Simulation der Ausbreitung radioaktiver Schadstoffe

Simulation der Ausbreitung radioaktiver Schadstoffe
Dosisberechnung W. Scheuermann Universität Stuttgart - Kontext der Ausbreitung - Mrz-17

Inhalte der Vorlesung Ziele und Kontext von Ausbreitungsrechnungen
Ausbreitungsphänomene, Modellierung physikalischer Prozesse Freisetzung, Zerfall Topographie, Geländemodelle, Koordinatensysteme Windfeldmodelle Transportmodelle Dosisberechnung, chemische Prozesse in der Atmosphäre Simulationssysteme Softwareparadigmen / Frameworks Werkzeuge zur Modellierung (UML) Architektur von ABR_V2.0 Modelle in der ABR_V2.0 Benchmarks / Validierung W. Scheuermann Universität Stuttgart - Kontext der Ausbreitung - Mrz-17

Artikel in der Stuttgarter Zeitung
0,3 – 0,4 Microsievert pro Stunde Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Fragen und Rückschlüsse
Was wurde gemessen? Wie sind die Messwerte einzuordnen? Sind gesundheitliche Schäden zu erwarten? Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Wie sind die Messwerte einzuordnen?
Berechnete Jahresdosis: 8h: 0,8 – 1,2 mSv 24h: 2,6 – 3,5 mSv W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Was wurde gemessen? Dosis Allgemeine oder physikalische Dosisbegriffe
Messbar Dosisbegriffe für den Strahlenschutz Nicht direkt messbar Ableitbar aus den allgemeinen Dosisbegriffen Neben dem reinen Energieübertrag durch die Strahlung wird noch die Reaktion des biologischen Gewebes bei der Dosisbestimmung berücksichtigt W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Physikalische Dosisbegriffe
Energiedosis Ist die pro Masseneinheit auf ein Material übertragene Energie Energiedosis ist für jedes Material definiert 𝒅𝒎=𝝆∗𝒅𝑽 𝜺= 𝑹 𝒊𝒏 − 𝑹 𝒆𝒙 + 𝑸 𝑫= 𝒅 𝜺 𝒅𝒎 = 𝟏 𝝆 ∗ 𝜺 𝒅𝑽 𝑫 = 𝑱 𝒌𝒈 =𝟏𝑮𝒚 Mit: 𝝆 Dichte des Materials 𝒅𝑽 Volumen 𝒅𝒎 Masse 𝜺 durch Ionisierung übertragene Energie 𝑹 𝒊𝒏 Summe der eintretenden Energien 𝑹 𝒆𝒙 Summe der austretenden Energien 𝑸 Reaktions- und Umwandlungsenergien 𝒅 𝜺 mittlere übertragene Energie Quelle: Dosimetrie ionisierender Strahlung, Prof.Dr.rer.nat K.-H.Folkerts W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Energiedosisleistung Energiedosis pro Zeiteinheit 𝑫 = 𝒅𝑫 𝒅𝒕 Bei einer zeitabhängigen Energiedosisleistung gilt: 𝑫= 𝟎 𝒕 𝒆𝒙𝒑 𝑫 𝒕 ∗𝒅𝒕 Mit 𝒕 𝒆𝒙𝒑 Expositionsdauer Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

KERMA (Kinetic Energy Released in Matter) Die unmittelbar auf die Sekundärteilchen übertragene Energie Ist wie die Energiedosis für jedes Material definiert 𝑲= 𝒅 𝑬 𝒕𝒓 𝒅𝒎 = 𝟏 𝝆 ∗ 𝒅 𝑬 𝒕𝒓 𝒅𝑽 𝑲 = 𝑱 𝒌𝒈 =𝑮𝒚 Mit 𝒅 𝑬 𝒕𝒓 Summe der Anfangswerte der kinetischen Energie aller geladenen Teilchen, die von indirekt ionisierender Strahlung aus dem Material freigesetzt wurde Grundsätzlich gilt: Wird die Teilchenenergie vollständig im Volumenelement vollständig absorbiert ist: 𝑫≤𝑲 𝑫=𝑲 Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Ionendosis und –leistung Durch Wechselwirkung der Strahlung mit Luft werden Ionenpaare und damit elektr. Ladungsträger gebildet. Die so erzeugte Ladung ist ein Maß für den Energieübertrag durch ionisierende Strahlung 𝑱= 𝒅𝑸 𝒅 𝒎 𝒂 = 𝟏 𝝆 𝒂 ∗ 𝒅𝑸 𝒅 𝑽 𝒂 𝑱 = 𝑪 𝒌𝒈 Mit: 𝑱 Ionendosis 𝒅𝑸 Betrag der elektrischen Ladung der Ionen 𝒅 𝒎 𝒂 Masse der Luft 𝒅 𝑽 𝒂 Volumen der Luft W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Messung der Ionendosisleitung in der Ionisationskammer 𝑱 = 𝑰 𝒌 𝒎 𝒂 = 𝑰 𝒌 𝝆 𝒂 ∗ 𝑽 𝒌 Mit: 𝑱 Ionendosisleistung 𝑰 𝒌 Strom in der Ionisationskammer 𝒎 𝒂 Masse der Luft in der Kammer 𝝆 𝒂 Dichte der Luft 𝑽 𝒌 Volumen