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Heft 1: Spurensuche: Radioaktive Stoffe in der Luft

PTB-Mitteilungen 1/2014

50 Jahre Spurenmessung in der PTB

Herbert Wershofen

Seit Oktober 1963 beobachten Wissenschaftler der PTB regelmäßig radioaktive Stoffe in der Luft. Anfangs galt das radioökologische Interesse besonders den Spalt- und Aktivierungsprodukten aus den Kernwaffentests, die weltweit in der Atmosphäre verteilt wurden und zu Beginn der 1960er- Jahre ihren Höhepunkt erreichten. Nach dem Abkommen zur Einstellung der atmosphärischen Kernwaffenversuche 1962 sanken die Aktivitätskonzentrationen dieser Radionuklide. Mehr und mehr gerieten nun die natürlichen radioaktiven Stoffe in der Luft in den Fokus der Wissenschaftler, sowie jene, die bei der friedlichen Nutzung der Kernenergie freigesetzt werden. Besondere öffentliche Bedeutung bekamen die Messungen nach dem Unfall im Kernkraftwerk in Tschernobyl 1986.

Bedeutung der Spurenmessung im Rahmen der Regelungen zur Überwachung der Umweltradioaktivität

Reimund Stapel

Durch die Inbetriebnahme von Forschungsreaktoren in der Bundesrepublik Deutschland in den Jahren 1957 und 1958 und den späteren Betrieb von Kernkraftwerken zur Energiegewinnung wurde es erforderlich, die Radioaktivität in der unmittelbaren Umgebung kerntechnischer Anlagen zu überwachen. Die rechtlichen Verpflichtungen dazu leiten sich aus dem Atomgesetz und der Strahlenschutzverordnung ab und werden sowohl von den Betreibern der Anlagen selbst als auch von unabhängigen Messstellen der Länder umgesetzt. Die Messaufgaben sind seit 1993 in der Richtlinie zur Emissions- und Immissionsüberwachung kerntechnischer Anlagen (REI) festgelegt.

Spurenanalyse im Bundesamt für Strahlenschutz: Leitstelle und Messaufgaben

Jacqueline Bieringer, Clemens Schlosser

Bereits kurz nach dem 2. Weltkrieg begann im Jahre 1946 eine Arbeitsgruppe des Physikalischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg unter Leitung von Prof. Wolfgang Gentner und Dr. Albert Sittkus damit, im Schwarzwald auf dem Schauinsland Experimente zur Charakterisierung der kosmischen Höhenstrahlung durchzuführen. Im Frühjahr 1953 gelang den Forschern zum ersten Mal in Niederschlagsproben der Nachweis vom Fallout eines Kernwaffentests. Als Folge wurde für die zeitlich lückenlose und langfristige Überwachung der Atmosphäre auf künstliche und natürliche Radioaktivität auf dem Schauinsland (1200 m NN) eine feste Messstation gebaut, die 1957 ihren Betrieb aufnahm.

Die Aufgaben des Deutschen Wetterdienstes

Axel Dalheimer, Hubert Glaab, Thomas Steinkopff

Der Deutsche Wetterdienst (DWD) ist laut Strahlenschutzvorsorgegesetz (StrVG) [1] seit 1986 für die ständige großräumige Überwachung der Radioaktivität in der Luft, die großräumige Überwachung der Radioaktivität in Niederschlägen und für die ortsfeste Ermittlung der Radioaktivität auf dem Boden (in-situ-Messung) zuständig. Bereits 1955 war der DWD auf der Basis des Gesetzes über den Deutschen Wetterdienst (DWD-Gesetz) [2] für die Überwachung der Atmosphäre auf radioaktive Spurenstoffe und deren Verfrachtung zuständig und hatte mit dem Aufbau eines Radioaktivitätsmessnetzes begonnen. Zum Zeitpunkt des Reaktorunfalls von Tschernobyl wurde an zwölf Messstellen im Zweistundentakt die Gesamt-Betaaktivität in der Luft und täglich im Niederschlag gemessen. Einzelne Radionuklide wurden radiochemisch nur für den Standort Offenbach analysiert.

