14.02.2022 •

Schifffahrt vor den Küsten von Fukushima

Einschätzung der Gefährdung von Besatzung und Passagieren durch Radioaktivität

A. Rump, C. Hermann, M. Port

Im Rahmen der sanitätsdienstlichen Einsatzunterstützung berät das Institut für Radiobiologie der Bundeswehr (InstRadBioBw) auf Anfrage den Geschäftsbereich des Bundesministeriums der Verteidigung, führt dazu im Bedarfsfall wissenschaftsfundierte Berechnungen durch und entwirft daraus resultierende Handlungsempfehlungen. Ein potentielles Szenar soll im Weiteren dargestellt werden.

Die Lage in Fukushima: Radioaktiv kontaminiertes Wasser und seine Entsorgung

Die Kühlung des havarierten Kernkraftwerks in Fukushima erfolgt mit Meerwasser, das hierdurch radioaktiv kontaminiert wird, so dass es aufgefangen und zwischenzeitlich in Tanks gelagert wird, um die Umwelt nicht zu belasten. Am 13.04.2021 wurde von der japanischen Regierung entschieden, das in den Tanks gelagerte kontaminierte Abwasser nach Aufarbeitung kontrolliert in den Ozean abzulassen. Laut weiterer Pressemeldungen ist für dieses Vorhaben ein zeitlicher Vorlauf von bis zu zwei Jahren erforderlich und das Ablassen ist über einen geplanten Zeitraum von etwa zehn Jahren vorgesehen. 

Das Kühlwasser aus der Reaktorruine in Fukushima enthält verschiedene metallische Radionuklide (zum Beispiel Plutonium, Ruthenium und Strontium) sowie radioaktives Tritium, das in Wassermolekülen eingebaut ist. Durch Filterung (advanced liquid processing systems) wird derzeit die Konzentration der gelösten radioaktiven Kontaminanten auf sehr niedrige Werte reduziert, die ein Ableiten in die Umwelt erlauben. Allerdings erlaubt das Filterungsverfahren nicht, das in den Wassermolekülen eingebaute Tritium zu eliminieren. Dies wäre nur mit unverhältnismäßig aufwendigen Isotopentrennungsverfahren möglich. Tritium bildet somit im durch Filterung behandelten Kühlwasser die hauptsächliche Radioaktivitätsquelle. 

Da die derzeitige hohe Effizienz des Filterungsverfahrens erst im Laufe der Zeit erreicht werden konnte, sind von den derzeit in Fukushima etwa 1,25 Mio. t gespeichertem Wasser noch circa 750 000 t (rund 70 %) mit unterschiedlichen gelösten Radionukliden kontaminiert. Es ist beabsichtigt dieses Wasser zunächst einem weiteren Filterungsschritt zu unterziehen. Zur Reduzierung der von Tritium ausgehenden Aktivität ist eine starke Verdünnung des Kühlwassers vorgesehen. Nach den allgemein verfügbaren Informationen wurde der Aktivitätsgrenzwert für das Abwasser auf 60 000 Bq/l festgelegt. Dies entspricht in Japan dem Aktivitätsgrenzwert für Tritium im Trinkwasser (National Regulatory Standard). Davon abweichende niedrigere Grenzwerte werden angestrebt beziehungsweise auf Realisierbarkeit geprüft (bis < 1 500 Bq/l).

Neben den ökotoxikologischen Aspekten stellt sich die Frage, inwieweit zum Schutz von Schiffsbesatzungen und Passagieren die Radioaktivitätsfreisetzung aus dem havarierten Kernkraftwerk zu besonderen Vorsichtsmaßnahmen beim Befahren der Gewässer östlich der Insel Honshu (größte der vier Hauptinseln in Japan) vor der Küste der Präfektur Fukushima zwingt. Diese Frage ist sowohl militärisch als auch für die zivile Schifffahrt von Bedeutung. 

Radioaktives Tritium: Eine Gefahr für Schiffsbesatzung und Passagiere?