der Ionisationskammer Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Zusammenhang zwischen Ionendosis und Energiedosis (in Luft) 𝑫 𝒂 = 𝒅𝜺 𝒅 𝒎 𝒂 ≈ 𝑬 𝒕𝒓 𝒎 𝒂 = 𝑵 𝒊𝒐𝒏 ∗𝒘 𝒎 𝒂 = 𝑸∗𝒘 𝒆∗ 𝒎 𝒂 = 𝒘 𝒆 ∗ 𝑰 𝒌 ∗∆𝒕 𝒎 𝒂 Mit: 𝑫 𝒂 Energiedosis in Luft 𝑬 𝒕𝒓 Übertragene Energie 𝑵 𝒊𝒐𝒏 Zahl der erzeugten Ionen eines Vorzeichens 𝒘 w-Werte der Luft (~34 eV) 𝒆 Elementarladung (1,6E-19 C) 𝑫 𝒂 =𝟏,𝟔∗ 𝟏𝟎 −𝟏𝟗 ∗ 𝒘 𝒆 ∗ 𝑱∗∆𝒕 Bestimmung der Energiedosis für andere Stoffe 𝑫 𝑮𝒆𝒘𝒆𝒃𝒆 = 𝒇 𝑮𝑳 ∗ 𝑫 𝒂 Mit: 𝒇 𝑮𝑳 dem Gewebe-Luftfaktor Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Lineare Energieübertragungsvermögen LET Zur Beschreibung der lokalen Abgabe von Energie durch ionisierende Strahlung wurde das lineare Energie-übertragungsvermögen definiert LET: linear energy transfer Definition: Der lineare Energietransfer LET geladener Teilchen in einem Medium ist der Quotient aus dem mittleren Energieverlust dE, den das Teilchen durch Stöße erleidet, bei denen der Energieverlust kleiner ist als eine vorgegebene Energie Δ und dem dabei zurückgelegten Weg ds Der LET ändert sich mit der Teilchenenergie Faustregel: Ionisierende Strahlung ist strahlenbiologisch um so wirksamer, je größer der LET ist W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Dosisbegriffe für den Strahlenschutz
Strahlenbiologische Experimente zeigen Unterschiedliche Strahlenarten, sowie unterschiedliche Bedingungen bei der Exposition führen trotz gleicher Energiedosen zu unterschiedlichen biologischen Wirkungen Damit Strahlenexpositionen, die unter verschiedenen Bedingungen erhalten wurden bzgl. des damit verbundenen Risikos miteinander vergleichbar gemacht werden können, hat man „gewichtete“ Dosisgrößen eingeführt ICRP –Empfehlung von 1990 (ICRP: International Comittee on Radiological Protection) Übernahme in deutsche Strahlenschutzgesetzgebung in Strl.Sch.V von Aug 2001 sowie RöV von 2003 W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Hauptziel des Strahlenschutzes Schutz des Menschen vor den schädlichen Einflüssen ionisierender Strahlung Wesentlich für die Durchführung Kenntnis des Zusammenhanges zwischen Strahleneinwirkung auf den Menschen und dem daraus resultierenden Risiko Dosis-Wirkungsbeziehung W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Wechselwirkung von Strahlung mit biologischen Strukturen Ionisation durch direkte Wechselwirkung der Strahlung mit der biologischen Struktur (direkte Strahlenwirkung) Durch indirekte Wechselwirkung über die von der Strahlung erzeugten freien Radikale (Radikalreaktionen) (indirekte Strahlenwirkung) Hervorrufen von Zellschäden, insbesondere der DNA Wirkung abhängig von Dosis Zeit Organ Milieu W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Zusammenhang zwischen Dosis und auftretenden Schäden Dosis in Gy Symptome Bemerkung 0 – 0,25 keine keine nachweisbaren Effekte 0,25 – 1 meist keine, Appetitlosigkeit Schädigungen des Knochenmarks, Abnahme der roten und weißen Blutkörperchen, Schäden an Lymphknoten und Milz 1,0 – 3,0 Leichte bis schwere Infekte, Appetitlosigkeit Schädigung des blutbildenden Systems schwerer, Erholung möglich 3,0 – 6,0 Ernste Erkrankungen, Infekte, Durchfall, Haarausfall, zeitweise Sterilität Tödlicher Ausgang in 50% der Fälle zwischen Gy > 6,0 Obige Symptome plus Schädigung des ZNS ohne Behandlung tödlicher Ausgang W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Deterministische Effekte Nicht kompensierbare Schädigung einer Vielzahl von Zellen Für das Auftreten dieser Schäden existiert