Radioaktiver Niederschlag – einfach erklärt

Begriff und Grundprinzip

Radioaktiver Niederschlag, auch Fallout oder Fall-out genannt, entsteht nach einer Kernwaffenexplosion oder nach einem schwerwiegenden Kernreaktorunfall. Bei solchen Ereignissen wird Staub durch eine Explosion in die Atmosphäre transportiert. Dort verteilt er sich als Aerosol, also als feine Mischung aus festen oder flüssigen Teilchen in Luft, in verschiedenen Luftschichten und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Richtungen. Wenn dieser Staub als Kondensationskeim für Niederschlag wirkt, gelangt er wieder auf die Erdoberfläche und kann dort gemessen werden.

Die Gefahr entsteht durch die Radioaktivität der Staubpartikel. Sie kann zu erheblicher Strahlenbelastung führen und unter Umständen eine Vergiftung durch Strahlung auslösen, also Strahlenkrankheit. Für das Verständnis sind drei Faktoren besonders wichtig: welche radioaktiven Stoffe entstanden sind, wie stark sie strahlen und wie sie durch Wetter, Wind, Regen und Explosionshöhe verteilt werden.

Formen des Niederschlags

Eine Sonderform ist der sogenannte Schwarze Regen. Er wird vor allem mit den Atombombenabwürfen auf Hiroshima und Nagasaki verbunden. Beim Zünden einer Atomwaffe verdampft die freigesetzte Energie alles in ihrem unmittelbaren Umkreis und entzündet weiter entfernte Stoffe. Asche oder Rauch, aufgewirbelter Staub und Wasserdampf vermischen sich mit sublimierten radioaktiven Resten der Waffe. Daraus entsteht eine radioaktive Wolke, die beim Aufsteigen abkühlt und schließlich abregnet. Wegen ihres hohen Aschegehalts erscheint dieser Regen schwarz.

Eine weitere Variante ist der Washout. Dabei fallen radioaktive Teilchen von oben auf eine Wolkendecke oder verbinden sich mit Regentropfen in der Wolke und gelangen so auf den Boden. Dieser Effekt kann dazu führen, dass auch weit entfernt von der Quelle kontaminierte Teilchen abgelagert werden, wenn dort Niederschläge auftreten. Dadurch kann die Strahlenbelastung betroffener Lebewesen auch im Nahbereich verstärkt werden.

Zusammensetzung und Stärke

Stärke und Zusammensetzung radioaktiven Niederschlags hängen von mehreren Größen ab: von der entstandenen Menge an Spaltprodukten, dem sogenannten Quellterm, von der Explosionshöhe, vom lokalen Wetter und von den Eigenschaften der einzelnen Spaltprodukte. Der Quellterm ist direkt proportional zur tatsächlich gespaltenen Menge Uran oder Plutonium. Fusionsstufen tragen für sich genommen nur wenig zum Quellterm bei. Das Konzept der „Salted bomb“ zielt dagegen darauf, besonders gefährliche Aktivierungsprodukte wie ^{60}Co zu erzeugen, um die Umgebung möglichst wirksam zu kontaminieren.

Bei einer klassischen Kernspaltungsbombe auf Uran- oder Plutoniumbasis entstehen proportional zur Sprengkraft Spaltprodukte, die als Fallout niedergehen und die Umgebung kontaminieren können. Zwei-Stufen-Kernwaffen nach dem Teller-Ulam-Design erzeugen im Verhältnis zu ihrer Sprengkraft weniger radioaktive Spaltprodukte, weil ein großer Teil der Sprengkraft aus einer Fusionsreaktion stammt. Drei-Stufen-Kernwaffen mit einer Ummantelung aus ^{238}U erzeugen wegen ihrer Größe besonders viele Spaltprodukte. Bei einer schmutzigen Bombe, die im engeren Sinn keine Kernwaffe ist, spricht man nicht von Fallout, sondern von lokaler Kontamination durch zugesetzte radioaktive Stoffe.

