind Spaltprodukte, die mit Hilfe der Literatur im Hinblick auf diesen Artikel ausgewählt wurden. Hinzugezogen wurden insbesondere die Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Integrierten Mess- und Informationssystem zur Überwachung der Radioaktivität in der Umwelt (IMIS)Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Integrierten Mess- und Informationssystem zur Überwachung der Radioaktivität in der Umwelt (IMIS) nach dem Strahlenschutzvorsorgegesetz (AVV-IMIS) vom 13. Dezember 2006, die Publikation UNSCEAR 2008United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR): Health effects due to radiation from the Chernobyl accident, in: UNSCEAR Report, 2008 und die Liste der Isotope. Die Tabelle enthält daher vor allem Radionuklide, die im Routinemessprogramm von IMIS vorkommen oder die beim Reaktorunfall von Tschernobyl freigesetzt wurden. Die Betastrahlung ist neben der Gammastrahlung die vorherrschende Strahlenart. Alphastrahlung kommt bei den Spaltprodukten nicht vor, sondern nur bei den schweren Nukliden am Ende der Tabelle.
Z Element Kurzbe-zeichnung Halbwerts-zeit Zerfallsart Zerfalls-energiein keVVorherrschendeTeilchenenergiein keV Gamma-strahlung Hinweise 1 Wasserstoff H-3 12,3 a Beta 19 19 - - 19 Kalium K-40 1,3 Mrd. a BetaK,Beta+ 13111505 131144 -Gamma 89 % der Zerfälle11 % der Zerfälle 27 Kobalt Co-60 5,3 a Beta 2824 318 Gamma- 36 Krypton Kr-85 10,7 a Beta 687 687 GammaEdelgas 38 Strontium Sr-89Sr-90 50,5 d28,8 a BetaBeta 1495546 1495546 -- -zerfällt in Y-90 39 Yttrium Y-90 2,7 d Beta 2280 2280 - Zerfallsprodukt von Sr-90 40 Zirconium Zr-95 64 d Beta 1125 368 Gamma zerfällt in Nb-95 41 Niob Nb-95 35 d Beta 926 160 Gamma Zerfallsprodukt von Zr-95 42 Molybdän Mo-99 2,7 d Beta 1215 1215 - zerfällt in Tc-99m 43 Technetium Tc-99m 6 h Gamma 140 - Gamma Zerfallsprodukt von Mo-99 44 Ruthenium Ru-103Ru-106 39,3 d1 a BetaBeta 72639 72639 -- zerfällt in Rh-103zerfällt in Rh-106 45 Rhodium Rh-103mRh-106 56 min30 s GammaBeta 403541 -3541 GammaGamma Zerfallsprodukt von Ru-103Zerfallsprodukt von Ru-106 52 Tellur Te-129mTe-129Te-132 33,6 d1,2 h3,2 d GammaBetaBeta 1051498493 -1470215 GammaGammaGamma-Grundzustand von Te-129mzerfällt in I-132 53 Jod I-131I-132I-133 8 d2,3 h20,8 h BetaBetaBeta 97135801771 60621401241 GammaGammaGamma-Zerfallsprodukt von Te-132- 54 Xenon Xe-133 5,2 d Beta 427 346 Gamma Edelgas 55 Cäsium Cs-134Cs-136Cs-137 2 a13,6 d30,2 a BetaBetaBeta 20592548514 6582208514 GammaGamma- --zerfällt in Ba-137m 56 Barium Ba-137mBa-140 2,6 min12,8 d GammaBeta 6621050 -1006 GammaGamma Zerfallsprodukt von Cs-137zerfällt in La-140 57 Lanthan La-140 1,7 d Beta 3762 1350 Gamma Zerfallsprodukt von Ba-140 58 Cer Ce-141Ce-144 32,5 d284,7 d BetaBeta 581319 435319 GammaGamma -zerfällt in Pr-144 59 Praseodym Pr-144 17,3 min Beta 2998 2998 - Zerfallsprodukt von Ce-144 86 Radon Rn-222 3,8 d Alpha 5590 5490 - Zerfallsprodukt von Ra-226 88 Radium Ra-226 1602 a Alpha 4871 4784 Gamma zerfällt in Rn-222 92 Uran U-234U-235U-238 250000 a700 Mio. a4,5 Mrd. a AlphaAlphaAlpha 485846794270 477543974198 GammaGammaGamma -Beginn der Uran-Actinium-ZerfallsreiheBeginn der Uran-Radium-Zerfallsreihe 93 Neptunium Np-239 2,4 d Beta 722 436 Gamma - 94 Plutonium Pu-238Pu-239Pu-241 87,7 d24110 a14,4 a AlphaAlphaBeta 5593524421 5499515721 GammaGamma- Zerfallsprodukt von Cm-242-zerfällt in Am-241 95 Americium Am-241 432,2 a Alpha 5638 5486 Gamma Zerfallsprodukt von Pu-241 96 Curium Cm-242 162,8 d Alpha 6216 6113 Gamma zerfällt in Pu-238
Strahlenwirkung
Sowohl die Teilchenstrahlung als auch die Gammastrahlung ionisieren Atome des Gewebes, auf das sie treffen. Dabei werden chemische Verbindungen, auch genetisch so bedeutsame Moleküle wie z. B. die DNS, bis hin zu höherdimensionalen Gewebestrukturen beschädigt oder zerstört. Die Folge sind stochastische Schäden, wie erhöhte Krebswahrscheinlichkeiten und – bei sehr intensiven Strahlenexpositionen – deterministische Schäden (Gewebereaktionen bis zur Strahlenkrankheit).
Die Wirkung der ionisierenden Strahlung wird durch die Energiedosis bestimmt. Deren Einheit Gray (Einheitenzeichen: Gy) ist auf die Masseneinheit der exponierten Substanz bezogen und beschreibt die Energie, welche die Strahlung dorthin übertragen hat. Die stochastischen Wirkungen beim Menschen werden darauf aufbauend durch die Äquivalentdosis quantifiziert. Sie berücksichtigt hinsichtlich solcher Risiken zusätzlich die unterschiedliche Wirksamkeit der Strahlenarten durch Strahlungswichtungsfaktoren.
Maßgebend im Strahlenschutz sind schließlich Körperdosen mit der Dosiseinheit Sievert (Einheitenzeichen: Sv). Konkret sind dies die Organ-Äquivalentdosis und die effektive Dosis bzw. bei der Inkorporation von Radionukliden die Folge-Organ-Äquivalentdosis und die effektive Folgedosis.