ein sogenannter Dosisschwellenwert Ds Geringste Schwellenwerte, bei hoher Dosisleistung Ds ~ 0,2 bis 0,5 Gy Die Grenzwerte sind so gewählt, dass deterministische Effekte mit Sicherheit ausgeschlossen werden W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Dosisschwellenwerte für deterministische Schäden Gewebeart und Effekt Gesamtenergiedosis aus einer einzelnen Exposition in Gy Jährliche Dosisleistung, wenn die Exposition über mehrere Jahre erfolgt. Gy/y Hoden zeitweise Sterilität dauernde Sterilität 0,15 3,6 – 6,0 0,4 2,0 Eierstöcke Sterilität 2,5 – 6,0 >0,2 Augenlinse Nachweis. Trübungen Katarakt 0,5 – 2,0 5,0 >0,1 >0,15 Knochenmark Unterdrückung der Blutzellbildung 0,5 >0,4 Hautrötung (Erythem) 3,0 – 5,0 W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Stochastische Schäden Stochastische Effekte sind solche, die aus strahleninduzierten Veränderungen in normalen Zellen resultieren Änderungen in den Körperzellen (Krebs) Änderungen in den Keimzellen (Erbschäden) Für das Auftreten von stochastischen Schäden gibt es keine Dosisschwellenwerte Wichtig: Es ist nicht mehr die Schwere des Schadens dosisabhängig, sondern die Eintrittswahrscheinlichkeit Um das Strahlenrisiko bezüglich stochastischer Schäden abschätzen zu können, ist es notwendig, den Zusammenhang zwischen Eintrittswahrscheinlichkeit und Dosis zu kennen Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Dosis-Risiko-Beziehung 𝑹 𝑫 =𝜶∗𝑫+𝜷∗ 𝑫 𝟐 Mit: 𝑹 𝑫 Risikowert 𝑫 Dosis Für das Mortalitätsrisiko im praktischen Strahlenschutz geht man von folgender linearen Beziehung aus: 𝑹 𝑫 = 𝑹 𝟎 ∗𝑫 Mit: 𝑹 𝟎 =𝟓∗ 𝟏𝟎 −𝟐 𝟏 𝑺𝒗 Risikofaktor W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Konzept der Dosisgrößen im Strahlenschutz Körperdosisgrößen Dienen zum Festlegen von Grenzwerten Dosis-Messgrößen Schätzwerte für die i.a. nicht messbaren Körperdosisgrößen Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Körperdosisgrößen Die Energiedosis D bildet die Basis für die Abschätzung möglicher Schäden aufgrund der Einwirkung ionisierender Strahlung auf den Menschen Im praktischen Strahlenschutz interessiert dabei i.a. nur das Risiko sogenannter stochastischer Effekte Definition der Organäquivalentdosis: 𝑯 𝑻 = 𝑹 𝒘 𝑹 ∗ 𝑫 𝑻,𝑹 [ 𝑯 𝑻 ]= 𝑱 𝒌𝒈 =𝑺𝒗 Mit: 𝑯 𝑻 Organäquivalentdosis (Organdosis) 𝑹 Strahlungsart 𝒘 𝑹 Strahlenwichtungsfaktor 𝑫 𝑻,𝑹 mittlere Energiedosis in einem Organ T W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Strahlenwichtungsfaktor Der Zahlenwert der Faktoren für eine Strahlenart und Energie der Strahlung wurde so gewählt, dass er repräsentativ bzgl. der biologischen Wirksamkeit bei der Induzierung stochastischer Effekte bei niedrigen Dosen ist Strahlenwichungsfaktoren nach Strl.Sch.V. 2001 W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Effektive Dosis Ist die Summe der einzelnen Organdosen, multipliziert mit einem organspezifischen Wichtungsfaktor Der Wichtungsfaktor beschreibt die Strahlenempfindlichkeit des jeweiligen Organs Eine derartige, auf den ganzen Körper bezogene Größe kann in Beziehung zum Strahlenrisiko gesetzt werden und ist deshalb eine geeignete Größe zur Angabe von Grenzwerten bei Strahlenexpositionen 𝑬= 𝑻 𝒘 𝑻 ∗ 𝑯 𝑻 = 𝑻 𝒘 𝑻 ∗ 𝑹 𝒘 𝑹 ∗ 𝑫 𝑻,𝑹 𝑬 = 𝑱 𝒌𝒈 =𝑺𝒗 Mit 𝒘 𝑻 den Gewebe-Wichtungsfaktoren Anwendungsbereich: 𝟎≤𝑬≤𝟐𝟓𝟎 𝒎𝑺𝒗 W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Gewebewichtungsfaktoren