Tritium oder „überschwerer Wasserstoff“ (T oder 3H) ist ein radioaktives Wasserstoff-Isotop mit zwei Neutronen, das nach folgender Gleichung zerfällt:

T->3He + e- + ve

mit He=Helium, e-=Elektron (ß-Strahlung) und ve=Antineutrino.

Die physikalische Halbwertzeit beträgt rund 12,3 Jahre (die biologische Halbwertszeit nur zehn Tage). Tritium entsteht in der Atmosphäre durch Einwirkung kosmischer Strahlen und kann daher als ein natürliches Isotop angesehen werden. Zusätzlich fällt künstliches Tritium als Nebenprodukt durch Reaktionen in Kernkraftwerken an. In der Natur kommt es vorwiegend als tritiiertes Wasser vor. Die mittlere Aktivität in Meereswasser liegt gemäß Information des Bundesamtes für Strahlenschutz (BfS) zwischen 0,1–0,2 Bq/l.

Von der beim radioaktiven Zerfall freigesetzten Energie von 18,6 keV gehen im Mittel 5,7 keV als kinetische Energie auf das Elek­tron über, das heißt die ß-Strahlung ist im Vergleich zu anderen ß-Strahlern sehr weich. Sie hat in Luft eine sehr geringe Reichweite (einige cm), kann durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden und durchdringt die oberste Hornhautschicht nicht. Es besteht somit für die Besatzung oder Passagiere im Schiff oder an Oberdeck, selbst bei längerem Aufenthalt, keine Gefahr durch externe Bestrahlung. 

Eine gesundheitliche Gefährdung kann aber bei Aufnahme von Tritium in den Körper (Inkorporation) entstehen, beispielsweise durch das Trinken von kontaminiertem Wasser. Eine Anreicherung in der Nahrungskette oder auch im Menschen, wie für andere Radionuklide beschrieben, ist bei Tritium ausgeschlossen. Anders als in früheren Zeiten, wo Trinkwasser an Bord in Fässern bevorratet wurde, wird auf modernen Schiffen mit höherem (Trink-)Wasserbedarf dieses aus Meerwasser aufbereitet (durch Entsalzung, Destillation oder Umkehrosmose gefolgt von Nachaufbereitungsmaßnahmen). Somit ist grundsätzlich bei Trinkwasseraufbereitung aus Meerwasser, das Tritium enthält, in Abhängigkeit der Mengenverhältnisse an eine radioaktive Belastung der Schiffsbesatzung und der Passagiere zu denken.

Entscheidend für eine mögliche Gesundheitsgefährdung ist die Aktivität im Trinkwasser. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt, die Tritiumkonzentration (Aktivität) zu beschränken, so dass die dadurch hervorgerufene Strahlenbelastung (Effektivdosis) 0,1 mSv/Jahr nicht übersteigt (die durchschnittliche natürliche Umweltbelastung liegt bei ungefähr 2,5 mSv/Jahr). Unter der Annahme einer Trinkmenge von 2 l/Tag (730 l/Jahr) würde damit der Trinkwassergrenzwert bei etwa 7 600 Bq/l liegen. Die Berechnung erfolgt nach folgender Formel: 

Aktivitätsgrenzwert (Bq/l) = Strahlendosis-Grenzwert (Sv/Jahr) / (Dosiskonversionsfaktor für Ingestion [Sv/Bq] * Trinkmenge [l/Jahr])

Aktivitätsgrenzwert = 10–4 Sv/Jahr / (1,8*10–11 Sv/Bq * 730 l/Jahr) = 7 610 Bq/l 

Die WHO hat auf der Grundlage dieser ­als konservativ angesehenen Berechnung einen Grenzwert von 10 000 Bq/l vorgeschlagen. Auch wenn viele Staaten Grenzwerte in dieser Größenordnung festgelegt haben, ist die Spannbreite erheblich (Abb. 1).

