1

1

Biologische Wirkung ionisierender Strahlung und natürliche Radioaktivität / Radon

Franz Josef Maringer

Low-Level Counting Laboratory Arsenal, Wien &

Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen, Wien

818027 Praxisseminar Strahlenschutz‘ S2014

Historische Entwicklung des Strahlenschutzes

• Wilhelm Conrad Röntgen 1895

• Antoine-Henri Becquerel 1896

• Pierre Curie 1899

• 1900: 170 Strahlenschäden dokumentiert

• 1922: 100 Radiologen

2

1.1 Historische Entwicklung des Strahlenschutzes

• ab 1925: Int. Radiologen-Kongress (jährlich)

• 1928:

• ICRP Publication 26 (1977)

• ICRP Publikation 60 (1991)

• ICRP Publikation 103 (2007)

1.1 Historische Entwicklung des Strahlenschutzes

• 1925: 1. Int. Radiologenkongress, London:

Ausschuss für „Messgrößen, Maßeinheiten und Normalmesseinrichtungen für Röntgenstrahlung“

3

1.1 Historische Entwicklung des Strahlenschutzes

• 1926: Behnken & Jaeger (PTR Berlin):

„Die absolute Einheit der Röntgenstrahlendosis wird von der Röntgenstrahlenenergiemenge geliefert, die bei der Bestrahlung von 1 cm³ Luft von 18°C Temperatur und 760 mm Quecksilberdruck bei voller Ausnutzung der in Luft gebildeten Elektronen und bei Ausschaltung von Wandwirkungen eine so starke Leitfähigkeit erzeugt, dass die bei Sättigungsstrom erzeugte Elektrizitätsmenge eine elektrostatische Einheit beträgt. Die Einheit der Dosis wird 1 Röntgen genannt und mit R bezeichnet.“

1.1 Historische Entwicklung des Strahlenschutzes

• 1926: Freiluft-Ionisationskammer

Strahleneintrittsblende

primäres Ionisationsvolumen

Sekundärelektronenbahn

4

• 1956: Health Physics Society

• 1966:

• UNSCEAR

• IAEA

• BIPM

Themenbereiche des Strahlenschutzes

• Wissenschaftliche Grundlagen – z.B. biologische Wirkung ions. Str.

• Standards, Regelungen, Recht

• Operativer Strahlenschutz = Praxis

• Aus- / Weiterbildung

• Messtechnik & Qualitätssicherung

• Emotionale, soziale & gesellschaftliche Aspekte

5

1.2 Themenbereiche des Strahlenschutzes

Wirkung ionisierender Strahlung auf biolog. Organismen

• Ionisation von Biomolekülen

• Radikale

• Wasserstoffperoxid

• Peroxisradikale

• DNA

• Keimzellen

6

Ionisierende Strahlung

Körperzellen

Keimzellen

Schäden bei bestrahlten Individuen Schäden bei Nachkommen

akute Schäden nichtmaligne Spätschäden

maligne Neoplasmen (Leukäme, Krebs)

genetische Schäden (Mutationen)

stochastische Schädendeterministische SchädenSpätschädenFrühschäden

2 - 20 μm 0,1 - 1 μm2 nm

Mensch: ca. 1014 Zellen, 23 Chromosomen, Gesamtlänge der verpackten DNA ca. 1 mnatürlicher Zellverlust pro Sekunde: ca. 3106

Genetische und cytologische Ausgangssituation

7

~ 20 h

G1-PhaseGap 1

G2 PhaseGap 2

S -Phase(Synthese)

G0-Phase

Mitose

Metaphase

Organismen zeigen unterschiedliche Strahlenempfindlichkeiten

• Es werden auch positive Strahlenwirkungen (bei niedrigen Strahlendosen) auf lebende Organismen durch Stimulation von Stoffwechselvorgängen und Anregung von zellulären Reparaturmechanismen beobachtet ‚Hormesiseffekte‘

8

15

Dosisgrößen & Einheiten

ICRP 1990

Organ or tissue

ICRP 1977

Fatal cancer [% Sv-1]

Fatal cancer [% Sv-1]

Lethality [% Sv-1]

Loss of life [y Sv-1]