Radioökologische Beobachtungen bei der Spurenmessung und dosimetrische Bewertung radioaktiver Spuren in der Luft

Clemens Walther, Herbert Wershofen

Die Radioökologie befasst sich als Teilgebiet der Ökologie mit dem Verhalten von Radionukliden in der gesamten Umwelt. Ein wesentlicher Aspekt ist die Ermittlung der Strahlenexposition des Menschen und der belebten Natur. Dazu müssen die relevanten Expositionspfade ermittelt werden, wofür Transport-, Transfer- und Anreicherungsprozesse von natürlichen und künstlichen Radionukliden in der Umwelt von wesentlicher Bedeutung sind. Radioökologische Kenntnisse bilden die Grundlage für die Bewertung der Auswirkungen in die Umwelt freigesetzter künstlicher Radionuklide, wenn es z. B. nach einer unfallbedingten Freisetzung darum geht, möglichst schnell eine zuverlässige Prognose der zu erwartenden Strahlendosis der Bevölkerung zu erstellen und die dann erforderlichen Vorsorge- oder Schutzmaßnahmen zu treffen.

Die Geschichte der Spurenmessstelle

Herbert Wershofen

Seit Oktober 1963 beobachten Wissenschaftler der PTB regelmäßig radioaktive Stoffe in der Luft. Anfangs galt das radioökologische Interesse besonders den Spalt- und Aktivierungsprodukten aus den Kernwaffentests, die weltweit in der Atmosphäre verteilt wurden und zu Beginn der 1960er-Jahre ihren Höhepunkt erreichten. Doch vor der Aufnahme der regelmäßigen Messungen mussten im damaligen Laboratorium für Strahlenschutz die Staubprobensammler entwickelt bzw. verbessert sowie die radiochemischen Trenn- und Reinigungsverfahren eingerichtet werden. Diese Vorarbeiten wurden in einer erfolgreichen und auf guten persönlichen Kontakten basierenden Zusammenarbeit mit Kollegen in den skandinavischen Ländern und in anderen Instituten in Deutschland erledigt, in denen schon früher begonnen wurde, die aerosolgebundene Aktivitätskonzentration radioaktiver Stoffe in der bodennahen Luft nuklidspezifisch zu bestimmen.

Aufgaben und Arbeitsablauf im Routinebetrieb und im Intensivbetrieb

Herbert Wershofen

Die Spurenmessstelle hat die Aufgabe, radioaktive Spurenstoffe in der bodennahen Luft zu messen. Das geschieht zur Überwachung radioaktiver Stoffe in der Umwelt nach dem Strahlenschutzvorsorgegesetz (StrVG) [1]. Auftraggeber ist das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB). Mit der Organisation und Durchführung ist das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) beauftragt. Das Messprogramm wird in zwei Betriebsarten durchgeführt, die in einer Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zum Integrierten Mess- und Informations-System (IMIS), der AVV-IMIS [2] im Einzelnen geregelt sind. Der normale Betrieb wird „Routinebetrieb“ genannt, während der Messbetrieb im Fall einer großräumigen Kontamination der Umwelt als „Intensivbetrieb“ bezeichnet wird. Die Messprogramme sind in Anhängen zur AVV-IMIS detailliert vorgegeben [3, 4]. Dort sind auch die Aufgaben der Spurenmessstellen des Deutschen Wetterdienstes (DWD), des BfS und der PTB festgelegt. Im IMIS wird „Spurenmessung“ auch als „Spurenanalyse“ bezeichnet und durch die Forderung definiert, dass bei den Messungen eine „Nachweisgrenze unter 100 μBq/m³“ erreicht wird. Diese Angabe gilt für das künstliche Radionuklid Cobalt (Co-60) als Bezugspunkt. Für andere Radionuklide können die erreichbaren Nachweisgrenzen wegen deren abweichender Zerfallseigenschaften deutlich höher liegen.

Radiochemische Bestimmung von Alpha- und Betastrahlen emittierenden Radionukliden

Herbert Wershofen

Im Gegensatz zu Gammastrahlung, die ein bekannt hohes Durchdringungsvermögen durch Materie hat und daher relativ leicht gemessen werden kann, bleibt die in einer Umweltprobe enthaltene Alphastrahlung oder Betastrahlung schon weitgehend in der Probe selbst stecken. Der Anteil, der die Probe verlässt, gelangt nicht direkt zu einem Detektor, sondern wird auf dem Weg dorthin vom Messgefäß, der Umgebungsluft und ggf. von Bauteilen des Messgerätes geschwächt. Zudem liegen die Energien der Alpha- und Betastrahlen in einem relativ engen Bereich, sodass sie sich im Spektrum überlagern. Dadurch wird die Zuordnung der Linien zu bestimmten Radionukliden erschwert oder sogar unmöglich. Damit ist eine direkte, rein physikalische Messung von Alpha- oder Betastrahlung emittierenden Radionukliden auf dem Pegel von Spurenmessungen praktisch unmöglich. Hier hilft dann die Radiochemie weiter, die zu Beginn der Messung radioaktiver Stoffe in der Umwelt auch vor den gammaspektrometrischen Messungen mit den damaligen NaI(Tl)-Detektoren unverzichtbar war.