Abb. 1: Tritium-Grenzwerte im Trinkwasser empfohlen durch WHO und Festlegungen...
Abb. 1: Tritium-Grenzwerte im Trinkwasser empfohlen durch WHO und Festlegungen in verschiedenen
Staaten. Target: für Fukushima Abwasser angestrebter Grenzwert
Quelle: A. Rump nach Daten der Canadian Nuclear Safety Commission 2008 und des Ministry of Economy, Trade and
Industry 2021

Der in Japan geltende relativ hohe Grenzwert (60 000 Bq/l) wird damit begründet, dass die zusätzliche Strahlendosis 1 mSv (statt 0,1 mSv) nicht übersteigen sollte. Der von der EU empfohlene sehr niedrige Wert von (nur) 100 Bq/l leitet sich nicht von der Radiotoxizität von Tritium ab, sondern ist als Indikatorwert zu verstehen. Bei Überschreitung muss die Möglichkeit einer Kontamination des Trinkwassers mit anderen Radionukliden in Betracht gezogen werden, so dass weitere radioanalytische Untersuchungen vorgenommen werden sollten.

Informationsbeschaffung und gezielte Simulationen am InstRadBioBw

Auf Grund der engen fachlichen Vernetzung des InstRadBioBw mit dem BfS konnten rasch Informationen zu den beabsichtigten Maßnahmen in Fukushima eingeholt werden und die quantitativen Verhältnisse in Relation gesetzt werden zur in Deutschland üblichen Freisetzung von Radioaktivität aus Kernkraftwerken. Auf der Grundlage der vorliegenden Informationen wird die aus den Abwassertanks in Fukushima freigesetzte Aktivität auf 1014 Bq Tritium pro Jahr geschätzt. Dies liegt in der gleichen Größenordnung wie die jährliche Ableitung von Tritium aus allen deutschen Kernkraftwerken (Stand 2016). Auch bei sehr konservativer Abschätzung führt dies in Deutschland laut BfS zu einer maximalen Strahlenbelastung der Bevölkerung von 1 µSv/Jahr (10–6 Sv/Jahr).

Die Dosisberechnungen des BfS, die zu einer extrem niedrigen Strahlenbelastung kommen, beruhen auf umwelttoxikolo­gischen Grundlagen nach starker Ver­dünnung und beziehen sich auf die Gesamtbevölkerung. Zur genaueren Quantifizierung einer möglichen radiologischen Gefährdung einer Schiffsbesatzung in unmittelbarer Nachbarschaft des Kernkraftwerks Fukushima ist aber eine stärkere Berücksichtigung der lokalen Verhältnisse wichtig („Zum falschen Zeitpunkt am falschen Ort?“). Da die Aktivitätsgrenze des Abwassers den in Japan geltenden Trinkwassergrenzwert (60 000 Bq/l) nicht übersteigen soll, und einige Staaten sogar höhere Grenzwerte eingesetzt haben (zum Beispiel 76 000 Bq/l in Australien), erübrigen sich eigentlich weitere Prüfungen. Dennoch wurden weitergehende Simulationen an unserem Institut vorgenommen, da die Ergebnisse der internen Dosimetrie in Abhängigkeit der eAbb.: Ingesetzten Modelle variieren.

Abb. 2: Interne Dosimetrieberechnung mit IMBA-Software
Abb. 2: Interne Dosimetrieberechnung mit IMBA-Software
Quelle: InstRadBioBw/Cornelius Hermann

Am InstRadBioBw findet die IMBA (Integrated Modules for Bioassay Analysis) Software Anwendung, die es erlaubt auf der Grundlage von Modellen der International Commission on Radiological Protection die Strahlenbelastung des Menschen nach Aufnahme von Radionukliden bei verschiedenen Szenarien (Ingestion, Inhalation, Absorption über Wunden, akute oder länger andauernde Exposition) zu berechnen (Abb. 2). Diese wurde zur Risikoabschätzung eingesetzt. Unter der Annahme einer Trinkwasserbelastung von 60 000 Bq/l durch Tritium (wie dem vorgesehenen Grenzwert in Fukushima), keinen weiteren radioaktiven Kontaminanten, und einer Trinkmenge von 2 l/Tag (also 120 000 Bq/Tag über ein Jahr) ergibt sich nach Simulation mit IMBA eine Effektivdosis von insgesamt 1,9 mSv. Dieser Wert ist erwartungsgemäß numerisch größer als die durch Abwasser von Kernkraftwerken in Deutschland zu erwartende Strahlenbelastung in der Allgemeinbevölkerung (1 µSv/Jahr, siehe oben). 