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Die Begriffe der Organäquivalentdosis und der Effektiven Dosis beziehen sich nur auf die Abschätzung des stochastischen Risikos (Tumorinzidenz, genetische Schäden) bei niedrigen Dosen. Bei hohen Strahlendosen oder bei der Abschätzung deterministischer Strahlenschäden ist der Begriff der Organäquivalentdosis, bzw. der Effektive Dosis nicht definiert und daher nicht sinnvoll anwendbar. W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Dosis-Messgrößen Ortsdosis Die Ortsdosis ist die Äquivalentdosis in Weichteilgewebe gemessen an einem bestimmten Ort. Die Ortsdosis liefert einen Schätzwert für die effektive Dosis, die eine Person erhielte, wenn sie sich an diesem Ort aufhalten würde. Messungen der Ortsdosis dienen dem präventiven Strahlenschutz. Ortsdosismessungen liefern Daten zur Einrichtung von Strahlenschutzbereichen (Sperr- und Kontrollbereiche) W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Dosis-Messgrößen Personendosis Die Personendosis ist die Äquivalentdosis in Weichteilgewebe gemessen an einer für die Strahlenexposition repräsentativen Stelle der Körperoberfläche Die Personendosis ist ein individuelles Maß für die Exposition einer einzelnen Person durch externe Strahlung und wird in der Regel durch ein Dosimeter (Personendosimeter) gemessen W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Orts- und Personendosis bedürfen als Messgrößen einer physikalisch eindeutigen Definition. 𝑯=𝑸∗𝑫 𝑸= 𝟏 𝑫 ∗ 𝑳 𝑸 𝑳 ∗ 𝑫 𝑳 ∗𝒅𝑳 Mit: 𝑯 Äquivalentdosis 𝑸 Qualitätsfaktor 𝑸 𝑳 Abhängigkeit von Q vom LET W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Die Ortsdosis-Messgrößen sind für alle Strahlenarten in Zusammenhang mit einem Phantom definiert ICRU-Kugelphantom oder ICRU-Kugel Durchmesser 30 cm Dichte 1 g/cm3 Aus gewebeäquivalentem Plastik 76,2% Sauerstoff 11,1% Kohlenstoff 10,1% Wasserstoff 2,6% Stickstoff ICRU: International Commission on Radiological Units and Measurements W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Ortsdosis-Messgröße für durchdringende Strahlung Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) am interessierenden Punkt im tatsächlichen Strahlungsfeld Äquivalentdosis, die im zugehörigen ausgerichteten und aufgeweiteten Strahlungsfeld in 10mm Tiefe in der ICRU-Kugel auf dem der Strahleneinfallsrichtung entgegengesetzten Radiusvektor erzeugt würde H*(10) erhält man einen konservativen Schätzwert für die effektive Dosis Ortsdosis-Messgröße für Strahlung geringer Eindringtiefe Richtungs-Äquivalentdosis H`(0.07,Ω) am interessierenden Punkt im tatsächlichen Strahlungsfeld Äquivalentdosis, die im zugehörigen aufgeweiteten Strahlungsfeld in 0.07mm Tiefe auf einem in festgelegter Richtung Ω orientierten Radius der ICRU-Kugel erzeugt würde W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Personendosis-Messgröße für durchdringende Strahlung Tiefen-Personendosis Hp(10) Äquivalentdosis in 10mm Tiefe im Körper an der Tragestelle des Personendosimeters Personendosis-Messgröße für Strahlung geringer Eindringtiefe Oberflächen-Personendosis Hp(0.07) Äquivalentdosis in 0.07mm Tiefe im Körper an der Tragestelle des Personendosimeters W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Übersicht der Dosismessgrößen im Strahlenschutz nach Strl.Sch.V 2001 Externe Strahlung Limitierende Körperdosis Messgröße Ortsdosis Messgröße Personendosis Durchdringende Strahlung Effektive Dosis E H*(10) Hp(10) Strahlung geringer Eindringtiefe Hautdosis H`(0.07,Ω) Hp(0.07) Augenlinse H`(3,Ω) Hp(3) W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Praktische Umsetzung Strahlenschutzverordnung
