GEOTHERMISCHE ENERGIE Strahlenschutz bei der ... · Deutschland bisher 55 t radioaktiv belasteter Materialien mit einer beurteilungsrelevanten Gesamtaktivität von 10 GBq angefallen

G E O T H E R M I S C H E E N E R G I E

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Strahlenschutz bei der Nutzbarmachungder geothermischen Energie

AUTOREN

Detlev DegeringJörg DillingJoachim DöringMonika EbertSebastian FeigeKerstin FleischerRainer Gellermann

DANK

Die Schriftleitung dankt Matthias Köhler und DetlevDegering für ihren Einsatz und ihre Mitarbeit bei der Pla -nung und Gestaltung dieses Schwerpunkts. Sie kümmertensich auch um die Auswahl und Zusammenstellung der Unter-themen und die Gewinnung und Betreuung der fachkundigenAutoren. Unser besonderer Dank gilt allen beteiligten Autorenfür die tätige Bereitschaft zur Mitarbeit und für ihre kompe-tenten Beiträge.

ZUSAMMENFASSUNG

Die bei der Energiegewinnung mithilfe der Tiefen Geothermienotwendigen Strahlenschutzmaßnahmen werden beschrieben,und zwar zum einen bei Betrieb und Wartung in der Anlageselbst, zum anderen bei der fach- und gesetzesgerechten Entsorgung radioaktiven Abfallmaterials, der sogenannten„Scales“.

SUMMARY

Radiation Protection When Gaining GeothermalEnergyThe radiation protection measures are described that arenecessary when gaining geothermal energy. This concerns on the one hand radiation protection during operation andservicing the installations themselves, on the other hand thecompetent transport and disposal of radioactive wastes, the so-called scales, according to the applying rules.

T i e f e G e o t h e r m i e – E i n n e u e s A r b e i t s f e l d d e s S t r a h l e n s c h u t z e s

Bei der Nutzung der Tiefen Geothermie mit hochsalinen Fluiden(> 100 g l–1) ab Fördertiefen von > 2.000 m können sich in den oberirdischen Anlagenteilen TENORM-Ablagerungen bilden, die natür -liche Radionuklide (226Ra, 210Pb, 228Ra und 228Th) mit erhöhten spe-zifischen Aktivitäten von bis zu 3.000 Bq g–1 enthalten.Aufgrund der Erfahrungen mit Mengen und spezifischen Aktivitäten inausgewählten Anlagen des Norddeutschen Beckens und des Oberrhein-grabens ergibt sich, dass die dort anfallenden Betriebsabfälle unterBerücksichtigung der StrlSchV beseitigt und die Strahlenexposition für die Beschäftigten abgeschätzt werden müssen. Insgesamt sind inDeutschland bisher 55 t radioaktiv belasteter Materialien mit einerbeurteilungsrelevanten Gesamtaktivität von 10 GBq angefallen.Die Tiefe Geothermie kommt in der StrlSchV bisher nicht explizit vor.Wie die deutsche Strahlenschutzgesetzgebung zukünftig den Umgangmit den Rückständen/Materialien aus der Geothermie regeln wird, istnoch nicht absehbar. Die aktuell vorliegende Richtlinie 2013/59/Euratom, umzusetzen in deutsches Recht bis 2018, nennt unter ande-rem die „Gewinnung geothermischer Energie“ als einen bzgl. derExposition durch natürlich vorkommende radioaktive Materialien zuprüfenden Industriezweig. Das Dosiskriterium hierfür ist nach wie voreine effektive Dosis von 1 mSv/a. Das Schwerpunktthema „Strahlen-schutz bei der Nutzbarmachung der geothermischen Energie“ fasstdaher den gegenwärtigen Kenntnisstand in diesem für den Strahlen-schutz neuen Arbeitsfeld zusammen.

Ulrike HaberlauP. Andrew KaramMatthias KöhlerJürgen MielcarekKristin NickstadtSimona Regenspurg

Strahlenschutz_3-2014_01-57:Inhalt 13.08.2014 11:58 Uhr Seite 3

S T R A H L E N S C H U T Z P R A X I S 3 / 2 0 1 4

Fluide der Tiefen GeothermieAls Resultat des Wärmeflusses steigtdie Temperatur in der Erdkruste imMittel um 30 bis 40 °C je km Tiefe. Der Bereich bis maximal 400 m Tiefebei Temperaturen bis max. 25 °C wirddurch die oberflächennahe Geother-mie hauptsächlich für die Kli ma ti sie -rung von Ein zel ge bäu den ge nutzt. Eine

effektive Nutzung fürdie Produktion elektri-scher Energie bzw. fürdie direkte Einspeisungin Fernwärmenetze er -for dert jedoch Tempera-turen > 100 °C, die in den sogenannten Nie-

derenthalpie-Lagerstätten Deutschlandserst ab etwa 3 Kilometer Tiefe ange-troffen werden.Voraussetzung für den Transfer geo -ther mi scher Energie aus Tiefen voneinigen Kilometern zur Erdoberflächeist das Vorliegen eines Fluids als Trans-portmedium. Ein hohes geothermi-sches Potenzial haben daher geologi-sche Formationen mit einem großenAnteil an Fluidvolumen sowie einemguten hydraulischen Transportverhal-

ten. Beispiele dafür sind Aquifere inporösen Sandsteinformationen. Beinicht ausreichender Wasserwegsam-keit werden durch hydraulische bzw.chemische Stimula tions maßnahmenkünstliche Fließwege zur Verbesse-rung der Aquifereigenschaften geschaf-fen (Enhanced Geothermal Systems –EGS). Neben porösen Formationenkann auch die Wärme des kristalli-nen Festgesteins genutztwerden, die Was ser füh -rung er folgt dort übervorhandene bzw. stimu-lierte Kluftsysteme.In Abbildung 1 ist dasFunktionsschema einerAnlage der Tiefen Geo -thermie dargestellt. Aus einem porö-sen Aquifer wird heißes Wasser beiFließraten > 50 l/s in der Förderboh-rung gepumpt und – nachdem über

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N a t ü r l i c h e R a d i o n u k l i d e i n A n l a g e n d e r T i e f e n G e o t h e r m i e D e u t s c h l a n d s – H e r k u n f t u n d A u f t r e t e n

Geothermieanlagen nutzen zwei praktisch unerschöpfliche Energiereservoire.Dies ist zum einen der Wärmefluss aus Erdmantel und -kern, der ursprüng-lich aus dem gravitativen Prozess der Planetenbildung vor ca. 4,7 MilliardenJahren herrührt. Die andere Quelle ist die kontinuierliche Wärmeproduktionals Folge von Zerfallsprozessen der natürlichen Radionuklide in der Erd-kruste. In der Summe ergibt sich ein Wärmefluss durch die Erdoberfläche in der Größenordnung von mehreren 1013 W [1], von denen 50 bis 70 %aus radioaktiven Zerfällen gespeist werden. Seine Konstanz bedingt dieAttraktivität der Nutzung geothermischer Energie als grundlastfähige Ener-gieerzeugung gegenüber anderen diskontinuierlichen Trägern erneuerbarerEnergien.