Bei einer nur kurzfristigen Exposition, wie sie bei einer Schiffsbesatzung zu erwarten wäre, reduziert sich die absorbierte Strahlendosis entsprechend (beispielsweise bei sechsmonatiger Exposition auf 0,95 mSv). Diese Werte, die nicht mehr als konservativ bezeichnet werden können, sondern auf einem völlig unrealistischen Expositionsszenario beruhen (Ingestion des Abwassers), liegen nicht nur unterhalb der unvermeidlichen natürlichen Strahlenbelastung (2,5 mSv/Jahr), sondern – bei weniger als sechsmonatiger Exposition – auch unterhalb der von der Strahlenschutzverordnung in Deutschland festgelegten Grenzwerte, die bei Tätigkeiten mit Freisetzung von Radioaktivität und ionisierender Strahlung nicht überschritten werden dürfen. Sie betragen 1 mSv/Jahr Effektivdosis zum Schutz von Einzelpersonen der Bevölkerung und 20 mSv/Jahr bei beruflich strahlenexponierten Personen (zum Vergleich Abb. 3).

Abb. 3: Einordnung der berechneten Maximalwerte
Abb. 3: Einordnung der berechneten Maximalwerte (Exposition für einen Langstreckenflug 0,1 mSv; jährliche Einnahme über die Nahrung: 0,3 mSv;
Exposition bei Aufnahme von 2 l Abwasser aus Fukushima pro Tag über ein Jahr: 1,9 mSv; jährliche Strahlenbelastung in Deutschland natürlich + zivilisatorisch: 4 mSv; durchschnittliche Strahlenbelastung durch eine CT-Untersuchung: 6 mSv; zusätzliche Jahresdosis bei 30 Zigaretten pro Tag: 13 mSv)
Quelle: InstRadBioBw/Cornelius Hermann

Unsere Ergebnisse sprechen aber auch dafür, dass der in Japan allgemein festgelegte Trinkwasser-Grenzwert, wenn diese Konzentration in täglich konsumiertem Wasser tatsächlich vorliegen würde, mit über 1 mSv/Jahr zur Strahlenbelastung beitragen würde und damit zu hoch angesetzt ist. An dieser Stelle soll auch noch einmal erwähnt werden, dass in aktuellen Pressemeldungen die Absicht betont wird, die Abwasseraktivität aus Fukushima weiter auf unter 1 500 Bq/l zu senken (das heißt weit unterhalb des allgemeinen Trinkwassergrenzwertes!). Damit läge die Strahlenbelastung deutlich unter den in unseren Simulationen berechneten bereits unproblematischen Werten.

Fazit

Unter der Voraussetzung der Richtigkeit der offen zugänglichen Informationen kann aus radiologischer Sicht das Befahren von Gewässern vor der Küste der Präfektur Fukushima als unbedenklich angesehen werden. Es besteht keine Gefährdung für Schiffsbesatzung oder Passagiere und es sind keine besonderen Schutzmaßnahmen erforderlich.

Auch wenn das InstRadBioBw primär an militärischen Bedürfnissen ausgerichtet ist, belegt die vorgenommene Gefährdungsanalyse, dass in engem Zusammenwirken mit zivilen Facheinrichtungen die singuläre Expertise und die technischen Fähigkeiten des Instituts bei sehr einschlägigen Fragestellungen sowohl zum Nutzen der Streitkräfte als auch ziviler Akteure gewinnbringend eingesetzt werden können. 


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