Allgemeine Verwaltungsvorschrift zu §45 der Strahlenschutzverordnung Ermittlung der Strahlenexposition durch Ableitung radioaktiver Stoffe aus kerntechnischen Anlagen Ausführungsbestimmungen zur Dosisberechnung Leitfaden für den Fachberater Strahlenschutz Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Strahlenschutzverordnung
Regelt den Umgang mit radioaktiven Stoffen Ausführungsbestimmungen, spez. Dosisberechnung durch die Allgemeine Verwaltungsvorschrift AVV Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Strahlenexposition Ziel dieser Allgemeinen Verwaltungsvorschrift ist es, die Modelle und Parameter zur Berechnung der Strahlenexposition so festzulegen, dass bei deren Anwendung die zu erwartende Strahlenexposition des Menschen nicht unterschätzt wird. Die Strahlenexposition ist für Referenzperson in den Altersgruppen (Anlage VII Teil B Tabelle 1 StrlSchV) an den ungünstigsten Einwirkungsstellen zu ermitteln. W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Strahlenexposition Für die Referenzperson sind die effektive Dosis und die Organdosen im Kalenderjahr (Jahresdosis) zu berechnen. Die Jahresdosis ist als Summe der Dosen durch äußere und innere Strahlenexposition aufgrund radioaktiver Ableitungen mit der Abluft oder dem Abwasser unter Berücksichtigung der Beiträge nach § 47 Abs. 5 StrlSchV zu berechnen. W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Strahlenexposition Expositionspfade Äußere Strahlenexposition
Exposition durch Betastrahlung innerhalb der Abluftfahne (Betasubmersion) Exposition durch Gammastrahlung aus der Abluftfahne (Gammasubmersion) Exposition durch Gammastrahlung der am Boden abgelagerten radioaktiven Stoffe (Bodenstrahlung) Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Innere Strahlenexposition
Exposition durch Aufnahme radioaktiver Stoffe mit der Atemluft (Inhalation) Exposition durch Aufnahme radioaktiver Stoffe mit der Nahrung (Ingestion) Luft – Pflanze Luft – Futterpflanze – Kuh – Milch Luft – Futterpflanze – Tier - Fleisch W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Strahlenexposition Berechnung der äußeren Strahlenexposition
𝑯 𝑻,𝒂,𝒓 = 𝑯 𝑻,𝜷,𝒓 + 𝑯 𝑻,𝜸,𝒓 + 𝑯 𝑻,𝒃,𝒓 Mit: 𝑯 𝑻,𝒂,𝒓 Jahresdosis im Organ oder Gewebe T durch äußere Strahlenexposition über den Abluftpfad durch das Radionuklid r in Sv 𝑯 𝑻,𝜷,𝒓 Jahresdosis in 0,07 mm Hauttiefe durch Betasubmersion durch das Radionuklid r in Sv, für alle anderen Organe ist 𝑯 𝑻,𝜷,𝒓 = 0 zu setzen 𝑯 𝑻,𝜸,𝒓 Jahresdosis im Organ oder Gewebe T durch Gammasubmersion durch das Radionuklid r in Sv 𝑯 𝑻,𝒃,𝒓 Jahresdosis im Organ oder Gewebe T durch Bodenstrahlung bei der Ableitung radioaktiver Stoffe mit Luft durch das Radionuklid r in Sv 𝑯 𝒕,𝒂 = 𝒓 𝑯 𝑻,𝒂,𝒓 Jahresdosis: W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Betasubmersion Strahlenexposition durch Betastrahlung innerhalb der Abluftfahne 𝑯 𝑻,𝜷,𝒓 = 𝑨 𝒓 ∗ χ 𝑮 ∗ 𝒈 𝜷,𝒓,𝑻 Mit: 𝑯 𝑻,𝜷,𝒓 Jahresdosis durch Betasubmersion 𝑨 𝒓 Jährliche Ableitungsmenge des Radionuklids r in [Bq] χ 𝑮 Langzeitausbreitungsfaktor für das gesamte Jahr am betrachteten Ort in [s · m-3] 𝒈 𝜷,𝒓,𝑻 Dosisleistungskoeffizient für die Haut in 0,07 mm Tiefe durch Betasubmersion des Radionuklids r in [Sv · m3 · Bq-1 · s-1] für alle anderen Organe ist 𝑔 𝛽,𝑟,𝑇 =0 zu setzen Bilden sich während des Transports in der Atmosphäre Tochternuklide, so ist bei der Berechnung der Dosis der Dosisleistungskoeffizient des primären Radionuklides mit Berücksichtigung