Temperaturen> 100 °C

erforderlich

„ThermischenKurzschluss“vermeiden

Abb. 1: Schema einer Anlage der Tiefen Geothermie; nach [2], ergänzt



Wärmetauscher die Energie für Strom-erzeugung bzw. Heizzwecke entnom-men wurde – das abgekühlte Wasser in einer Injektionsbohrung wieder ver-presst (geothermische Dublette). ImAquifer beträgt die Entfernung derBohrungen einige Kilometer, sodassein „thermischer Kurzschluss“ derDublette vermieden wird.Regionen in Deutschland, die für dieNutzung der Tiefen Geothermie geeig-nete geologische Formationen aufwei-sen, sind in Abbildung 2 dargestellt.Geologisch gesehen werden im Nord-deutschen Becken vorrangig Sandstein-formationen des Trias und des Juragenutzt, von geringerer Bedeutung sindSedimente des Perms und der Kreide.Im Oberrheingraben liegt der Schwer-punkt auf der Nutzung von stimulier-baren Formationen des Trias, währendim Molassebecken im Wesentlichender Malm (Oberer Jura) als Nutzaqui-fer dient [4]. Dementsprechend unter-schiedlich stellt sich die Geochemieder geförderten Fluide dar. Tiefenwäs-ser des Norddeutschen Beckens sindhauptsächlich hochsaline, Natrium-Kalzium-Chlorid-dominierte Fluidemit Salinitäten im Bereich 10 bis 330 g/l [5]. Ein hoher Mineralisations-grad ist ebenfalls für die Wässer desOberrheingrabens typisch. Hier werdenfür Natrium-Kalium-Kalzium-Chlo-rid-Tiefenfluide Salinitäten im Bereich10 bis 130 g/l erreicht [6]. Dagegen weisen die Wässer des Molassebeckensdurchweg geringe Gesamtmineralge-halte von 0,4 bis 12 g/l auf [7].Die Wärme des kristallinen Festge-steins wird in Deutschland noch nichtgenutzt. Als Modellsystem dafür kanndie EGS-Anlage im elsässischen Soultz-sous-Forêts dienen, deren Thermalwas-ser aus stark geklüftetem Granit geför-dert wird. Das Fluid ähnelt in seiner Zu -sammensetzung den salinen Tie fen wäs -sern des Oberrheingrabens. Da generellin Wässern des tiefen Kristallins er -höhte Salinitäten nachgewiesen wurden[8], ist es sehr sinnvoll, die Er kennt -nisse über hochmineralisierte Fluide

auch auf zukünftige vergleichbare An -lagen in Deutschland zu übertragen.

Natürliche Radionuklide in GeothermiefluidenBetrachtet man die Aktivitätskonzen-trationen der charakteristischen Ra -dium-Isotope 226Ra und 228Ra in Flui-den aus Geothermieanlagen (Abb. 3),so erkennt man deutlich eine Bezie-hung zum Chemismus der Wässer.Die salinen Wässer des NorddeutschenBeckens und des Oberrheingrabensweisen um Größenordnungen höhereRadium-Gehalte auf als die geringmineralisierten des Molassebeckens.Dabei entsprechen die Isotopenver-hältnisse der erstgenannten Wässerdem durch die Zerfallsreihen vorgege-benen Muster, während im Malmkalk-stein eine 226Ra-Anreicherung auftritt.

In diesem Beitrag wird auf eine detail-lierte Beschreibung der Radionuklid -gehalte in Malmwässern verzichtet, da dort keine strahlenschutzrelevantenFragestellungen auftreten.Abbildung 4 zeigt die für saline Geo -thermiewässer typische Radionuklid-zusammensetzung, hier am Beispieldes Fluids der An lage Neustadt-Glewe.Das Isotopenmuster istdurch starke radioaktiveUngleichgewichte ge -kenn zeichnet, die aufdie Spannbreite der che-mischen und physikali-schen Eigenschaften derGlieder der natürlichenZerfallsreihen zurück-zuführen sind. Die höchste Löslichkeitwird für die Radium-Isotope 226Ra,228Ra und 224Ra erreicht, deren Akti -

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Abb. 2: Regionen in Deutschland mit erhöhtem geothermischen Potenzial; nach [3]

HöhererRadium-Ge halt

in salinenWässern



vität nicht durch ihre Mutternuklideunterstützt wird. Infolge des natür -lichen Aktivitätsverhältnisses von 21,7zwischen der 238U- und der 235U-Zer-fallsreihe liegt das der 235U-Reihezuzuordnende 223Ra unterhalb derNachweisgrenze. Kurzlebige Tochter-nuklide wie 228Ac und 212Pb werden

während der Wasserförderung aus denlanglebigen Mutternukliden gebildet.Weiterhin wurden im Fluid 210Pb und210Po sowie das den Kalium-Gehaltrepräsentierende 40K nachgewiesen.Alle Isotope des Urans und Thoriumsliegen unterhalb der Nachweisgrenze.Das auftretende radioaktive Ungleich-