Nicht alltägliche Messergebnisse

Herbert Wershofen

Besondere Ereignisse fallen meistens bei Messungen der wöchentlichen Proben auf. In Braunschweig finden sich nur wenige „große“ Ereignisse wie die kerntechnischen Unfälle in Tschernobyl oder Fukushima. Mehrheitlich sind es kurzzeitige oder nur in geringen Spuren aufgetretene Kontaminationen. Es kann sogar sein, dass an einem gegebenen Ort, an dem zwei Luftstaubproben gleichzeitig und genau gleich lange entnommen wurden, in einer Probe eine Auffälligkeit gemessen wird, während sich in der anderen Probe keine ersichtliche Kontamination nachweisen lässt. Dieses auf den ersten Blick verwunderliche Phänomen lässt sich jedoch erklären: Gasförmig vorliegende Radionuklide sind recht homogen in der Luft verteilt und gelangen daher in einem vergleichbaren Ausmaß in die Staubproben. Im Gegensatz dazu besteht bei nichtflüchtigen Radionukliden die Möglichkeit, dass, wenn sie in geringen Spuren an nur relativ wenigen Staubkörnern gebunden vorliegen, von einer homogenen Verteilung in der Luft keine Rede mehr sein kann. Es gibt auch Fälle, in denen winzige Partikel, die Spalt- oder Aktivierungsprodukte enthalten, über die Abluft einer kerntechnischen Anlage in die freie Atmosphäre gelangen. Solche Partikel sind in Fachkreisen als „heiße Teilchen“ (engl.: hot particles) bekannt. Der Begriff besagt nicht, dass diese Teilchen im eigentlichen Wortsinn heiß sind. Gemeint ist vielmehr, dass sie eine höhere spezifische Aktivität als die übrigen Teilchen in ihrer Umgebung besitzen. Zu Zeiten des frischen Kerwaffenfallouts oder unmittelbar nach dem Unfall von Tschernobyl waren sie deshalb leicht zu detektieren, analog zu einem heißen Teilchen, dass wegen seiner Wärmestrahlung leicht zu finden ist. Die in einem heißen Teilchen enthaltene spezifische Aktivität eines Radionuklides, angegeben z. B. in Bq/g, kann recht hoch sein. Dabei kann die gesamte Aktivität des Radionuklides sehr klein sein, besonders, wenn das Teilchen sehr wenig Masse hat.

Technology Transfer Announcements

Force Metrology

The measurement of forces in mechanical engineering, in aerospace and in the energy and building industries needs procedures to guarantee nominal values for force transducers up to 30 MN with suitable traceability. Newly developed force transfer standards, configured as a buildup system of several reference transducers, have therefore to be investigated. In addition, parasitic components and different loading effects will be analyzed in order to consider these effects if the devices are used in industrial applications.

Improving microfabrication by monitoring airborne molecular contamination

There is a clear demand from industry for the continuous measurement and control of airborne molecular contamination (AMC). Thus, in May 2013, a € 2.9 million project was started by the European Association of National Metrology Institutes for a 3-year period to improve the detection of AMCs. The project encompasses a multitude of national metrology institutes (NMI) and other stakeholders.

Large Volume Metrology in Industry

Large volume metrology (LVM) – the ability to measure the size, position, orientation and form of large objects or machine tools – is a critical requirement in many key industries in which the EU is globally competitive, such as in aerospace, automotive and civil engineering, and in power generation. This project aims to unleash the potential of LVM by tackling some of the fundamental issues which today still hold back significant further progress.

Vollversammlung für das Eichwesen 2013

Der Vizepräsident der PTB, Herr Prof. Dr. Peters,

eröffnete am 27. November 2013 die 145. Vollversammlung

für das Eichwesen (VV).

Im Rahmen des allgemeinen Teils der VV

hielten folgende Redner zu aktuellen Themen

Kurzvorträge:

  • Dr. Leffler, BMWi: „Das neue Mess- und Eichgesetz – Alter Wein in neuen Schläuchen oder alles ganz anders?“
  • Dr. Odin, PTB: „Kompetenznachweis der Eichbehörden durch Peer-Review und Begutachtung“
  • Dr. Weberpals, AGME: „Aktuelles aus dem Bereich der Eichaufsichtsbehörden“
  • Dr. Többen, PTB: „Eichrechtliche Anforderungen an Smart Meter Gateways (PTB-A 50.8)“