Bladder - 0.30 50 9.8 Bone surface 0.05 0.05 70 15.0 Breast 0.25 0.20 50 18.2 Colon - 0.85 55 12.5 Liver - 0.15 95 15.0 Lung 0.20 0.85 95 13.5 Oesophagus - 0.30 95 11.5 Ovary - 0.10 70 16.8 Skin - 0.02 0.2 15.0 Stomach - 1.10 90 12.4 Thyroid 0.05 0.08 10 15.0 Red bone marrow

0.20 0.50 99 30.9

Remainder 0.50 0.50 71 13.7 SUB-TOTAL 1.25 5.0 - - Hereditary effects

0.4 1.0 - 20.0

TOTAL 1.65 7.2 [weighted]

9

Site-specific cancer mortality excess relative risk (ERR) and 90% confidence intervals, expressed in terms of risk for females age 30 at exposure.

18

10

19

20

11

21

Natürliche Radioaktivität / Radon

!

22

12

23

Radon 222

• Ordnungszahl: 86

• Massenzahl: 222

• Dichte (0°C, 105Pa): 9,73 g/l

• farbloses, geruchsloses Gas

• Wasserlöslichkeit• 0°C: 510 cm³/kg

• 20°C: 230 cm³/kg

• Diffusionskoeff. in Luft: 0,1 cm²/s

24

Uran-Radium-Umwandlungsreihe

13

25

Natürlich vorkommende Rn-Isotope

26

Radon + Folgeprodukte im Innenraum

14

27

Radonexposition 400 Bq/m³ in 70 Jahren (F=0,4)

Dosimetrisches Lungenmodell ICRP 66, 1994

Dosis/Exposition:0,05 mSv/(Bq.m-1.a)

Strahlenepidemiologie ICRP 60, 1991

Risiko/Dosis:5.10-2 Sv-1

Lebenszeit-Lungenkrebsrisiko

20 mSv.a-1

7 %

1.10-3 a-1

Bergarbeiter-Epidemiologie+

KorrekturenBergarbeiter Bevölkerung

Bergwerk Wohnung

Risiko/Exposition:1.10-4 /(Bq.m-1 .70a)

4 % 0 % bis 40 %

ICRP 50, 1987BEIR IV, 1988ICRP 65, 1993

Epidemiologische Studien der

Bevölkerung in Wohnungen

28

Relatives Lungenkrebsrisiko bei Bergarbeitern (aus Jacobi, 1996)

1 WL ~ 3800 Bq/m³ EEDC-Rn-222300 Monate = 10 Monate/a x 30 a

15

29

Ergebnisse von7 Fall-Kontroll-

Studien -Radonexposition in

Wohnungen (aus Jacobi, 1996)

30

Darby S, Hill D, Auvinen A, Barros-Dios JM, Baysson H, Bochicchio F, Deo H, Falk R, Forastiere F, Hakama M, Heid I, Kreienbrock L, Kreuzer M, Lagarde F, Mäkeläinen I, Muirhead C, Oberaigner W, Pershagen G, Ruano-Ravina A, Ruosteenoja E, Schaffrath Rosario A, Tirmarche M, Tomášek L, Whitley E, Wichmann HE, Doll R:

Radon in homes and risk of lung cancer: Collaborative analysis of individual data from 13 European case-control studies.

BMJ 330: 223-227; 2005

16

31

Darby et al., 2005

32

Darby et al., 2005

17

33

R.E. Thompson et al.

• Health Physics 94(3), 2008

• Fallkontrollstudie 200 Fälle / 400 Kontrollen

• Biopositive Effekte statistisch signifikant festgestellt – die Lungenkrebsinzidenz sinkt überproportional unter 100 Bq/m³ Rn-222:

ICRP 103 (2007) → IAEA BSS (2011) → EU BSS (2013)

34

• For existing exposure situations, reference levels for 222Rn should be expressed in terms of activity concentrations in becquerels per cubic metre.

• For dwellings(*), the BSS stipulates that the government shall establish a reference level that in general does not exceed an average annual activity concentration due to 222Rn of 300 Bq/m³.

• Based on current scientific knowledge and assuming an equilibrium factor for 222Rn of 0.4 and an annual occupancy rate of 7000 h, this corresponds to an annual effective dose of the order of 10 mSv (ICRP 2010).