gewicht ist von komplexer Natur undstark zeitabhängig, sodass für eine kor-rekte Berechnung der Radionuklidge-halte zum Probenahmezeitpunkt ein aufmathematischen Modellen basierendesMessprogramm erforderlich ist [10].Die gemessenen Wertebereiche derKonzentrationen ausgewählter Radio-nuklide in Wässern derTiefen Geo thermie sindin Tabelle 1 zusammen-gefasst. Sichtbar werdennoch einmal die deut-lichen Unterschiede zwi -schen NorddeutschemBecken und Oberrhein-graben auf der einenSeite und dem Molassebecken auf deranderen. Vergleichbare Nuklidkonzen-trationen können auch in stark mine-ralisierten balneologisch genutztenThermalwässern beobachtet werden.Als der für die Radionuklidfreisetzunghauptsächlich verantwortliche Prozesswird der Alpha-Rückstoß in Mineral-körnern des Aquifergesteins angese-hen. Dabei erhält der Produktkern desAlpha-Zerfalls aufgrund der Impuls-erhaltung eine kinetische Energie, die zu seiner Verschiebung innerhalb desKristallgitters um einige 10 nm führt.An Mineraloberflächen können dieRückstoßkerne über diesen Prozess indas Fluid eintreten. Unter den geo che -mischen Bedingungen des Aquiferssind dann Uran und Thorium nurgering löslich, während in Verbindungmit der erhöhten Chlorid-Konzentra-tion Radium dauerhaft im Thermal-wasser verbleibt [11, 12]. Im Rahmendieses Modells besteht eine enge Kor-relation zwischen dem U/Th-Verhält-nis im Quellgestein und dem 226Ra/228Ra-Verhältnis im Wasser. Für dieGröße der Radium-Konzentration inLösung ist neben Uran- und Thorium-Gehalt des Gesteins auch seine spezi -fische Oberfläche verantwortlich. Fürden Aquifer der GeothermieanlageNeustadt-Glewe konnte über diesesModell sowohl die absolute Konzentra-tion der Radium-Isotope als auch deren

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Abb. 3: Aktivitätskonzentrationen von 226Ra und 228Ra in Fluiden von Geothermie -anlagen. Die durchgezogene Linie entspricht dem mittleren Aktivitätsverhältnis zwischen der 238U- und der 232Th-Zerfallsreihe in der Erdkruste.

Alpha-Rückstoß in

Mineral-körnern

Abb. 4: Radionuklidzusammensetzung des Fluids aus der Geothermieanlage Neustadt-Glewe zum Zeitpunkt der Förderung [9]; „NWG“ bezeichnet die Nachweisgrenze desAnalyseverfahrens.

Ak

tiv

itä

ts

ko

nze

ntra

tio

n

22

8

Ra

(B

q/l)

Aktivitätsko

nzen

tratio

n (B

q/l)

238

U-Reihe

235

U-Reihe

232

Th-Reihe

Aktivitätskonzentration

226

Ra (Bq/l)



Aktivitätsverhältnis befriedigend er -klärt werden [9]. Das ebenfalls auftre-tende 210Pb ist dagegen eher als Zer-fallsprodukt von gelöstem 222Rn anzu-sehen.

Verbleib der RadionuklideAnlagen der Tiefen Geothermie ent-sprechend Abbildung 1 stellen im All-gemeinen geschlossene Kreislaufsys-teme dar. Die Veränderung der thermo-dynamischen Fluidparameter Tem pe -ra tur und Druck sowie der Kontaktmit Anlagenkomponenten führt jedochdazu, dass ein geringer Teil der Inhalts-stoffe Sekundärminerale bildet, die inder Anlage verbleiben.Diese Bildung fester Niederschläge,sogenannter „Scales“, tritt vorrangig inAnlagen auf, die stark mineralisierte

Wässer führen. Insbe-sondere im Norddeut-schen Becken und imOberrheingraben mussdaher mit Scale-Bildungin Anlagenkomponen-ten gerechnet werden.

Dies betrifft vorrangig Wärmetauschersowie Installationen auf der „kal-ten“ Seite vor der Injektionsbohrung.Diese Niederschläge sind vergleichbarmit Ablagerungen, die in Förderanlagender Erdöl-/Erdgasindustrie beobachtetwerden.Strahlenschutzrelevant sind zwei häu-fig auftretende mineralogische Haupt-phasen in den Scales saliner Geo -thermiewässer [13, 14]: eine Ba/SrSO4-

Mischphase mit deutlich ausgebilde-ten Baryt/Coelestin-Mischkristallitensowie eine sulfidhaltige Phase. Letzterewurde in Scales des NorddeutschenBeckens als gut ausgebildete Galenit-(PbS)-Kristallite beobachtet, währendim Oberrheingraben rönt gen amorphenanokristalline (Pb, Cu, Sb, As)-Misch-

sulfide auftraten. Die Bedeutung dieserPhasen für den Verbleib von Radio-nukliden aus der Lösung ist in Abbil-dung 5 dargestellt.Entsprechend diesem Modell akkumu-lieren die Sulfat-Phasen aufgrund derchemischen Analogie von Ba, Sr undRa die Radium-Isotope 226Ra, 228Raund 224Ra. Während 224Ra anfänglichmit einer Halbwertszeit von 3,6 d zer-fällt, wird über den Zerfall des 228Raim Zeitbereich von Jahren das Toch-ternuklid 228Th mit seinen Folgepro-dukten nachgebildet. In der Nomen-klatur der Strahlenschutzverordnungenthalten die Sulfat-Phasen demnach die Radionuklide 226+Ra, 228+Ra und228+Th, wobei für Berechnungen häu-fig vereinfachend von einem Gleich-gewicht 228+Ra = 228+Th ausgegan-gen wird. Aufgrund seiner im Ver-gleich zu 226Ra deutlich geringeren

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Zerfallsreihe Radionuklid Aktivitätskonzentration (Bq/l)

NorddeutschesBecken

Oberrhein-graben

Molasse -becken

238U226Ra 3 ... 35 33 ... 48 0,3 ... 1,5

210Pb < 2 ... 160 8 ... 19 < 0,1

232Th228Ra 2 ... 35 23 ... 31 0,02 ... 0,5

224Ra 3 ... 21 16 ... 21 < 0,02 ... 0,3

– 40K 6 ... 250 100 ... 130 0,5 ... 0,9

Tab. 1: Wertebereiche ausgewählter Radionuklidkonzentrationen in Geothermiewässernzum Zeitpunkt der Probenahme am Bohrungskopf

Strahlenschutzkurse im technischen Bereich:

