Natürliche Radioaktivität und Radon

Die natürlichen Strahlungsquellen
Darstellung kosmischer und terrestrischer Strahlung
Darstellung kosmischer und terrestrischer Strahlung

Die baubiologische Diskussion in Deutschland wurde ausgelöst durch eine Untersuchung des Bundesinnenministeriums in den 70er Jahren, über die der Untersuchungsbericht 1978 veröffentlicht wurde. Gemessen wurden seinerzeit die natürlichen Konzentrationen von Radium, Thorium und Kalium, und zwar in Häusern und in der Natur. Anlass für die vom Bundesinnenministerium in Auftrag gegebene Untersuchung war das Bestreben nachzuweisen, dass die Strahlung in der Umgebung von Kernkraftwerken geringer ist als die Strahlung, der der Mensch seit Jahrtausenden aus dem Kosmos, aus dem Erdreich und aus den Stoffen ausgesetzt ist, die ihn täglich umgeben. Die in der Umgebung von Kernkraftwerken gemessenen Strahlungswerte lagen erwartungsgemäß niedriger.

An dieser Stelle sei der Hinweis erlaubt, dass die Bevölkerung jedoch kaum Bedenken hinsichtlich der Strahlung einwandfrei funktionierender Kernkraftwerke hat, sondern den kleinen, mittleren oder großen Störfall und dessen Konsequenzen fürchtet. Einen Effekt hat der Untersuchungsbericht jedoch gehabt: Es gerieten eine Reihe von Baustoffen ungerechtfertigt und unverschuldet ins Schussfeld der Kritik.

Unsere Erde besteht im Inneren aus einem flüssigen Kern, der von einer 5 bis 40 km starken Erdkruste umgeben ist. Die Erdkruste, aus der heute unsere Baustoffe hergestellt werden, enthält neben einer ganzen Reihe von anderen chemischen Stoffen auch Uran und Thorium. Diese Stoffe sind radioaktiv, das bedeutet, sie können sich in andere Stoffe umwandeln und dabei Strahlung aussenden.

Grundsätzlich ist heute zwischen künstlicher und natürlicher Strahlenexposition zu unterscheiden.

Zur künstlichen
Strahlenexposition gehören:

  • Röntgendiagnostik und nuklearmedizinische Untersuchungen
  • Abstrahlungen von Kernkraftwerken allgemeiner Art
  • Abstrahlungen durch Störfälle
  • Strahlenexpositionen durch Atomversuche.

Die natürliche Strahlenexposition
teilt sich auf in eine:

  • Strahlenexposition von außen, die  so genannte  kosmische Strahlung , bei der hochenergetische Strahlung aus dem Weltall auf die Erde einfällt,
  • terrestrische Umgebungsstrahlung, die durch  die natürlichen Radionuklide im Erdboden, in Gesteinen  sowie  in der  Hydrosphäre  und  Atmosphäre natürlicherweise vorhanden sind,
  • Strahlenexposition von innen, bei der es sich  um  die  Aufnahme  von  Radionukliden durch Nahrung und dem Wasser in den menschlichen Körper handelt. Aber auch über die Inhalation der Luft kann es zur Aufnahme von Radionukliden kommen.

Neben der natürlichen Strahlenexposition, der alle Lebewesen unseres Planeten ausgesetzt sind, wurde in vielfacher Weise durch technologische oder zivilisatorische Eingriffe des Menschen in die Natur, die natürliche Strahlenexposition verändert. Veränderungen der natürlichen Strahlenexposition können unter anderem sein, eine Erhöhung der Strahlenexposition durch kosmische Strahlung, so z. B. bei interkontinentalen Flügen mit entsprechendem Abstand von der Erde, oder die Strahlenexposition durch Energieerzeugung, d. h. den Einsatz von Energierohstoffen wie Kohle, Öl, Gas, die bei ihrer Förderung aus dem Erdinnern an die Oberfläche gebracht werden und beim Verbrennen natürlich vorkommende Radionuklide freisetzen.

Ein weiterer Bereich der Strahlenexposition kommt durch den Einsatz verschiedenster Verbrauchsgüter so z. B. die Verwendung von Instrumenten mit Leuchtziffern, keramischen Gegenständen, Hochdruck-Quecksilberlampen, Zündvorrichtungen für Leuchtstoffröhren, aber auch durch die Haltbarmachung von Obst und Gemüse, die kurzzeitig bestrahlt werden.