der Tochternuklide anzuwenden. W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Gammasubmersion Strahlenexposition durch Gammastrahlung aus der Abluftfahne Bei der Berechnung der Strahlenexposition durch Gammastrahlen sind wegen der großen Reichweite der Gamma-Quanten die Beiträge aus der gesamten Abluftfahne zu berücksichtigen Der Dosisberechnung sind zwei Energiegruppen, unterhalb und oberhalb von 0,2 MeV, zugrunde zu legen. Es ist zulässig, die Ausbreitungsfaktoren für die Gamma-Energien unter 0,2 MeV durch den Ausbreitungsfaktor für 0,1 MeV und für die höheren Gamma-Energien durch den Ausbreitungsfaktor für 1 MeV zu beschreiben Bilden sich während des Transports in der Atmosphäre Tochternuklide, so ist bei der Berechnung der Dosis der Dosisleistungskoeffizient des primären Radionuklids mit Berücksichtigung der Tochternuklide anzuwenden W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Gammasubmersion 𝑯 𝑻,𝜸,𝒓 = 𝑨 𝒓 ∗ 𝒈 𝜸,𝒓,𝒕 ∗ 𝒇 𝒓 ∗ χ 𝜸𝟏 𝑮 ∗ 𝒄 𝑮𝒆𝒐,𝜸𝟏 + 𝟏− 𝒇 𝒓 ∗ χ 𝜸𝟐 𝑮 ∗ 𝒄 𝑮𝒆𝒐,𝜸𝟐 Mit: 𝑯 𝑻,𝜸,𝒓 Jahresdosis durch Gammastrahlung 𝑨 𝒓 Aktivität des Radionuklids 𝒈 𝜸,𝒓,𝒕 Dosisleistungskoeffizient für das Organ oder Gewebe T durch Gammasubmersion des Radionuklids r 𝒇 𝒓 Anteil des Gamma-Energieemissionsspektrums des Radionuklids r oberhalb der Energie 0,2 MeV χ 𝜸𝟏 𝑮 Langzeitausbreitungsfaktor für das gesamte Jahr für Gammasubmersion für die Energiegruppe 1 bei Gamma- Energien von 1 MeV χ 𝜸𝟐 𝑮 Langzeitausbreitungsfaktor für das gesamte Jahr für Gammasubmersion für die Energiegruppe 2 bei Gamma- Energien von 0,1 MeV 𝒄 𝑮𝒆𝒐,𝜸𝟏 Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Körpergeometrie der Referenzperson bei Gammasubmersion für die Energiegruppe 1 bei Gamma-Energien von 1 MeV 𝒄 𝑮𝒆𝒐,𝜸𝟐 Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Körpergeometrie der Referenzperson bei Gammasubmersion für die Energiegruppe 2 bei Gamma-Energien von 0,1 MeV W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Gammasubmersion Der Anteil des Gamma-Energieemissionsspektrums des Radionuklids r oberhalb der Energie 0,2 MeV berechnet sich wie folgt: 𝒇 𝒓 = 𝑬 𝒊 >𝟎,𝟐𝑴𝒆𝑽 𝒀 𝒊 ∗ 𝑬 𝒊 𝒊 𝒀 𝒊 ∗ 𝑬 𝒊 Mit: 𝒀 𝒊 pro Zerfall emittierte Gamma-Quanten der Energie 𝑬 𝒊 𝑬 𝒊 Gamma-Energie in MeV Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Gammasubmersion Folgende Vereinfachung für die Ausbreitungsfaktoren für Gammasubmersion ist zulässig: χ 𝜸𝟐 𝑮 =𝟐∗ χ 𝜸𝟏 𝑮 Damit gilt für die Jahresdosis: 𝑯 𝑻,𝜸,𝒓 = 𝑨 𝒓 ∗ 𝒈 𝜸,𝒓,𝒕 ∗ χ 𝜸𝟏 𝑮 ∗ 𝒇 𝒓 ∗ 𝒄 𝑮𝒆𝒐,𝜸𝟏 +𝟐∗ 𝟏− 𝒇 𝒓 ∗ 𝒄 𝑮𝒆𝒐,𝜸𝟐 Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Ausbreitungsfaktoren
Langzeitausbreitungsfaktor für Gammasubmersion konstanter Daueremission für die Energie 1 MeV ist als Summe der Beiträge in der jeweiligen Ausbreitungsrichtung (Sektor i) und der Beiträge zu berechnen, die von den in den übrigen Sektoren vorhandenen Aktivitätskonzentrationen herrühren W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Langzeitausbreitungsfaktor W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Vereinfachte Ermittlung des Langzeitausbreitungsfaktor Bezogen auf den 300 Sektor Abhängig von der effektiven Quellhöhe Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Kurzzeitausbreitungsfaktor Für Gammaenergie von 1 MeV Diffusionskategorie j Mit: Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Kurzzeitausbreitungsfaktor Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Vereinfachte Ermittlung des Kurzzeitausbreitungsfaktors für Gammasubmersion anhand von Diagrammen Verschiedene