Grundlagenkurs nach RöV (Modul RM) für FK-Gruppe R3: 15.06.2015 undals Internet-Fernkurs mehrmals im JahrGrundlagenkurs nach StrlSchV für Fachkundegruppen mit geringem

Anforderungsniveau (Modul GG) für FK-Gruppen S1.x, S2.1 und S6.1: 11.-12.11.2014, 03.-04.03.2015, 10.-11.11.2015Grundlagenkurs nach StrlSchV für Fachkundegruppen mit erhöhtem

Anforderungsniveau (Modul GH) für FK-Gruppe S2.2 (schließt auch S1.x, S2.1 und S6.1 mit ein): 22.-24.09.2014, 23.-25.03.2015, 21.-23.09.2015Kurs für den Umgang mit offenen und umschlossenen radioaktiven Stoffen

(Module GH und OG) für FK-Gruppe S4.1 (schließt auch S1.x, S2.1, S2.2, S5 und S6.1 mit ein): 22.-26.09.2014, 23.-27.03.2015, 21.-25.09.2015Kurs für genehmigungsbedürftige Beschäftigung in fremden Anlagen oder

Einrichtungen (Module GG und FA) für FK-Gruppe S5 (schließt auch S1.x, S2.1 und S6.1 mit ein): 11.-13.11.2014, 03.-05.03.2015, 10.-12.11.2015Fachkunde-Aktualisierung für FK-Gruppen nach StrlSchV: S1.x, S2.x, S3.x,S4.x, S5 und S6.1: 16.09.2014, 24.11.2014, 02.02.2015, 11.05.2015, 15.09.2015Fachkunde-Aktualisierung für FK-Gruppen nach RöV: R1 bis R5, R7, R8 und R10: 17.11.2014, 09.03.2015, 06.07.2015, 16.11.2015

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Helmholtz Zentrum MünchenInstitut für Strahlenschutz, KursorganisationIngolstädter Landstr. 1, 85764 Neuherberg (bei München) Tel.: 089 / 3187 4040 Fax: 089 / 3187 1684 E-Mail: [email protected]

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Bildung festerNiederschläge



Aktivität wird 223Ra auch hier ver-nachlässigt.Die Sulfid-Phasen akkumulieren dem-gegenüber das mit dem inaktiven Bleichemisch identische Nuklid 210Pb. ImZeitverlauf bildet sich auch hier einGleichgewicht mit den Töchtern, d. h.210++Pb, heraus.Aus der Sicht des Strahlenschutzeskönnen die deponierten natürlichenRadionuklide aufgrund ihrer Strah-lungseigenschaften (Tab. 2) zu prak-

tisch allen Expositionspfaden beitra-gen. Dabei ist zu beachten, dass für die externe Dosisexposition neben der γ-Strahlungskomponente auch dieBremsstrahlungsproduktion von Ra -dio nukliden mit hohen Eβ, max zu be -rücksichtigen ist (vgl. dazu [16]). Eintypisches Beispiel dafür ist 210++Pb, dasaußerhalb von technischen Anlagenpraktisch nicht über seine schwacheniederenergetische γ-Linie (Eγ = 47 keV,4,3%), sondern nur über das intensive

Bremsstrahlungsspektrum des 210BiBeiträge zum Strahlungsfeld in einerAnlage liefert.Die spezifischen Aktivitäten der Ab-lagerungen bzw. des kontaminiertenMaterials aus den Anlagen überstrei-chen dabei einen weiten Bereich. InTabelle 3 sind Analyseergebnisse zu -sammengestellt, die aus 180 Probenaus dem Norddeutschen Becken bzw.114 Proben aus dem Ober rhein gra-ben ge won nen wurden. Da bei werdenMaximalwerte von einigen 100 Bq/gfür die Radium-Isotope bzw. einigen1.000 Bq/g für 210Pb er reicht. Im Ge -gensatz dazu konnten an Scale-Proben aus demMolassebecken keine er -höhten Werte der spezi-fischen Aktivität natür-licher Radionuklide fest -gestellt werden [13]. DieAblagerungen aus hoch -mineralisierten Fluidenweisen dabei eine gute Korrelationzwischen 226Ra und 228Ra auf, die derKorrelation in den Geothermiewässernentspricht (Abb. 3). Dagegen fehlt diese Korrelation zwi-schen 226Ra und 210Pb vollständig(Abb. 6). Dies ist ein Hinweis darauf,dass die Ab lage rungs prozesse der da zu -gehörigen Mine ral pha sen unabhängigvoneinander verlaufen. Als Bil dungs -

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Abb. 5: Akkumulation von Radionukliden aus den Geothermiefluiden in den Haupt-phasen der Anlagen-Scales

Der etwas andere Kommentar,heute zum Thema:

Geothermie und Radioaktivität IIn den Wässern der Tiefe gibt’s leider

auch Schmutz,der ist radioaktiv, drum braucht’s

Strahlenschutz.Kompetente Experten müssen da ran,denn nur so und nur dannbringt die Geothermie den erstrebten Nutz.

Rupprecht Maushart, Straubenhardt

Radionuklidα-EnergieEα/MeV

β-MaximalenergieEβ,max/MeV

γ-EnergieEγ/keV

226+Ra 4,78 (226Ra)5,49 (222Rn)6,00 (218Po)7,69 (214Po)

1,02 (214Pb)3,27 (214Bi)

295, 352 (214Pb)609, 1.120, 1.764 (214Bi)

228+Ra – 0,05 (228Ra)2,12 (228Ac)

911, 969 (228Ac)

228+Th 5,42 (228Th)5,69 (224Ra)6,29 (220Rn)6,78 (216Po)6,05 (212Bi)8,79 (212Po)

0,57 (212Pb)2,25 (212Bi)5,00 (208Tl)

239 (212Pb)583, 2.614 (208Tl)

210++Pb 5,30 (210Po) 0,06 (210Pb)1,16 (210Bi)

–

Tab. 2: Zusammenstellung typischer Energien, die beim Zerfall der in Scales auftreten-den natürlichen Radionuklide auftreten. Für die α-Umwandlung wurde jeweils dieintensivste Linie angegeben; die aufgeführten γ -Linien besitzen Energien Eγ > 100 keVund Emissionswahrscheinlichkeiten > 15%; Daten nach [15]

Maximaleinige

1.000 Bq/gfür 210Pb

Fluid Ausfällungen (Scales)



mechanismus der Ba/Sr-Sul fat-Phasenwird allgemein die Übersättigung derabgekühlten und entspannten Lösungbezüglich dieser In halts stoffe an ge -sehen, während die Bil dung der Sulfid-Phasen auf elektrochemische Prozessezurückgeführt wird.Die Menge der abgelagerten Aktivitätstellt jedoch insgesamt nur einenBruchteil des Gesamtumsatzes dar.Wie eine Bilanz für die Anlage Neu-stadt-Glewe zeigte [9], passierte imZeitraum 1994 bis 2008 eine Gesamt-fördermenge von 7,4 . 106 m³ die An -lage. Dies entspricht pro Radionuklideiner transportierten Gesamtaktivitätin der Größenordnung von 1010 Bq.

