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Messkampagne der Spurenmessstelle der PTB nach dem Kernkraftwerksunfall in Fukushima

29.12.2011

Nach dem Unfall des Kernkraftwerkes in Fukushima hat die Spurenmessstelle der PTB eine Messkampagne mit verkürzter Probenentnahme zur Bestimmung der Aktivitätskonzentration der in Fukushima freigesetzten Radionuklide in der Luft in Braunschweig durchgeführt. Die in Deutschland gemessenen Aktivitätskonzentrationen waren radiologisch unbedeutend. Die neben Braunschweig auch an Spurenmessstellen des Deutschen Wetterdienstes (Potsdam und Offenbach) und des Bundesamtes für Strahlenschutz (Freiburg) ermittelten Messergebnisse waren jedoch für die Beurteilung von Messwerten in der Überwachung der menschlichen Nahrungskette oder zur korrekten Ermittlung der genehmigten Ableitungen von Iod-131 aus Kernkraftwerken hilfreich.

Kerntechnische Unfälle oder Katastrophen mit einer Freisetzung großer Mengen radioaktiver Stoffe in die Umwelt verlangen sofortige Schutzmaßnahmen. Um in einem solchen Fall angemessen reagieren zu können, müssen die radiologischen Auswirkungen frühzeitig gemessen und bewertet werden. Zu diesem Zweck wurde in Deutschland nach dem Kernreaktorunfall von Tschernobyl das Messsystem IMIS (Integriertes Mess- und Informations-System zur Überwachung radioaktiver Stoffe in der Umweltradioaktivität) eingerichtet. IMIS ist ein bundesweites Netzwerk, das die Radioaktivität in allen wichtigen Umweltmedien im gesamten Bundesgebiet überwacht. Bundesbehörden überwachen den großräumigen Transport und die Verteilung radioaktiver Stoffe z. B. in der Luft und in den Gewässern. An ca. 2000 ortsfesten Messstationen wird vom Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) kontinuierlich die Gamma-Ortsdosisleistung überwacht. Die aktuellen Messwerte sind im Internet unter odlinfo.bfs.de abrufbar. Etwa 50 Länderbehörden überwachen die Umweltradioaktivität überall dort, wo sich radioaktive Stoffe ablagern und ggf. in die Nahrungskette des Menschen gelangen können.

An etwa 40 Orten wird die Aktivitätskonzentration radioaktiver Stoffe in der Luft und im Niederschlag gemessen. 12 dieser Standorte sind Spurenmessstellen für die Überwachung der bodennahen Luft (Abbildung 1), die vom Deutschen Wetterdienst (DWD), dem BfS und der PTB betrieben werden. Im Falle einer großräumigen radioaktiven Kontamination der Umwelt, wie nach dem Unfall des Kernkraftwerkes in Fukushima, wird die Zahl der Messungen deutlich erhöht. Aufgrund dieser Messdaten sowie aufgrund von Prognosedaten, die vom DWD (meteorologische Ausbreitungsprognosen) und vom BfS (radiologische Prognosen) bereitgestellt werden, spricht das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) Empfehlungen zum Schutz der Bevölkerung aus.

Abb. 1 : Lage der deutschen Spurmessstellen zur Überwachung radioaktiver Stoffe in der bodennahen Luft