Emissionshöhen Diffusionskategorien A bis F Photonenenergie von 1 MeV Windgeschwindigkeit von 1m/s Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Bodenstrahlung Strahlenexposition durch Gammastrahlung der am Boden abgelagerten radioaktiven Stoffe Gammastrahlen, die von am Boden abgelagerten Radionukliden ausgesandt werden, können aus einem Umkreis von bis zu einigen hundert Metern zur äußeren Strahlenexposition beitragen In diesem Umkreis ist von der gleichen abgelagerten Aktivität wie am betrachteten Ort auszugehen Bilden sich während der Betriebsphase der Anlage nach der Ablagerung radioaktiver Stoffe auf dem Boden Tochternuklide, so ist bei der Berechnung der Dosis der Dosisleistungskoeffizient des primären Radionuklids mit Berücksichtigung der Tochternuklide anzuwenden W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Bodenstrahlung 𝑯 𝑻,𝒃,𝒓 = 𝑨 𝒓 ∗ 𝑭 𝒓 𝑮 + 𝑾 𝒓 𝑮 ∗ 𝑲 𝒃,𝒓 ∗ 𝒈 𝒃,𝒓,𝑻 ∗𝒃∗ 𝒇 𝒓 ∗ 𝒄 𝑮𝒆𝒐,𝒃𝟏 + 𝟏− 𝒇 𝒓 ∗ 𝒄 𝑮𝒆𝒐,𝒃𝟐 Mit: 𝑭 𝒓 𝑮 Langzeitfalloutfaktor für das gesamte Jahr 𝑾 𝒓 𝑮 Langzeitwashoutfaktor für das gesamte Jahr 𝑲 𝒃,𝒓 Effektive Ablagerungszeit für das Radionuklid r 𝒈 𝒃,𝒓,𝑻 Dosisleistungskoeffizient für das Organ oder Gewebe T durch Bodenstrahlung des Radionuklids r 𝒃 Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Bodenrauhigkeit und des Eindringens in tiefere Bodenschichten, es ist b = 0 5 , zu setzen 𝒇 𝒓 Anteil des Gamma-Energieemissionsspektrums des Radionuklids r oberhalb der Energie 0,2 MeV 𝒄 𝑮𝒆𝒐,𝒃𝟏 Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Körpergeometrie der Referenzperson bei Bodenstrahlung für die Energiegruppe 1 bei Gamma-Energien von 1 MeV 𝒄 𝑮𝒆𝒐,𝒃𝟐 Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Körpergeometrie der Referenzperson bei Bodenstrahlung für die Energiegruppe 2 bei Gamma-Energien von 0,1 MeV W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Bodenstrahlung Für die effektive Ablagerungszeit 𝑲 𝒃,𝒓 gilt:
𝑲 𝒃,𝒓 = 𝟏− 𝒆𝒙𝒑 −λ 𝒓 ∗ 𝒕 𝒃 / λ 𝒓 Mit: λ 𝒓 Physikalische Zerfallskonstante des Radionuklids r 𝒕 𝒃 Zeitraum, innerhalb dessen das Radionuklid r auf dem Boden abgelagert wird W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Langzeitausbreitungsfaktor Bei Emission mit konstanter Quellstärke ergibt sich im Sektor i die Konzentrationsverteilung durch Summierung der Beiträge aus den 6 Diffusionskategorien j und den M Windgeschwindigkeitsstufen m. Die Variation der Windrichtung innerhalb des Sektors wird durch eine azimutale Mittelung der Konzentrationsbeiträge berücksichtigt Aufgrund der unterschiedlichen Wetterlagen ist zwischen Sommerhalbjahr, bzw. dem gesamten Jahr zu unterscheiden Bei der Konzentrationsverteilung b𝐞𝐝𝐞𝐮𝐭𝐞𝐭 τ: 𝑪 𝒊 τ (𝒙) τ=𝑮 Index für das gesamte Jahr τ=𝑺 Index für das Sommerhalbjahr (1.Mai bis 31. Oktober) W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Langzeitausbreitungsfaktor Mit: 𝝌 𝒊 𝝉 (𝒙) Langzeitausbreitungsfaktor 𝑪 𝒊 𝝉 𝒙 Konzentrationsverteilung 𝑨 Quellstärke 𝑵 Anzahl der Sektoren (Es wird empfohlen, N = 12 zu verwenden) 𝑯 Effektive Emissionshöhe 𝒑 𝒊,𝒋,𝒎 τ Häufigkeit, mit der der Wind bei der Diffusionskategorie j und der Windgeschwindigkeit aus der Stufe m in den Sektor i im gesamten Jahr, bzw. Sommerhalbjahr 𝑴 Anzahl der Windgeschwindigkeitsstufen 𝒖 𝒋,𝒎 Windgeschwindigkeit in effektiver Emissionshöhe für die Stufe m und die Diffusionskategorie j W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Langzeitausbreitungsfaktor Eine vereinfachte Berechnung des Langzeitausbreitungs-faktors in den einzelnen