Der in Ablagerungen oberirdisch ver-bleibende Aktivitätsanteil lag dabei bei < 10–3. Im Gegensatz zu anderenNORM-produzierenden Industrien ver-bleibt somit in der Tiefen Geothermiedie über wie gende Aktivitätsmenge inder unter irdischen Lagerstätte.

DanksagungDie Autoren danken dem Bundesminis-terium für Umwelt, Naturschutz, Bauund Reaktorsicherheit für die Förde-rung durch 2 Projekte (FKZ 0329937Cbzw. 0325166), in deren Rahmen einGroßteil der vorgestellten Ergebnissegewonnen wurden.Detlev Degering, Matthias Köhler ❏

9

Abb. 6: Spezifische Aktivitäten von 226Ra und 210Pb in Proben von Ablagerungen bzw. vonkontaminiertem Material aus Anlagen der Tiefen Geothermie in Deutschland (n = 294)

Spezifische Aktivität (Bq/g)

226Ra 228Ra 210Pb

Minimum 0,009 0,008 0,013

Maximum 430 300 770

Median 38 41 170

Minimum 0,009 0,008 0,013

Maximum 770 430 5.500

Median 34 18 500

Tab. 3: Spezifische Aktivitäten natürlicher Radionuklide in Proben von Ablagerungen bzw.von kontaminiertem Material aus Anlagen der Tiefen Geothermie in Deutschland [13]

Nord-deutsches

Becken

Oberrhein -graben

Strahlenschutz inMedizin, Forschungund Industrie

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Themen der Tagung

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780,00 € zzgl. gesetzlicher USt.420,00 € für Vertreter von Aufsichts- und Genehmigungsbehörden.

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Spezifische Aktivität

226

Ra (Bq/g)

Sp

ezifisch

e A

ktivitä

t

21

0

Pb

(B

q/g

)



ten Fällungsprozesse vollziehen undsomit ein Großteil der radioaktivenScales abgelagert wird. Dort konntenmaximale Umgebungs-Äquivalentdo -

10

Strahlenexposition für BeschäftigteNormalbetriebIm Normalbetrieb einer geothermi -schen Anlage erfolgt eine Strah len -exposition von Beschäftigten aus-schließlich durch die äußere Strah-

lung, die durch radio -aktive Ablagerungen anden Innenseiten von An -lageteilen emittiert wirdund die die Rohr wan -dun gen leicht durch -dringt. Er höhte Wertetreten be vor zugt in derNähe von Wärmetau-

schern auf, weil sich dort aufgrundder signifikanten Temperaturdifferenzund der großen Oberflächen die meis-

sisleistungen H.

* (10) im Abstand von 1 m von 12 μSv h–1 festgestellt werden.Arbeiten an geöffneten AnlageteilenBei allen Arbeiten an geöffneten An -lageteilen wie z. B. Filterwechsel, Aus-tausch von Rohrleitungen sowie Öff-nen von Wärmetauschern besteht zu -sätzlich zu der Strahlenexpositiondurch γ-Strahlung (hierauch in einem geringe-ren Abstand als beimNormalbetrieb) eine er -höhte Ingestions- bzw.Inhalationswahr schein -lichkeit. In der Regelerfolgen diese Arbeitenjedoch am feuchten Material, sodass dieWahrscheinlichkeit einer Freisetzunggegenüber dem Umgang im trockenenZustand deutlich geringer ist. Durcheinfache Maßnahmen aus dem Reper-toire des Arbeitsschutzes wie z. B. Tragen von Schutzhandschuhen bzw.eines Mundschutzes, die ohnehindurch den Gehalt an Schwermetal-len in den Umgangsstoffen notwen-dig sind, kann eine Strahlenexpositiondeutlich reduziert werden.Ein Expositionsrisiko durch das Ein -atmen von 222Rn konnte bei gemesse-nen Aktivitätskonzentrationen in derLuft von 50 bis 100 Bq m–3 nicht fest -gestellt werden.Generell besteht bei derartigen Arbei-ten das Risiko, dass aus Unkenntnismögliche radiologische Gefahren nichterkannt und somit auch keine Maß-

S t r a h l e n s c h u t z i n a u s g e w ä h l t e n A n l a g e nd e r T i e f e n G e o t h e r m i e – E i n Ü b e r b l i c k

Die Besonderheit des Strahlenschutzes bei natürlicher Radioaktivität mit er -höhten spezifischen Aktivitäten (TENORM) besteht darin, dass der Gesetz -geber diese Regelungen in StrlSchV [1], Anlage XI, Teil B auf explizitgenannte Arbeitsfelder mit erhöhten Expositionen durch Uran, Thorium undderen Zerfallsprodukte ohne Radon begrenzt hat. Mit dieser Einschränkungsoll eine Ausweitung der gesetzlichen Regelungen auf radiologisch unbe-denkliche Arbeitsfelder vermieden werden. Die Tiefe Geothermie ist gegen-wärtig als Arbeitsfeld in der StrlSchV nicht aufgenommen, sodass vorerstkeine formale Notwendigkeit besteht, nach § 95 (1) StrlSchV die Strah len -exposition für die Beschäftigten abzuschätzen. Ähnliches wie für die Arbeits-felder gilt für die Betriebsabfälle aus der Tiefen Geothermie, die in der Listeder nach StrlSchV zu berücksichtigenden Rückstände (Anlage XII, Teil A)nicht enthalten sind.Dennoch ist es aus Sicht der Autoren erforderlich, aufgrund der Mengen undspezifischen Aktivitäten in ausgewählten Anlagen der Tiefen Geothermie desNorddeutschen Beckens und des Oberrheingrabens die Strahlenexposition für die Beschäftigten auch ohne explizite behördliche Aufforderung abzu-schätzen und die dort anfallenden Betriebsabfälle unter Berücksichtigungder StrlSchV zu beseitigen.