Zu Beginn der Messkampagne nach dem Unfall in Fukushima wurden ab Mittwoch, den 23. März 2011, täglich die Luftstaubfilter von den mit einem Volumenstrom von ca. 900 m3/h betriebenen Staubsammlern entnommen. Die Luftstaubproben wurden direkt nach dem Ende der Probenentnahme möglichst schnell einer ersten Messung unterzogen. Diese Messergebnisse wurden als "vorläufig" an die Leitstelle beim BfS berichtet. Damit konnte bereits nach wenigen Stunden ein Überblick über die aktuelle Lage und deren tägliche Veränderungen realisiert werden. In der folgenden Nacht erfolgte eine empfindlichere Messung, nachdem ein Teil der im Luftstaub enthaltenen kurzlebigen natürlich radioaktiven Nuklide zerfallen war. Das Ergebnis dieser "empfindlichen Messung" wurde am nächsten Tag gemeinsam mit dem neuen "vorläufigen Messergebnis" der nachfolgenden Luftstaubprobe berichtet. Ab Montag, den 16.04.2011 mussten die Probenentnahmeintervalle an allen deutschen Spurenmessstellen auf 2 Tage (Mo - Di) und (Mi - Do) bzw. 3 Tage (Fr - So) verlängert werden, da die beobachteten Messergebnisse in der Größe der bei Tagesproben erreichbaren Nachweisgrenzen lagen. Der Routinebetrieb, d. h. Entnahme und Messung von Wochenproben, wurde dann am 09.05.2011 wieder aufgenommen.

Abb. 2 : Künstliche und natürliche Radionuklide in der Luft in Braunschweig nach dem Reaktorunfall von Fukushima

Die Messergebnisse wurden zuerst auf einer gemeinsamen Internetseite der deutschen Spurenmessstellen veröffentlicht, die von der Leitstelle im Internetauftritt des BfS eingerichtet worden war, und anschließend auf der PTB-eigenen Internetseite. Abbildung 2 zeigt die Messreihe von Messungen an bestaubten Filtern bis zum Ende der Berichterstattung im Internet.

Neben den frischen künstlichen Radionukliden ist in Abbildung 2 auch die in der selben Probe gemessene Aktivitätskonzentration des natürlich radioaktiven Beryllium-7 (Be-7) dargestellt, das immer im Bereich von 800 µBq/m3 bis 8000 µBq/m3 messbar ist. Zur Bewertung des Einflusses der Freisetzung aus Fukushima zeigt das Bild auch die im Vorjahr beobachteten mittleren Aktivitätskonzentration der Radionuklide Be-7, Kalium-40 (K-40), Caesium-137 (Cs-137) und Blei-210 (Pb-210), die den üblichen Messergebnissen der letzten Jahre in Braunschweig entsprechen.

Der Verlauf der Messkurven von I-131 und der beiden Caesiumisotope Cs-134 und Cs-137, die in etwa in gleichen Akkivitätskonzentrationen vorlagen, zeigt deutlich, dass die kontaminierten Luftmassen in zwei Wolken über Braunschweig hinweg zogen. Die jeweils höchsten Aktivitätskonzentrationen wurden am 28. März und am 5. April 2011 gemessen. Danach sanken die Messwerte durch den physikalischen Zerfall der kurzlebigen Radionuklide und durch Verdünnung, Ausfallen und Auswaschung aus der Atmosphäre rasch ab.

An den Luftstaub-Tagesproben vom 24.03.2011 bis einschl. 10.04.2011, die die höheren Aktivitätskonzentrationen enthielten, wurden ergänzende Messungen durchgeführt. Dazu wurden diese Tagesproben zur Erhöhung der Messempfindlichkeit (Verbesserung der Nachweisgrenze) für schwerflüchtige Radionuklide wie üblich bei 450°C verascht und anschließend mehrere Tage lang in einem Bohrloch-Spektrometer gemessen. Die Messergebnisse der "empfindlichen Messungen" der Filter mit den ergänzenden Messergebnissen der Messungen an den Luftstaubaschen zeigt Abbildung 3. Die mit einem "!" gekennzeichneten Radionuklide waren im Fukushima-Fallout zwar zu erwarten, sie konnten jedoch wegen der in Europa nur noch sehr geringen Aktivitäten nur in der PTB-Spurenmesstelle Dank der hier vorhandenen hochempfindlichen Analyse- und Messverfahren nachgewiesen werden.