• In the case of workplaces, the BSS requires that the national reference level must not exceed an average annual activity concentration for 222Rn of 1000 Bq m³. Assuming an equilibrium factor for 222Rn of 0.4 and an annual occupancy rate of 2000 h, this also corresponds to an annual effective dose of the order of 10 mSv.

18

35

Radon-Messtechnik

Radongas• Ionisationskammer

•Ladungsmessung/ Strommessung•Impulszählung (Alphaspektrometrie)

• passive Elektretdetektoren• Kernspurdetektoren• Aktivkohleadsorption

•LSC-Messung•Gammaspektrometrie

Folgeprodukte• Filtermethoden & Si-Surface-Barrier-Halbleiterdetektoren

•Alphaspektrometrie•Zählende Methoden

• Elektrostatische Abscheidung & SSB-Detektoren

36

Grenzwerte / Richtwerte

Begrenzung der durchschnittlichen Radonkonzentration in Innenräumen gemäß dem empfohlenen Richtgrenzwertder österreichischen Strahlenschutzkommission (1993):

• Bestehende Gebäude: 400 Bq/m³

• Neuzuerrichtende Gebäude: 200 Bq/m³

(Arbeitsplätze / EU-Richtlinie: 1000 Bq/m³ ?)

USA: 148 Bq/m³ (EPA-Richtwert)

BRD: 250 Bq/m³ (Richtwert)

CH: 1000 Bq/m³ (gesetzl. Grenzwert).

19

Neue Richtwerte 2010 ICRP/WHO/IAEA

37

• Konvergenz neuer Erkenntnisse

- Epidemiologische Studien bei Bergarbeitern (AlphaRisk)

- Pooling der epidemiologischen Studien Wohnbereich (Europa, Nordamerika, China -> weltweites Pooling)

- Adaptiertes dosimetrisches Modell

Verdoppelung des Risikofaktors (ICRP) !!!

(-> Anteil an durchschnittlicher Strahlenexposition in Österreich nun ~60% statt ~40%)

Neue Richtwerte 2010 ICRP/WHO/IAEA

38

bisher ab 2010

WHO at home < 1000 Bq/m³ < 300 Bq/m³

ICRP at homeat work

< 600 Bq/m³< 1500 Bq/m³

< 300 Bq/m³< 1000 Bq/m³

BSS IAEA at homeat work

< 200 – 400 Bq/m³< 1000 Bq/m³

< 300 Bq/m³< 1000 Bq/m³

BSS EU AltbautenNeubautenArbeitsplatz

< 400 Bq/m³< 200 Bq/m³

< 300 Bq/m³< 200 Bq/m³< 1000 Bq/m³

20

39

Radoneintritt und Strömung im Gebäude

p ~ 1...10 Pa

1...100 Bq/s

103-105 Bq/m³

102-103 Bq/m³

101-102 Bq/m³100-101 Bq/m³

40

Messung von Radon in Bodenluft

21

41

Radon im Boden - Oberösterreich

1

10

100

1000G

2

K2

G3

N1

K1

M2

G1

L2

N2

B1

A1

He

2

PO

2

SC

-2 S1

He

1

An

1

An

2

Fa

1

H2

P1

SC

- 1 S2

B2

L1

PO

1

H1 Gr

M1

Ob

2

Fa

2

Ro

2

KI -

2

Ro

1

KI -

1

Measuring position

Act

ivit

y co

nce

ntr

atio

n R

n-2

22 (

kBq

/m³)

Messposition

42

Geologie Österreichs

22

43

Radon

44

Radon in o.ö. Schulen

222Rn Bq/m³

20 40 60 200 400 600 2000 400010 100 1000

Su

mm

enhä

ufig

keit

%

0,20,5

12

5

10

2030

50

7080

90

95

9899

99,8316 Messungen

23

45

Radon in o.ö. Schulen

222Rn Bq/m³

20 40 60 200 400 600 2000 400010 100 1000

Su

mm

enhä

ufig

keit

%

0,20,5

12

5

10

2030

50

7080

90

95

9899

99,8

28 Messungen

46

Radonvorsorge bei Neubauten

• Gebäude- und Nutzungskonzeption

• Abdichten erdberührter Bauteile

• Abschottung des Kellerbereichs vom Wohnbereich

• Abschottung vertikaler Verbindungen zwischen den Geschoßen

• Dichte Gebäudehülle (dichte Fenster und Außentüren)