Tiefe Geo-thermie keinArbeitsfeldin StrlSchV

EE Einh+ing E EE

(mSv) (mSv) (mSv) Anteil

Anlage Norddeutsches Becken 0,89 0,56 1,5 61%

Anlage Oberrheingraben1,1 0,60 1,7 65%

2,6 0,40 3,0 87%

Prüfwert – – 6,0 –

Natürliche Strahlenquellen 0,70 1,4 2,1 33%

Tab. 1: Beispiele für Expositionsabschätzungen (effektive Dosis E durch äußere Strah-lung EE und Inhalation und Ingestion Einh+ing) für Beschäftigte in ausgewählten Anlagen der Tiefen Geothermie Deutschlands und Vergleich mit der mittleren Strahlenexposition durch natürliche Strahlenquellen

RadiologischesRisiko ausUnkenntnis



nahmen zur Minderung ergriffen wer-den. Deshalb müssen alle mit Arbeitenan geöffneten Anlageteilen Beschäftig-ten (auch von Nachauftragnehmern)rechtzeitig über die Gefahrenpoten-ziale und die notwendigen Schutzmaß-nahmen umfassend aufgeklärt werden.Beschäftigte in aus ge wähl ten geo ther -mi schen Anlagen können einer zu -sätzlichen Strahlenexposition aus-

gesetzt werden, dereneffektive Dosis im Jahrnicht größer als 3,0 mSvist (Tab. 1). Alle Wertewurden anhand der an -gegebenen Expositions-zeiten und recherchier-ten Expositionsszenarien

(siehe auch [2]) sehr konservativ ab-geschätzt. Es wird deutlich, dass derHauptteil (ca. 60–85 %) durch denExpo si tions pfad „äußere Expositiondurch γ-Strahlung“ hervorgerufen wird.Die effektive Dosis für die Be schäf -tigten der Geothermieanlagen ist imKalenderjahr kleiner als 6 mSv, damitsind die Arbeiten gegenüber der Be -hörde nach § 95 StrlSchV nicht an -zeigebedürftig.

Mit den zukünftigen neuen EU-Strahlenschutz-Grundnormen wirdsich bei der Bewertung der hier ab geschätzten beruflichen Strah-lenexposition eine neue Sichtweiseetablieren.

Bewertung von Boden konta -minationenBei Reinigungs-, Reparatur- und Um -bauarbeiten besteht die Gefahr, dassScales unkontrolliert auf Bodenflächengelangen und sich dort akkumulieren.Das Gefahrenpotenzial besteht in derunkontrollierten Verschleppung vonAktivität und in der Generierung vonAltlasten, die erst beim Rückbau vonAnlagen zum Tragen kommen.Die StrlSchV macht keine klaren Vor-gaben, bei welcher Oberflächenkon -tamination das dem Regelungsbereichzugrunde liegende 1-mSv-Kriteriumein gehalten wird.Die dort genannten flächenbezogenennuklidspezifischen Grenzwerte (z. B.0,1 Bq cm–2 für 228+Th) basieren aufeiner tolerierbaren Dosis von einigen10 μSv und sind für den hier relevan-ten Umgang mit natürlicher Radio -aktivität um einen Faktor 100 zu kon-servativ.Das Fehlen entsprechender flächenbe-zogener Grenzwerte zur Anwendungin der Geothermie wurde durch dieAutoren thematisiert (u. a. [3]), jedochkonnte bisher noch keine Vereinba-rung erreicht werden. Ein entspre-chen der Vorschlag ist in Tabelle 2 zu-sammengefasst, wobei ein Faktor 20beim Übergang von den flächenbe-zo genen Grenzwerten aus dem kern-technischen Bereich (akzeptierbare Ex position von einigen 10 μSv = 50 μSv) zum Regelungsbereich dernatürlichen Radioaktivität (akzeptier-

bare Exposition von 1.000 μSv) Ver-wendung findet. Die vorgeschlagenenflächenbezogenen Grenzwerte könnenauch als Zielwerte für die Dekonta-mination von Wärmetauscher-Oberflä-chen dienen.

11

UnkontrollierteVerschleppungvon Aktivität

Tab. 2: Vorschlag zur Etablierung flächenbezogener Grenzwerte zur Nutzung als Richtwert für die Dekontamination von Bodenflächenund Platten-Wärmetauschern

Prinzip

226+Ra 210++Pb 228+Ra 228+Th

(Bq cm–2)

Eingeschränkte Freigabe von Gebäuden zum Abriss Spalte 10 0,9 – 4,0 3,0

Uneingeschränkte Freigabe von Gebäuden Spalte 8 0,5 1,0 0,4 0,1

§ 44, außerhalb eines Strahlenschutzbereiches Spalte 4 1,0 1,0 1,0 0,1

Vorschlag der Autoren – 20 20 20 2

StrlSchV,Anlage III,Tabelle 1St

rlSch

VTe

il 2

Teil

3

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Beseitigung von BetriebsabfällenMaterialkategorien und -bilanzenWie die durch die Autoren durchge-führte Erhebung der deutschlandweitzu entsorgenden TENORM-Mate ria -lien aus der Tiefen Geo thermie zeigt[4], sind bisher 55 Tonnen radioaktivbelasteter Betriebsabfälle in den Kate-gorien „Scale-artig“, „brennbar“ und„Schrott“ angefallen (Tab. 3). Aus

