Andreas Kühar - CBRN-Schutz in der Gefahrenabwehr

Die aus dem ABC-Begriff stammenden atomaren Gefahren werden heute in der zivilen Gefahrenabwehr unterschieden in Gefahren radiologischen (R) Ursprungs durch die Freisetzung energiereicher, ionisierender Strahlen (Radioaktivität) ausgehend von radioaktiven Stoffen, die unfallbedingt oder durch vorsätzliche Freisetzung ohne Abschirmung vorliegen, und nuklearen (N) Gefahren, die aus nuklearen Kettenreaktionen herrühren, z. B. durch Kernwaffenexplosionen oder unkontrollierte Vorgänge bei der Energiegewinnung mittels Kernbrennstoffen.

Physikalisch betrachtet handelt es sich hier um Kernvorgänge instabiler Atome (Radionuklide), die sich unter Emission von Teilchen (Teilchenstrahlung) spontan in andere Kerne umwandeln (radioaktiver Zerfall). Dieser Vorgang ist häufig mit der Energieabgabe in Form elektromagnetischer Wellenstrahlung verbunden. Zwar erfolgt der radioaktive Zerfall spontan, allerdings ist die Geschwindigkeit der Umwandlung für die jeweiligen Radionuklide charakteristisch. Die Zeitspanne, in der 50 Prozent der Atomkerne eines Radionuklids zerfallen sind, wird als Halbwertszeit (HWZ) bezeichnet.

Tabelle 1: Technisch genutzte Radionuklide

RadionuklidElementsymbolHalbwertszeitVerwendung

Bei radiologischen Gefahrenlagen stehen die α-Strahlung, die β-Strahlung (β-, β+) sowie die γ-Strahlung im Vordergrund.

Die α-Strahlung ist eine Korpuskularstrahlung, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen (dem Kern des Heliumatoms) besteht, welche aus dem Atomkern emittiert werden. Die α-Strahlung ist sehr energiereich und in Lage, beim Zusammenstoß mit Atomen aus diesen Elektronen herauszuschlagen und sie damit zu ionisieren. Aufgrund der Größe der α-Teilchen ist beim Durchtritt durch Materie ein Zusammenstoß mit anderen Atomen wahrscheinlich. Durch den dabei auftretenden Energieverlust hat α-Strahlung nur eine sehr geringe Reichweite (in Luft wenige Zentimeter). Daher sind Kontaminationen mit α-Strahlern unter Einsatzbedingungen nur schwer feststellbar. Zwar wird im Zuge des α-Zerfalls häufig auch γ-Strahlung emittiert, allerdings nicht bei allen α-Strahlern. Bei Verdacht auf eine Kontamination müssen deshalb Proben für eine Laboruntersuchung entnommen werden. α-Strahlung ist monoenergetisch und charakteristisch für das betreffende Radionuklid. Sie kann daher mit Labormethoden zur Substanzidentifizierung herangezogen werden.

Die β-Strahlung ist eine Korpuskularstrahlung, bei der negativ geladene Elektronen (β --Zerfall) aus dem Atomkern emittiert werden. Sie entsteht durch Umwandlung von Neutronen in Protonen unter Emission eines Elektrons. Elemente, deren Atomkerne einen Neutronenüberschuss aufweisen, sind β --Strahler. Häufig führen β --Zerfälle zu angeregten Tochterkernen, die durch Abgabe ihrer überschüssigen Energie in Form eines Gammaquants / Photons erst in den Grundzustand übergehen können.

Wesentlich seltener wird der β +-Zerfall unter Ausstoß eines Positrons aus dem Kern beobachtet. Trifft ein Positron auf ein Hüllenelektron, kommt es zu einer Auslöschung unter Abgabe von γ-Strahlung. Positronenstrahler finden im klinischen Bereich Anwendung (PET-CT-Gerät).