• Vorsorge für späteren Einbau einer Unterbodenabsauganlage im Bedarfsfall (Alterung der Abdichtmaterialien)

24

47

Gebäude- und Nutzungskonzeption

– Nutzung erdberührter Gebäudeteile

– Haupt- und Anschlußleitungen (z.B. Zählerkasten nicht im Kellergeschoß)

– Leitungsführung Wasser, Heizung, Elektro, Abwasser im Gebäude

– Lüftungskonzept oder Lüftungsanlage

– Stiegenhaus

– Erdkeller

48

Abdichten erdberührter Bauteile

– Keller ausgeführt als ‚Weiße Wanne‘:• Durchgehende Bodenplatte und Wände aus

wasserundurchlässigem Beton B 300 / WU gem. ÖNORM B 4200-10, mind. 30 cm stark

• Fugenband bei Arbeitsabschnitten vertikal oder horizontal ÖBV-Richtlinie 1999 für WU Betonbauwerke, DIN 1848

– Kunststofffolie unter der Bodenplatte und an den Kellerwänden

– Dichtungsbahnen aus Polymerbitumen / Elastomerbitumen, 5 mm stark

25

49

Einbau einer Unterboden-Unterdruckdrainage

50

Radonsanierung: Prinzipien

• Verdünnung mit Außenluft– Lüftungsplan

– Lüftungsanlage

• Abdichtmaßnahmen erdberührter Bauteile– Elastomerbitumen / Kellerboden

– Austausch / Neuaufbau erdberührter Bodenplatten

– Dichter Anschluß Bodenplatte / Wände

– Abdichtung von Installationsdurchführungen

• Haustechn. Beeinflussung des Druckgradienten– Unterbodenabsauganlage Unterdruck unter der Bodenplatte

– Zuluftanlage im Kellerbereich Überdruck im Kellerbereich

26

51

Beheizbares Zuluftgerät

52

Funktion Zuluftanlage

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

Sa 10

.3.0

1 12

:00

So 11.

3.01

0:0

0

So 11.

3.01

12:

00

Mo 1

2.3.

01 0

:00

Mo 1

2.3.

01 1

2:00

Di 13.

3.01

0:0

0

Di 13.

3.01

12:

00

Mi 1

4.3.

01 0

:00

Mi 1

4.3.

01 1

2:00

Do 15.

3.01

0:0

0

Do 15.

3.01

12:

00

Fr 16.

3.01

0:0

0

Fr 16.

3.01

12:

00

Sa 17

.3.0

1 0:

00

Sa 17

.3.0

1 12

:00

So 18.

3.01

0:0

0

So 18.

3.01

12:

00

Ra

do

nk

on

zen

tra

tio

n in

Bq

/m³

außerhalb der Betriebszeit

während der BetriebszeitMittelwert Gesamt: 1975 Bq/m³Mittelwert Betrieb: 384 Bq/m³

27

53

Radionuklide in der UmweltKosmische Elementsynthese

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

4000

4400

4800

5200

5600

6000

6400

Di,28.01.03

08:00

Di,04.02.03

08:00

Di,11.02.03

08:00

Di,18.02.03

08:00

Di,25.02.03

08:00

Di,04.03.03

08:00

Di,11.03.03

08:00

Di,18.03.03

08:00

Di,25.03.03

08:00

Di,01.04.03

08:00

Di,08.04.03

08:00

Di,15.04.03

08:00

Di,22.04.03

08:00

Di,29.04.03

08:00

Zeit

Rad

onko

nzen

trat

ion

Bq/

m³

Radonsanierung eines o.ö. Kindergartens

54

www.ages.at

Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit GmbH & Bundesamt für Ernährungssicherheit1220 Wien, Spargelfeldstrasse 191

28

55

56

29

57

Radon: Ein fachübergreifendes,

wissenschaftlich & gesellschaftlich spannendes Thema !!!

• Physik

• Messtechnik

• Geologie

• Geochemie

• Bautechnik

• .....

• Biologie

• Medizin

• Geographie

• Bodenkunde

• Soziologie

• …..