Abbildung 1 wird deut-lich, dass einerseits kon-taminierter Schrott dieHauptmasse bildet undandererseits die Scalesden Großteil der Akti-vität beinhalten. Gegen-wärtig werden in mehre-

ren Anlagen Inhibitoren zur Reduzie-rung des Scale-Wachstums eingesetzt.Perspektivisch ist mit einer Mengen-reduzierung und einer Veränderung desNuklidvektors der anfallenden Scale-artigen Betriebsabfälle zu rechnen.Allgemeine VerfahrensweiseAusgewählte Betriebsabfälle aus derTiefen Geothermie sind wegen der ent-haltenen erhöhten natürlichen Radio-aktivität dem Bereich der „Arbeiten“(StrlSchV § 3 (1) Nr. 2b) zuzuordnenund die Stoffe im Weiteren als „Mate-rialien“ nach StrlSchV § 3 (2) Nr. 20einzustufen. Aufgrund dieser Einstu-fung fällt die Beseitigung des Materialsin den Regelungsbereich von Teil 3

Kapitel 3 § 97 bis § 102 StrlSchV(„Schutz der Bevölkerung bei natürlichradioaktiven Stoffen“). Wegen ihrerArt und spezifischen Aktivität sinddiese nach § 102 als „sonstige Mate-rialien“ eingestuft. Eine Einordnungals „zu berücksichtigender Rück-stand“ nach § 97 kann nicht erfol-gen, da die Betriebsabfälle aus der Geo -

thermie nicht unter die Stoffliste nachAnlage XII Teil A fallen.„Sonstige Materialien“ können einerVerwertung (als Input in einen tech-nischen Prozess) bzw. Beseitigung(Deponierung, Verbrennung) zugeführtwerden, wenn sichergestellt ist, dassfür diese Wege die Strahlenexpositionder Beschäftigten und für die Bevölke-

12

Tab. 3: Durch Nutzung der Tiefen Geothermie im Zeitraum von 2000 bis 2012 in Deutschland angefallene TENORM-Rückstände undVer gleich mit der jährlichen Abfallmenge aus der Erdöl-Erdgas-Industrie [5]; a: nach StrlSchV beurteilungsrelevante spezifische Aktivität, A: aus a berechnete Aktivität

KategorieVerfahrensbedingte Verbindung

der Scales mitMasse

(t)a

(Bq g–1)A

(Bq)Beseitigungsweg

Scale-artigStrahlgut aus Reinigungs -

arbeiten, Boden15 1.200 1010 Deponierung

brennbarAbdeckfolien, Schutzmitteln,

Filtersäcken10 200 109 Verbrennung

Schrott Rohrwandung 30 2,0 107 Einschmelzen

Summe 55 200 1010 –

Schrott undProduktionsrückstände

340 40 1010Deponierung,Einschmelzen

Geo

ther

mie

Erdö

l/Er

dgas

Großteilder Aktivitätin den Scales

Abb. 1: Masse- und Aktivitätsverteilung von TENORM aus der Tiefen Geothermie



rung kleiner als 1 mSv im Kalender-jahr ist (im Weiteren als „1-mSv-Krite-rium“ verwendet). Die für den Strah-lenschutz zuständige Behörde trifftnach § 102 hierfür die erforderlichenAnordnungen, die festlegen, wo dieMaterialien aufzubewahren und inwelcher Weise die Materialien zu be -seitigen sind.Aus Praktikabilitätsgründen kann diefachliche Bewertung eines Materials in Anlehnung an die Verfahrensweisenach § 97 und § 98 erfolgen, wobei daszu entsorgende Material den zu be -rück sichtigenden Rückständen (An -

lage XII, Teil A) gleich-gesetzt wird.Der Eigentümer hat Ma -terialien vor ihrer Be -seitigung oder Verwer-tung gegen Abhanden-kommen und vor demZugriff durch Unbefugtezu sichern. Sie dürfen an

andere Personen nur zum Zwecke derBeseitigung oder Verwertung abgege-ben werden.Im Folgenden sind für die einzelnenKategorien der Be triebs abfälle mög -liche Beseitigungswege be schrieben.Deponierung im vereinfachten VerfahrenIm vereinfachten Verfahren könnensonstige Materialien gemeinsam mitanderen Rückständen oder Abfällendeponiert werden (Anlage XII, Teil C),wobei der Nachweis der Einhaltungdes 1-mSv-Kriteriums erfolgt ist, wennder Mittelwert der spezifischen Akti-vität über alle auf der Deponie inner-halb von 12 Monaten beseitigten akti-ven Materialien (überwachungsbedürf-tige Rückstände bzw. sonstige Mate-rialien) und sonstigen inaktiven Ab-fälle kleiner als ein in der StrlSchVtabellierter Prüfwert (je nach Deponie0,05 … 1 Bq g–1) ist. Dieses ver einfachteVerfahren ist für besonders überwa-chungsbedürftige Deponien auf beurtei-lungsrelevante spezifische Aktivitätenab < 50 Bq g–1 und für Stan dard depo-nien auf 10 Bq g–1 be grenzt.

Deponierung im vollständigen VerfahrenÜberschreitet die beurteilungsrelevantespezifische Aktivität ab die Grenze von50 Bq g–1, ist für den Einzelfall dieStrahlenexposition (StrlSchV, AnlageXI, Teil D) zu berechnen und die Ein-haltung des 1-mSv-Dosiskriteriumsexplizit nachzuweisen. Dabei sind alle Expositionen einzubeziehen, dieauf dem vorgesehenen Beseitigungs-weg durch Behandlung, Lagerung und Ablagerung der Rückstände auftretenkönnen. Dabei werden im Gegensatzzu anderen Regelungsbereichen derStrlSchV nur realistische Expositions-pfade und Annahmen verwendet. DieAbschätzung der Dosis erfolgt aufBasis der Berechnungsgrundlagen Berg -bau [6], der Richtlinie Arbeiten [7] und der Richtlinie Inkorporationsüber-wachung [8].Deponierung nach StabilisierungKritischer Pfad für die Strahlenexpo-sition ist in der Regel der Austrag von Radionukliden mit dem Deponie -sickerwasser. Deshalb wird bei spezi-fischen Aktivitäten > 100 Bq g–1 ange-strebt, durch Stabilisierung die Eluat-eigenschaften der auf eine Deponie zuverbringenden Gebinde zu verbessern,um auf diesem Wege den Schutz desGrundwassers sicher zu stellen.Entsprechend den konkreten An nahme -bedingungen der Deponie sind nachDeponieverordnung (DepV) [9] außer-dem bestimmte chemische Grenz-werte im Feststoff und in den nachWasserkontakt herausgelösten Sub-stanzen einzuhalten. AusführlicheInformationen hierzu werden auf S. 30dieses Heftes gegeben.Die beschriebenen Beseitigungswegezur Deponierung wurden bereits mehr-fach für Materialien aus geothermi-schen Anlagen im Tonnenmaßstabpraktisch realisiert.VerbrennungDie beim Betrieb einer geothermischenAnlage anfallenden Filtersäcke, konta-minierten Schutzanzüge usw. müssenaus abfallrechtlichen Gründen in einer