Ein weiterer Bereich ist die durch den Menschen veränderte Strahlenexposition aufgrund des Einsatzes von Baustoffen. Verschiedene Baustoffe können aufgrund ihrer Konzentration an natürlicher Weise vorkommenden Radionukliden zu einer Erhöhung der natürlichen Strahlenexposition in Gebäuden führen. Diese Baumaterialien können in ihrer ursprünglichen Form vorliegen wie z. B. bei Bimsprodukten, Alaunschiefer, Tuffsteinen und Granit oder als Abfall- oder Nebenprodukte aus Industrieprozessen anfallen wie Phosphorit-Gips, Rotschlamm, Flugasche und Hochofenschlacke. Bei den genannten natürlichen Baumaterialien handelt es sich um Materialien, die erdzeitlich gesehen als junge Gesteine einzuordnen sind. Ablagerungsgesteine oder Sedimentgesteine wie z. B. Sand sind viel älter und haben eine erhebliche Menge ihrer Strahlung bereits abgegeben (Halbwertzeiten).

Alle mineralischen Grundstoffe, also auch die aus ihnen hergestellten Baustoffe, enthalten daher geringe Mengen radioaktiver Bestandteile. Natürliche Bestandteile sind das Radium, das Thorium und ein Kaliumisotop. Radioaktivität ist der Zerfall der Atomkerne. Bei diesem Zerfall entstehen neue Atome geringerer Masse bei gleichzeitiger Abgabe von Strahlung. Als spezifische Aktivität einer radioaktiven Substanz wird die Zahl der zerfallenen Atome eines Stoffes je Sekunde und kg bezeichnet. Sie ist von den genannten Elementen bekannt. Wird der Gehalt eines Baustoffes an Radium, Thorium und Kalium gemessen, so kann dessen spezifische Aktivität berechnet werden. Sie wird in Bq/kg (Becquerel pro kg) angegeben.

Mittlere Aktivitätskonzentration bei verschiedenen Baustoffen

Art des Baumaterials

Mittlere Aktivitätskonzentration in Bq/kg

40 K

226 Ra

232 Th

Bausand, Kies

260

15

15

Sandstein

190

19

19

Sonstige Natursteine

480

26

30

Kalksandstein, Porenbeton

220

19

19

Sonstige Kunststeine

370

33

30

Naturgips

70

< 19

< 19

Beton, Betonsteine

220

22

26

Verschiedene Zuschlagstoffe

220

22

15

Basalt

1400

41

52

Zement

150

52

52

Granit, Schiefer

1480

56

81

Ziegel, Klinker

630

67

63

Bimssteine

890

81

85

Schlackensteine

330

81

104

Chemiegips (Phosphorit)

70

520

< 19

Lithoid-Tuff (Italien)

1480

130

130

Hochofenschlacke

520

120

130

Flugasche

700

210

130

Rotschlammziegel

330

280

230

Alaunschieferbeton (Schweden)

850

1500

70

Mittlere effektive Jahresdosis der Bevölkerung Deutschlands
Mittlere effektive Jahresdosis der Bevölkerung Deutschlands

Diese allgemein anerkannte Formel ist sofern richtig, wenn es sich um Stoffe handelt, die in ihrer Rohdichte vergleichbar sind. Bei Stoffen mit stark differierenden Rohdichten wie z. B. Bims (0,5) und Ziegel (> 1,0) wird das dem Gewicht gegenüberstehende tatsächliche Volumen nicht berücksichtigt.

Beim radioaktiven Zerfall werden energiereiche Strahlungen ausgesendet. Treffen diese auf einen MaterieKörper, so wird Energie auf den Körper übertragen. Diese Energiemenge oder auch „Energiedosis“ wird in Gray (Gy) angegeben. Sie wird beim Eindringen in das Material geschwächt.

Die je Sekunde auf 1 kg eines Materie-Körpers übertragene Energie heißt „Energiedosisleistung“. Die Energiedosisleistung wird in Gy/s (Gray je Sekunde) oder als Langzeitwert in Gy/a (Gray je Jahr) angegeben. Trifft eine Energiedosis auf biologisches Gewebe, wird von der „Äquivalentdosis“ gesprochen. Die Äquivalentdosis wird in Sv (Sievert) angegeben und bedeutet die Energie von einem Joule, die auf 1 kg Gewebe wirkt (J/kg).

