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Frage 140: Theoretisches Gedankenexperiment zur Ortsdosisleistung des radioaktiven Inventars
Im Rahmen der Kommentierung der Antworten zu den TFS-Fragen 111 bis 120 hat der Fragesteller festgehalten, dass mit den vorliegenden Antworten seine übergeordnete Frage nach dem theoretischen Gefährdungspotential nicht oder nur teilweise beantwortet wurden. Entsprechend hat er im Rahmen der Rückmeldung fünf ergänzende Fragen (TFS-Frage 138 bis 142) eingereicht.
Abgeleitet aus den TFS-Fragen 111, 113, 114, 115 und 119 sowie losgelöst von Szenarien stellt sich folgende Frage:
Für ein unrealistisches und theoretisches Gedankenexperiment wird angenommen, dass das Aktivitätsinventar der OFA auf der kreisförmigen Fläche von 1 km2 gleichmässig verteilt werde. Die Fachgruppe der RK ZNO bittet das TFS die Ortsdosisleistung in Funktion der Zeit und der Höhe über Boden innerhalb der Fläche auszuweisen.
In Frage 140 wird für ein unrealistisches und theoretisches Gedankenexperiment angenommen, dass das Aktivitätsinventar der OFA auf der kreisförmigen Fläche von 1 km2 gleichmässig verteilt werde. Eine kreisförmige Fläche von 1 km2 entspricht 1’000’000 m2, also einem Kreisradius von 564 Metern. Als Inventar wird die Aktivität von 137Cs von 3.3·1015 Bq betrachtet. Pro Quadratmeter entspricht dies einer Aktivität (Bq/m2) von 3.3·1015 Bq / 1’000’000 m2 = 3.3·GBq/m2.
Man nimmt an, dass sich eine Person im Zentrum der kontaminierten Fläche befindet. Da die Dosis mit dem Quadrat der Distanz abnimmt, tragen die von der Person weit entfernt liegenden Teile der Fläche nur wenig zur Dosis bei (Figur 140-1):
In der unten diskutierten Berechnung der Dosis durch externe Bestrahlung für das hypothetische Gedankenexperiment wird angenommen, dass das Aktivitätsinventar eines Endlagerbehälters gefüllt mit 4 DWR-Brennelementen auf der kreisförmigen Fläche von 1 km2 gleichmässig verteilt wurde. Die berechnete Dosis im Zentrum dieses Kreises nimmt als Funktion der Höhe über Boden schnell ab (Figur 140-2). Falls das maximale Inventar einer Oberflächenanlage (OFA) in einem weiteren Gedankenexperiment ebenfalls auf der kreisförmigen Fläche von 1 km2 gleichmässig verteilt würde, wäre die Dosis rund 300mal grösser (siehe auch Antwort zu Frage 138).
Für die Dosisleistung der Direktstrahlung im Gedankenexperiment ist nur der Beitrag der γ-Strahlen zu berücksichtigen, da α- und β-Strahlen über kurze Distanzen gestoppt werden. Wenn γ-Strahlen aus 137Cs durch ein Medium gehen, werden sie abgeschwächt. Legt ein γ-Strahl mehr als 250 m in trockener Luft zurück, sinkt seine Intensität auf ein Zehntel der ursprünglichen Stärke ab.
Die Resultate der Dosisberechnung für das Gedankenexperiment werden in Figur 140-2 gezeigt. Es wurde die hypothetische Dosis ohne Abschwächung (blaue Linie) und mit Abschwächung durch die Luft (orange Linie) berechnet. Im Zentrum des im Gedankenexperiment kontaminierten Gebiets ergibt sich eine berechnete Dosis von rund 8 mSv/Stunde unter der Berücksichtigung der Abschwächung in der Luft.
In der Frage 140 wurde zusätzlich gefragt, wie gross die Dosis über der betrachteten Fläche ist. Hier ist wiederum darauf hinzuweisen, dass die Dosis schnell abfallen wird, wenn die Distanz zur radioaktiven Quelle erhöht wird. Zusätzlich wird von 137Cs abgegebene Strahlung beim Durchgang durch Luft stetig abgeschwächt. Der Verlauf der Dosis als Funktion der Höhe über Grund ist in Figur 140-2 dargestellt. Da 137Cs eine Halbwertszeit von rund 30 Jahren hat, fällt die Dosis ebenfalls, wie in Figur 139-4 und 139-5 gezeigt, innerhalb von 300 Jahren stark ab.