Sektoren ist zulässig auf der Grundlage der Häufigkeiten in den einzelnen Sektoren Wenn die Berechnung in den 12 Windrichtungssektoren nicht möglich ist χ 𝒊 τ = 𝒑 𝒊 τ ∗ χ τ Wobei für das Sommerhalbjahr gilt: χ 𝑺 =𝟐∗ χ 𝑮 W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Langzeitausbreitungsfaktor χ 𝑮 für verschiedene effektive Emissionshöhen Windrichtungshäufigkeit 100 % im 300-Sektor, von 1969 – 1986 W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Kurzzeitausbreitungsfaktoren Bei kurzzeitiger Emission ist die Annahme konstanter meteorologischer Bedingungen zulässig Die bodennahe (z = 0) Konzentrationsverteilung im Lee der Quelle ist wie folgt zu berechnen: Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Ungleichmäßige Emission
Langzeitausbreitungsfaktoren Zufällig verteilte Emissionen Emittierte Aktivitätsmenge nicht größer als 1/100 der gleichmäßig über das Jahr verteilt angenommenen Jahresemission Emissionen nicht systematisch sondern annähernd gleichmäßig über alle Tageszeiten verteilt In einem beliebigen Zeitraum eines halben Jahres wird die Hälfte der angenommenen Jahresemission nicht überschritten Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Langzeitausbreitungsfaktoren Periodische Emissionen Die pro Tag (24h) emittierte Aktivität ist nicht größer als 1/100 der gleichmäßig über das Jahr verteilten Jahresemission In einem beliebigen Zeitraum eines halben Jahres wird die Hälfte der Jahresemission nicht überschritten W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Treffen die zuvor genannten Kriterien nicht zu, sind Kurzzeitausbreitungsfaktoren zu verwenden Kurzzeitausbreitungsfaktoren Einstündige Emissionen Berechnung der Jahresdosis mit Kurzzeitausbreitungsfaktoren Emissionen mit mehr als 3 Stunden Dauer Berechnung der Jahresdosis mit Kurzzeitausbreitungsfaktoren und dem Faktor f ∆𝒕=𝟔𝒉 f=5/10 ∆𝒕=𝟏𝟐𝒉 f=4/10 ∆𝒕=𝟐𝟒𝒉 f=3/10 W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Inhalation Strahlenexposition durch Aufnahme radioaktiver Stoffe mit der Atemluft Tochternuklide, die während der Transportzeit von der Quelle bis zum Aufenthaltsort der Referenzperson gebildet werden, können bei der Berechnung der Jahresdosen durch Inhalation unberücksichtigt bleiben 𝑯 𝑻,𝒉,𝒓 = 𝑨 𝒓 ∗ χ 𝑮 ∗ 𝑽 ∗ 𝒈 𝒉,𝒓,𝑻 Mit: χ 𝑮 Langzeitausbreitungsfaktor 𝑽 Atemrate 𝒈 𝒉,𝒓,𝑻 Dosiskoeffizient für das Organ oder Gewebe T durch Inhalation des Radionuklids r W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Inhalation Atemraten Altersabhängig

Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung
Dosierungsschema zur Einnahme von Iodtabletten Diese Dosierung gilt nur für die 65 mg-Kaliumiodidtabletten aus der Notfallbevorratung W. Scheuermann Universität Stuttgart - Ziel und Rahmenbedingungen - Mrz-17

Schutzfaktoren a) Ohne Berücksichtigung einer möglichen Kontamination b) Abschätzung basiert auf einer homogen Konzentrationsverteilung c) Schutzfaktoren < 1 ergeben sich aufgrund einer erhöhten Ablagerung auf Bäumen Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Eingreifrichtwerte Name Universität Stuttgart - 1XX-123 – Modulthema - Mrz-17

Simulation der Ausbreitung radioaktiver Schadstoffe

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Simulation der Ausbreitung radioaktiver Schadstoffe

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Präsentation zum Thema: "Simulation der Ausbreitung radioaktiver Schadstoffe"— Präsentation transkript:

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