Die γ-Strahlung stellt eine elektromagnetische Wellenstrahlung dar, die von angeregten Atomkernen beim Übergang in einen energetisch günstigeren, stabilen Grundzustand emittiert wird. Sie tritt häufig im Anschluss an einen α- oder β-Zerfall auf. Die Energieabgabe erfolgt in Form von γ-Quanten (Photonen) mit typischen Energien von 200 Kiloelektronenvolt (keV) bis 2.000 keV. Im Gegensatz zur Korpuskularstrahlung kann die γ-Strahlung nicht vollständig abgeschirmt werden, sondern lässt sich lediglich abschwächen.

Im Gegensatz zur aus dem Kern von Radionukliden emittierten γ-Strahlung, wird die Röntgenstrahlung durch Anlegen elektrischer Energie an eine Röntgenröhre gebildet. Dabei werden Elektronen auf eine Wolframplatte geschossen und darin abgebremst. Die dabei frei-werdende elektromagnetische Wellenstrahlung weist Energien zwischen 10 und 100 keV auf und liegt damit um den Faktor 20 niedriger als die der γ-Strahlung. Die Röntgen-Strahlung wird nur emittiert, solange eine Spannung an der Röntgenröhre anliegt.

Bei nuklearen Gefahrenlagen spielt neben α-, β- und γ-Strahlung auch die Neutronen-Strahlung eine wesentliche Rolle. Neutronenstrahlung besteht aus ungeladenen Teilchen (Neutronen) und entsteht insbesondere bei Kernspaltung- und Kernfusionsprozessen. Neutronen-Strahlung gehört wie γ-Strahlung zu der indirekt ionisierenden Strahlung. Neutronen sind nicht geladen und können nur durch Stoßprozesse mit anderen Atomen wechselwirken. Die Neutronenstrahlung wird zivil in Nuklidgeneratoren zur Erzeugung von Radionukliden in Forschungseinrichtungen sowie in der Troxler-Sonde zur Bestimmung des Wassergehalts in Asphalt genutzt. Großtechnisch erfolgt die Nutzung in Kernreaktoren. Bei Störfällen ist durch sie keine Auswirkung über das Reaktorinnere hinaus zu erwarten.

Die Anfangsstrahlung einer Kernwaffendetonation besteht zu einem wesentlichen Anteil aus Neutronenstrahlung.

Treffen α- oder β-Teilchen auf Atome, können sie Elektronen aus deren Hülle herausschlagen, wodurch die Atome ionisiert werden. α- und β-Strahlung sind somit direkt ionisierende Strahlung. Die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes ist bei α-Teilchen etwa hundertmal höher als bei β-Teilchen. Da die Teilchen durch diese Ionisationsvorgänge ihre Energie verlieren, kommen sie, abhängig von der Dichte des durchstrahlten Materials, nach einer bestimmten Distanz zum Stehen.

Der mittlere Energieverlust von α-Strahlung bei Durchtritt durch (trockene) Luft beträgt zirka 100 keV/mm, dementsprechend beschränkt sich die Reichweite von α-Strahlung in Luft pro MeV Strahlungsenergie zirka ein Zentimeter, (bei gängigen α-Strahlern maximal sechs Zentimeter). In dichteren Materialien (Aluminiumfolie) beträgt die Reichweite weniger als ein Millimeter. Die geringe Reichweite der α-Strahlung macht den Nachweis unter Einsatzbedingungen schwierig.

Ein positives Messergebnis gilt als Nachweis; ein negatives Messergebnis kann jedoch nicht als Ausschluss einer Kontamination mit α-Strahlern gewertet werden.

Die β-Strahlung tritt mit den Elektronen des bestrahlten Materials in Wechselwirkung. Aufgrund der wesentlich geringeren Masse der β-Teilchen wirkt diese weniger stark ionisierend als die α-Strahlung. Allerdings dringt sie dadurch auch tiefer in Materie ein, was bei der Abschirmung zu beachten ist. Abhängig vom Energiemaximum der β-Strahlung beträgt die Reichweite in Luft weniger als zehn Meter, in dichterem Material ist sie deutlich niedriger.

Tabelle 2: Die Eindringtiefe der β-Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Energie

RadionuklidEnergie der β-StrahlungReichweite in LuftReichweite in PlexiglasVerwendung