Abb. 3 : Leicht und schwerer flüchtige künstliche Radionuklide aus dem Reaktorunfall von Fukushima und natürlich radioaktive Nuklide in der Luft in Braunschweig

Im Vergleich zu diesen zeitlich hoch aufgelösten Darstellungen zeigt Abbildung 4 exemplarisch für Cs-134 und Cs-137, wie sich der Einfluss des Fukushima-Unfalls auf Basis der Routine-Wochenmesswerte des Jahres 2011 darstellt.

Abb. 4 : K-40, Cs-137 und das Aktivitätsverhältnis A(Cs-137)/A(K-40) in der bodennahen Luft in Braunschweig 2011

Analog wird in Abbildung 5 die Langzeitmessreihe der mittleren monatlichen Aktivitätskonzentration des Cs-137 im Vergleich mit der des Be-7 vorgestellt. Diese seit Oktober 1963 bestehende Messreihe erlaubt den unmittelbaren Vergleich der Einflüsse aus den atmosphärischen Kernwaffenversuchen des letzten Jahrhunderts, des Unfalls von Tschernobyl, Ukraine, 1986 und des Unfalls von Fukushima. Die kurzzeitig beobachteten maximalen Messwerte nach Fukushima lagen um etwa einen Faktor 1000 unter den maximalen Messwerten nach Tschernobyl.

Abb. 5 : Be-7 und Cs-137 in der bodennahen Luft in Braunschweig seit 1963

Neben der Messung und Berichterstattung an die Leitstelle und den DWD erfolgte gleichzeitig neben den täglichen Messungen ein reger Datenaustausch im Netzwerk der europäischen Spurenmessstellen ("Ring of Fife", Ro5). Hier wurden die Messergebnisse von 40 Spurenmessstellen bis einschließlich des 12. April 2011 zunächst zur gegenseitigen Information berichtet. Die hier gebündelten Messergebnisse wurden schließlich auch in einer gemeinsamen Publikation im "Journal of Environmental Science and Technology" zusammengefasst (Heft 12/2011), interpretiert und zur Validierung der Ergebnisse aus meteorologischen Ausbreitungsrechnungen mit realen Messergebnissen genutzt.

Literatur:

  1. O. Masson, A. Baeza, J. Bieringer, K. Brudecki, S. Bucci, M. Cappai, F. P. Carvalho, O. Connan, C. Cosma, A. Dalheimer, G. Depuydt, L. E. De Geer, A. De Vismes, L. Gini, F. Groppi, K. Guðnason, R. Gurriaran, D. Hainz, Ó. Halldórsson, D. Hammond, K. Holý, Zs. Homoki, A. Ioannidou, K. Isajenko, C. Katzlberger, M. Kettunen, R. Kierepko, R. Kontro, P. J. M. Kwakman, M. Lecomte, A.-P. Leppänen, B. Lind, G. Lujaniene, P. Mc Ginnity, C. Mc Mahon, H. Malá, S. Manenti, M. Manolopoulou, A. Mattila, A. Mauring, J. W. Mietelski, B. Møller, S. P. Nielsen, R. M. W. Overwater, S. E. Pálsson, C. Papastefanou, I. Penev, M. Pham, P. P. Povinec, H. Ramebäck, M. C. Reis, W. Ringer, A. Rodriguez, P. Rulík, P. R. J. Saey, V. Samsonov, C. Schlosser, G. Sgorbati, B. V. Silobritiene, C. Söderström, R. Sogni, L. Solier, M. Sonck, G. Steinhauser, T. Steinkopff, P. Steinmann, S. Stoulos, I. Sýkora, N. Tooloutalaie, L. Tositti, J. Tschiersch, A. Ugron, E. Vagena, A. Vargas, H. Wershofen, O. Zhukova:
    Tracking of airborne radionuclides from the damaged Fukushima Dai-Ichi nuclear reactors by European networks
    .
    Environ. Sci. Technol., 45 (18), pp 7670–7677, 2011 (DOI: 10.1021/es2017158)