Die Äquivalentdosis wurde früher mit rem (radiation equivalent man) bezeichnet und betrug das 100fache eines Sieverts. Die Äquivalentdosisleistung beschreibt die Dauerwirkung von radioaktiver Strahlung auf biologisches Gewebe.

Die Äquivalentdosis beträgt z. B. bei:

  • Röntgendiagnostik ca. 1,5 J/kg
  • nuklearmedizinischen Untersuchungen (Mammographie) ca. 1,9 J/kg
  • die tödliche Strahlenexposition wird mit 4 bis 5 J/kg angenommen.

Tabelle zur Strahlendosis der Bevölkerung Deutschlands

Strahlenexposition

   Mittlere effektive Jahresdosis der Bevölkerung in mSv/a

unverändert, natürlich

1,1

- kosmische Strahlung   

     0,3

- terrestrische  Strahlung

     0,4

- inkorporierte Stoffe     

     0,4

verändert, natürlich    

1,3

- Fliegen in großen Höhen

  < 0,01

- Kohlekraftwerke          

  < 0,01

  - Bewohnen von Häusern

     1,3

    - externe γ-Strahlung

0,05

    - Inhalation von Radon

1,25

 künstlich                        

1,6

 - kerntechnische Anlagen

  < 0,01

- Stoffe in Technik etc.

  < 0,02

   - berufl. Strahlenexposition

  < 0,01

 - Kernwaffenversuche

  < 0,01

 - bes. Vorkommnisse   

  < 0,02

   - medizin. Anwendungen

     1,6

    - Nuklearmedizin 

< 0,02

      - Strahlentherapie 

< 0,02

       - Röntgendiagnostik

   1,5

Summe                         

4,0

Folgende Äquivalentdosisleistungen sollen verdeutlichen, welchen Strahlungen wir derzeit ausgesetzt sind:

  • natürliche Radioaktivität des Bodens ca. 1 mSv/a (Milli-Sivert pro Jahr)
  • im Schwarzwald bis ca. 20 mSv/a
  • in Massivhäusern ca. 0,5 mSv/a
  • in Fachwerkhäusern ca. 0,51 mSv/a
  • in Holzhäusern ca. 0,32 mSv/a
  • im Freien durchschnittlich 0,43 mSv/a.

Die gesamte mittlere Strahlenexposition der Bevölkerung der Bundesrepublik Deutschland beträgt etwa 4,0 mSv/a. Der Anteil der künstlichen Strahleneinwirkung ergibt sich dabei um etwa 1,6 mSv/a und wird fast ausschließlich von der Röntgendiagnostik verursacht. Die unveränderte natürliche Strahlung mit etwa 2,4 mSv/a beinhaltet die kosmische Strahlung mit etwa 0,3 mSv/a, die terrestrische Strahlung aus dem Erdreich mit etwa 0,4 mSv/a und die interne Strahlung durch inkorporierte radioaktive Stoffe mit ca. 0,4 mSv/a. Der unveränderte Dosisanteil, dem die Menschheit seit jeher ausgesetzt war, beträgt im Mittel zusammen 1,1 mSv/a. Darüber hinaus entfällt nochmals ca. die gleiche Menge (1,3 mSv/a) auf die durch menschliche Tätigkeiten veränderte natürliche Strahlenexposition, die fast ausschließlich auf das Bewohnen von Häusern zurückzuführen ist.

Die radioaktive Strahlung kann aus α-, β- oder γ-Strahlen bestehen. α-Strahlen sind zwar energiereich, haben aber wegen ihrer relativ hohen Masse nur eine Reichweite von wenigen cm in der Luft. Innerhalb dieser Reichweite ist die Wirkung der α-Strahlen dann allerdings groß. Bei inkorporierten, also in die Körper aufgenommenen radioaktiven Substanzen müssen deshalb die α-Strahlen berücksichtigt werden.

β-Strahlen haben nur eine geringe Masse und vergleichsweise einen niedrigen Energieinhalt und werden schon von dünnen Materialschichten wie einem Hemd abgefangen.

Der Energieinhalt der γ-Strahlen ist dem der β-Strahlen vergleichbar. Wegen ihrer Masselosigkeit haben sie trotzdem eine so große Tiefenwirkung, dass sie einen wesentlichen Beitrag zum Strahlenrisiko leisten.