Um sich ein realistisches Bild der zeitlichen Entwicklung der Strahlenbelastung machen zu können, sind die Beobachtungen nach dem Tschernobyl-Reaktorunfall 1986 sehr nützlich. Hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs dieses Gedankenexperiments stützt sich das ENSI in seiner Antwort auf die Angaben des BAG, die anlässlich des 20. und 30. Jahrestags des Reaktorunfalls in Tschernobyl veröffentlicht wurden. Am 26. April 1986 um 1:24 Uhr Lokalzeit explodierte der Block Nr. 4 des russischen Kernkraftwerks Tschernobyl. Dabei geriet der Reaktor ausser Kontrolle, wurde vollständig zerstört und brannte während zehn Tagen. Es wurden grosse Mengen radioaktiver Stoffe freigesetzt. Die hohe freigesetzte Radioaktivität wurde hauptsächlich in den heutigen Staaten Ukraine, Weissrussland und Russische Föderation abgelagert, ein Teil gelangte jedoch nach Westen, so dass ab dem 30. April 1986 auch die Schweiz betroffen war.
Figur 140-3 zeigt die geographische Verteilung der Cäsium-Ablagerungen in der Schweiz nach dem Unfall von Tschernobyl. Da beim Durchzug der radioaktiven Wolke im Tessin heftiger Regen fiel, wurde in dieser Region am meisten Radioaktivität auf Boden und Pflanzen abgelagert, nämlich bis etwa 50’000 Bq 137Cs pro m2. Etwas weniger betroffen waren der Bodenseeraum mit bis 10’000 Bq pro m2 und einzelne Gebiete des Juras; in der übrigen Schweiz waren die Ablagerungen mit bis einige 1000 Bq pro m2 geringer als diejenigen der oberirdischen Kernwaffenversuche der 50er und 60er Jahre.
Zur Strahlendosis haben drei Radionuklide am meisten beigetragen: das kurzlebige Jod-131 mit einer Halbwertszeit von acht Tagen sowie die beiden Cäsium-Nuklide 134Cs und 137Cs mit Halbwertszeiten von zwei beziehungsweise 30 Jahren. Im ersten Jahr nach dem Unfall lag die durchschnittliche Strahlendosis der Schweizer Bevölkerung durch diesen Unfall bei 0,2 mSv (milli-Sievert, mSv, ist die Einheit für die Strahlendosis).
Der Hauptbeitrag wurde durch den Konsum von mit Cäsium-Nukliden und Jod-131 kontaminierten Lebensmitteln verursacht. In den am meisten betroffenen Regionen – und dort insbesondere bei Selbstversorgern – waren die Strahlendosen bis etwa zehnmal so hoch wie in den übrigen Gebieten der Schweiz; diese Werte wären höher ausgefallen, wenn die Personen die Empfehlungen der Behörden nicht befolgt hätten.
Das BAG beschreibt den Zeitverlauf der Dosisleistung in seinem Webartikel Tschernobyl – 30 Jahre danach wie folgt: „Die vor dem Unfall von Tschernobyl vorgenommenen Messungen an Umweltproben zeigen einen schwachen Beitrag der künstlichen Radionuklide zur externen Strahlenbelastung der Bevölkerung. Dabei handelt es sich um Rückstände von Cäsium-137 aus den Kernwaffenversuchen der 1950er und 1960er Jahre. Im Mai 1986 wird ein drastischer Anstieg dieser künstlichen Strahlenbelastung infolge der Ablagerung von radioaktiven Partikeln aus Tschernobyl festgestellt. Aufgrund des raschen Zerfalls der kurzlebigen Radionuklide ist im Sommer 1986 eine schrittweise Verminderung der Werte zu beobachten. Danach verlangsamt sich der Rückgang der Kontamination, bedingt durch die längeren Halbwertszeiten der Cäsium-Isotope, insbesondere Cäsium-137 mit seiner Halbwertszeit von 30 Jahren. Cäsium-137 kann noch heute nachgewiesen werden.“
Im Falle des in der Frage angesprochenen unrealistischen Gedankenexperiments ist grundsätzlich von einem ähnlichen Abklingen der Aktivität auszugehen. Das Nuklid 137Cs mit einer Halbwertszeit von 30 Jahren würde im Gedankenexperiment auf einer Fläche von 1 km2, also 106 m2 verteilt. Ein Endlagerbehälter enthält rund 3,4×1015 Bq, was eine Kontamination von 3,4×109 Bq/m2 ergäbe. Dieser Wert läge rund 100’000mal über den 1986 im Tessin gemessenen Werten von 50’000 Bq/m2. Entsprechend höher wären die Auswirkungen. In Figur 140-4 ist der Zeitverlauf der Dosisleistung am Beispiel der Messungen von 1986 bis 2016 in Caslano (Tessin) dargestellt. Die durch den Reaktorunfall Tschernobyl eingebrachten zusätzlichen Nuklide (blauer Anteil) fielen innerhalb ^von rund 20 Jahren auf die Werte vor dem Reaktorunfall zurück. Dies ist neben dem Zerfall von 137Cs auch darauf zurückzuführen, dass 137Cs in tiefere Bodenschichten eingedrungen ist und dessen Konzentration durch Auswaschung über die Jahre verdünnt wurde. Die durch 137Cs verursachte Dosisleistung nimmt deswegen schneller ab, als der durch die 137Cs -Halbwertszeit von rund 30 Jahren bestimmte Abbau.