13

Materialienvor

Beseitigungsichern

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Sonderabfallverbrennungsanlage besei-tigt werden, da Materialien mit einemBrennwert H0 von > 6.000 kJ kg–1

Trockenmasse nicht mehr ohne Vor-behandlung auf einer Deponie abge-lagert werden dürfen [9]. Auch für die-sen Beseitigungsweg ist der Nachweisder Einhaltung des 1-mSv-Kriteriumserforderlich. Dieser Beseitigungswegscheiterte bisher an der praktischenUmsetzung, da für den Betreiber einerSonderabfallverbrennungsanlage derpotenzielle Erlös aus den zu ver-brennenden Mindermengen in der Grö -ßenordnung von 10 t den notwen-digen genehmigungsrechtlichen Auf-wand nicht abdeckt.EinschmelzenFür Metallschrott ist nach aktuellemAbfallrecht eine Rezyklierung durchEinschmelzen zu bevorzugen. Im Falle

von radioaktiv kontami -niertem Schrott aus derTiefen Geothermie istfür diesen Beseitigungs-weg ebenfalls die Ein-haltung des 1-mSv-Kri-teriums nachzuweisen.Da aber die handels üb -lichen Annahmebedin-

gungen für Stahlschrott [10] wesent-lich restriktiver als die Forderungendes Strahlenschutzrechtes sind, ist miteiner Abweisung auch von geringfügigkontaminierten Materialien durch denSchrotthandel zu rechnen. Deshalb istes Praxis, die durch natürliche Radio-nuklide kontaminierten Anlageteileaus der Geothermie durch Einschmel-

zen in der GERTA-Anlage der FirmaSiempelkamp Nukleartechnik GmbH(SNT) zu verwerten. SNT ist berech-tigt, Stahl- und Eisenmetalle aller Qua-litäten mit chemischer und/oder radio-aktiver Kontamination natürlichenUrsprungs anzunehmen und zu ver-arbeiten, wobei der Anteil an nicht metallischen Stoffen 5% nicht über-steigen darf [11]. Entsprechend dem ge nehmigten Leistungsumfang werdendie metallischen Schmelzprodukte inden Wertstoffkreislauf eingeführt unddie Schlacken und Stäube genehmi-gungskonform entsorgt.

TransportMit der Entlassung aus der Überwa-chung oder einem genehmigungsrecht-lich äquivalenten Vorgang im Zusam-menhang mit dem § 102 der StrlSchVsind die zu entsorgenden Materialienkeine radioaktiven Stoffe im Sinne derStrlSchV mehr. Im Gegensatz dazukann dennoch nach ADR/GGVSEB[12, 13] ein Transport als „Klasse 7,radioaktiver Stoff“ notwendig sein, dain vielen Fällen die Prüfwerte für dasNuklid 228Th sowohl bezüglich derspe zifischen Aktivität von 10 Bq g–1 alsauch bezüglich der Gesamtaktivitätvon 104 Bq für die niedrigste Transport -kategorie überschritten sind (Tab. 4).Eine derartige Einstufung schränkt die infrage kommenden De ponien undSonderabfallverbrennungsanlagen dras-tisch ein, da diesen häufig eine An -nahme von Klasse-7-Transporten ge -neh migungsrechtlich untersagt ist.

FazitDie abgeschätzte obere Grenze derStrahlenexposition für die Beschäftig-ten einer Geothermieanlage beträgt 3 mSv im Kalenderjahr und liegt in der gleichen Größenordnung wie dieohnehin vorhandene mittlere Strahlen-exposition durch natürliche Strahlen-quellen von 2,1 mSv.Die Beseitigung von radioaktiven Be -triebsabfällen aus Geothermieanlagenerfolgt nach § 102 StrlSchV und er-fordert den Nachweis der Einhaltungdes 1-mSv-Kriteriums. Je nach Mate-rialart kann die Beseitigung auf einerDeponie (ohne oder mit Stabilisie-rung), durch Verbrennung in einer Sonderabfallverbrennungsanlage oderdurch Einschmelzen geschehen. Da-bei müssen neben dem hier behan -delten Strahlenschutzrecht auch alleabfallrechtlichen und transportrecht -lichen Regelungen Berücksichtigungfinden.

DanksagungDie Autoren danken allen am ProjektBeteiligten und nicht explizit als Auto-ren genannten Kolleginnen und Kol -legen. Besonderer Dank gilt den An -lagenbetreibern für die Bereitschaft,Untersuchungen während des Betrie-bes der Anlagen zuzulassen und alleFragen umfassend zu diskutieren. Teile der Arbeiten wurden vom Bun-desministerium für Umwelt, Natur-schutz, Bau und Reaktorsicherheit ge -fördert (Förderkennzeichen 0325166).Matthias Köhler, Detlev Degering ❏

Der verantwortungsbewusste Um -gang mit erhöhter natürlicherRadioaktivität in ausgewähltenAnlagen der Tiefen Geothermie ist eine Aufgabe, die eine engeZusammenarbeit von Anlagenbe-treiber, Beschäftigten, für denStrahlenschutz zuständigen Be hör -den, Berg amt und Sach ver stän di -gen er fordert.

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NuklidaADR,nat

(Bq g–1)AADR

(Bq)

226+Ra 100 104

210++Pb 100 104

228+Ra 100 105

228+Th 10 104

Tab. 4: Spezifische Aktivität aADR,nat für freigestellte Stoffe und Gesamtaktivität AADR

für eine freigestellte Sendung nach ADR/GGVSEB unter Berücksichtigung der Klauselfür natürliche Stoffe

Stahlschrott-Annahme-

bedingungenrestriktiv


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GEOTHERMISCHE ENERGIE Strahlenschutz bei der ... · Deutschland bisher 55 t radioaktiv belasteter Materialien mit einer beurteilungsrelevanten Gesamtaktivität von 10 GBq angefallen