Untersuchungsergebnisse zeigen, dass Baustoffe selbst nur in geringem Maße zur Strahlenexposition der Hausbewohner beitragen. Die immer noch praktizierte Beurteilung der Strahleneinwirkung von Baumaterialien hinsichtlich ihrer Konzentration an natürlich radioaktiven Stoffen ist aufgrund von Untersuchungsergebnissen nicht mehr vertretbar. Als wesentlich wird hingegen die Inhalation der kurzlebigen radioaktiven Folgeprodukte des Radons angesehen.

Radon

Schema der möglichen Quellen für die Radonkonzentration in Häusern und ihre Eintrittswege
Mögliche Quellen für Radonkonzentrationen im Haus

Radon ist gasförmig und kann also vom Ort seiner Entstehung entweichen. Damit kann sich auch die mit der Umwandlung verbundene Strahlung frei verteilen. Radon ist ein nichtbrennbares, farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Radon kann sich in Wasser lösen. Radon breitet sich über große Entfernungen durch Gestein und Erdreich aus.

Das radioaktive Edelgas Radon 222 (222Rn) hat eine Halbwertzeit von 3,8 Tagen und entsteht innerhalb der natürlichen Uran-Radium-Umwandlungsreihe durch α-Zerfall aus dem langlebigen Radiumnuklid Radium 226 (226Ra). Radon kann zu einem bestimmten Prozentsatz die Gesteinsmatrix verlassen und gelangt in das offene Porensystem (Emaniervermögen). Da die Edelgase durch feste Materie nicht diffundieren können, ist nur das so genannte "offene Porensystem", mit untereinander verbundenen Poren, die zur Außenluft hin geöffnet sind, von Bedeutung.

Ein Teil der Radonatome gelangt dann so durch Diffusion im Porensystem an die Grenzfläche zur freien Atmosphäre und wird an die Luft (Exhalation) abgegeben.







Nuklid

Halbwertzeit

Emittierte Stahlen

α

β

γ

Uran

238U

Radium

226Ra

1,6 × 10³ a

x

x

Radon

222Rn

3,823 d

x

x

Polonium

218Po

3,05 min

x

x

Blei

210Pb

22,3 a

x

x

x

Wismut

210Bi

5,01 d

x

x

Blei

206Pb

stabil

-

-

-

Für den Menschen schädlich sind nicht so sehr das Radongas selbst, sondern die radioaktiven Stoffe, die aus der Umwandlung des Radons entstehen. Radon wandelt sich in Luft weiter in seine radioaktiven Folgeprodukte Polonium (Po), Blei (Pb) und Wismut (Bi) um. Diese Schwermetalle lagern sich dann an Staubpartikeln und Aerosolen an und können über die lnhalation zu einer selektiven Bestrahlung des Bronchialepitels führen.

Baustoffe mit einem gegenüber den Mittelwerten leicht erhöhten Radionuklidgehalt z. B. Bims- oder Schlackensteine geben durch ihren Aufbau und ihre Struktur (abgeschmolzene Glaskugeln) jedoch bedeutend weniger Radon ab als beispielsweise hochporöse Baustoffe mit einem viel geringeren Radiumnuklidgehalt.

Radon dringt über 4 Wege in Wohnhäuser ein:

  • mit der Luft
  • aus Baustoffen
  • über das Trinkwasser
  • aus dem Boden; hier besonders über Risse im Mauerwerk und der Bodenplatte, über Kabel- und Rohrdurchführungen, durch Lichtschächte und Abwasserrohre und Entlüftungen.

Abhilfe schaffen bauliche Verbesserungen, z. B. eine Betonbodenplatte und exakt abgedichtete Rohrdurchführungen und während des Bewohnens ein öfteres Lüften der Räume.

Die deutsche Strahlenschutzkommission (SSK), ein unabhängiges Beratungsgremium des Bundesumweltministeriums, hat sich mit der Problematik der Radonexposition in Wohnungen befasst und dabei folgende Beurteilung abgegeben: "Es gibt einen bestimmten Bereich der Radonkonzentration, der als Normalbereich anzusehen ist. Als Obergrenze des Normalbereichs geht die SSK von einer Radonkonzentration von 250 Bq/m³ aus. Bei Häusern, in deren Wohnbereich der langzeitige Mittelwert der Radonkonzentration oberhalb von 250 Bq/m³ liegt, schlägt die SSK vor, zu prüfen, ob Sanierungsmaßnahmen mit vertretbarem Aufwand durchführbar sind. Bei besonders hohen Radonkonzentrationen sind unverzüglich Maßnahmen zu ergreifen."

Da der Beitrag der üblichen Baustoffe zur gesamten Strahlenexposition in Häusern relativ gering ist, sollten die Baumaterialien - wenn überhaupt - lediglich bei Radon Sanierungsmaßnahmen hinsichtlich ihrer abdichtenden Wirkung gegenüber Radondiffusion beurteilt werden.

Mehrere Untersuchungen an KLB-Wandbaustoffen beim Institut für Biophysik der Universität des Saarlandes in Homburg/ Saar haben ergeben, dass die natürlichen Konzentrationen an Radium, Thorium und Kalium sowie die Exhalation von Radongas durchschnittlich sind und keine Auffälligkeiten besitzen. Über die Untersuchungsergebnisse haben die Professoren Muth und Keller vom genannten Institut in mehreren Veröffentlichungen in Fachzeitschriften berichtet. Aus einigen dieser Veröffentlichungen sind nachfolgende Zitate entnommen: "Ein Vergleich der Konzentrationswerte in Bimsbaustoffen mit anderen Baumaterialien zeigt, dass Mauersteine, die als Zuschlagstoff Bims enthalten, keineswegs als Baustoffe angesehen werden dürfen, die eine gegenüber anderen vergleichbaren Baumaterialien erhöhte Eigenaktivität besitzen. Die Werte für Bimsbaustoffe liegen durchaus in der gleichen Höhe wie für andere herkömmliche Baustoffe.

Es zeigt sich, dass die Konzentrationen des Radons und seiner Folgeprodukte in den Räumen der Häuser, bei denen überwiegend Bimsbaustoffe verwendet wurden, gegenüber den Mittelwerten der Gesamtmessung nicht erhöht sind. Es existiert (im Übrigen) keine direkte Proportionalität zwischen dem spezifischen Radiumgehalt der Baustoffe und der Konzentration der Radon-Folgeprodukte in der Raumluft."

Von besonderem Interesse ist in diesem Zusammenhang eine Veröffentlichung von Dr. Reinhold Reiter, dem Direktor des Fraunhofer Instituts für Atmosphärische Umweltforschung in Garmisch-Partenkirchen, zum Thema "Natürliche Radioaktivität im Rauminneren, eine Gefahr?" Es handelt sich dabei um den Bericht über eine Untersuchung im Auftrag des Bundesbauministeriums. Aus dieser Veröffentlichung ist folgendes Zitat entnommen: "Es lassen sich andererseits keine Befunde für eine tatsächliche Schädigung bei solchen Personenkreisen nachweisen, welche sich über eine lange Zeit in Wohnungen oder Arbeitsräumen mit extrem erhöhter Radioaktivität im Baumaterial und in der Raumluft mit stark erhöhter Radon-Konzentration aufhalten. Es besteht folglich weder Grund für eine Beunruhigung der Bewohner solcher Zonen und Häuser noch für eine Belastung der Baustoff- bzw. der Bauindustrie durch zusätzliche Auflagen."

Ein weiteres Zitat entstammt der Bekanntmachung einer Empfehlung der Strahlen-schutzkommission, die durch das Innenministerium veröffentlicht wurde: "In Häusern mit erhöhter Radon-Konzentration ist die Hauptquelle der Radon-Zufuhr in diesen Häusern nicht die Radon-Exhalation der Baumaterialien, sondern die Radon-Zufuhr aus dem Boden. Es kann davon ausgegangen werden, dass erhöhte Radon-Konzentrationen in erster Linie in Häusern, die keinen ausreichend dichten Abschluss gegen die Radon-Zufuhr aus dem Boden haben, zu erwarten sind. Regelungen zur Begrenzung der Radon-Abgabe von Baumaterialien auf Grund der natürlichen Radioaktivität werden nach den vorliegenden Erkenntnissen nicht für erforderlich gehalten."

Diese Aussagen von Fachleuten bestätigen, dass von KLB-Baustoffen keinerlei Gefahr für das Wohlbefinden und die Gesundheit der Bewohner ausgeht.