Die Zündungsart beeinflusst die räumliche Verteilung stark. Eine unterirdische Explosion, die die Oberfläche nicht erreicht, erzeugt keinen radioaktiven Niederschlag; langfristig können aber mobile Elemente wie Edelgase und andere chemisch nicht gebundene Stoffe an die Oberfläche gelangen. Bei bodennaher Zündung wird ein großer Teil radioaktiver Stoffe lokal abgelagert, ein weiterer Teil gelangt in die Atmosphäre und wird durch Winde und Niederschläge verteilt. Je höher die radioaktive Wolke aufsteigt, desto weiter verteilt sich der Fallout; dadurch ist die Belastung großflächiger, aber lokal weniger intensiv. Besonders viel Fallout entsteht bei halbunterirdischen Explosionen, wenn die Explosion den Boden bis zur Oberfläche durchschlägt, eine Erdfontäne erzeugt und einen Krater hinterlässt.

Wichtige Bestandteile sind Spaltprodukte aus Uran oder Plutonium, darunter Isotope der Elemente Caesium, Iod und Strontium. Besonders wichtig sind Iod-131 und Caesium-137. Iod-131 hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen und kann über die Atemluft leicht in den Körper aufgenommen werden; in den ersten Wochen kann es hohe Strahlendosen in der Schilddrüse verursachen. Caesium-137 hat eine Halbwertszeit von 30 Jahren und strahlt langfristig mit hoher Intensität, sodass schon vergleichsweise geringe Mengen gesundheitlich gefährlich sein können. Auch ursprünglich nicht radioaktive Elemente können durch Neutroneneinfang instabil werden und zum Fallout beitragen. Bei Wasserstoffbombenexplosionen wird radioaktives Tritium freigesetzt.

Verteilung durch Waffen, Unfälle, Brände und Wind

Der Fallout einer Atombombe kann sich über Gebiete von einigen tausend Quadratkilometern verteilen. Menge, Zusammensetzung und räumliche Verteilung hängen unter anderem von der Wetterlage, der Zündungshöhe und der Explosionsstärke ab. Zur Wetterlage zählen Windverhältnisse, Luftfeuchtigkeit, Regen zum Zeitpunkt der Zündung, Lufttemperatur und thermische Bedingungen. Die Hiroshima-Bombe wurde 580 Meter über Grund gezündet, die Nagasaki-Bombe 550 Meter über Grund.

Jede oberirdische Atombombenzündung erhöht außerdem die weltweite radioaktive Belastung, weil sich Elemente mit Halbwertszeiten von mehreren Jahren über die Erde verteilen. Die Hintergrundstrahlung ist durch Kernwaffentests bis heute erhöht. Besonders in den 1950er- und 1960er-Jahren war der weltweite Fallout durch oberirdische Atomwaffentests der USA und der Sowjetunion beträchtlich; deshalb wurden oberirdische Tests aus Strahlenschutzgründen durch eine Konvention von 1963 eingestellt. China führte seinen letzten oberirdischen Atombombentest 1980 durch. Während der weltweiten oberirdischen Kernwaffenversuche von 1954 bis 1966 wurden auf dem Boden der alten Bundesländer 2500 Becquerel pro Quadratmeter ^{90}Strontium und 4000 Becquerel pro Quadratmeter ^{137}Caesium gemessen; ein Großteil dieser Ablagerungen ist noch vorhanden.

Auch Kernkraft-Unfälle können Fallout erzeugen. Die Katastrophe von Tschernobyl 1986 führte zu Fallout, der in Mitteleuropa niederging und bis heute messbar ist. In Neuherberg bei München maß die Gesellschaft für Strahlenforschung am 26. April 1986 19.000 Becquerel pro Quadratmeter ^{137}Caesium, fast fünfmal so viel wie durch Kernwaffentests. Zusätzlich lagerten sich pro Quadratmeter 210 Becquerel ^{90}Sr ab. ^{90}Sr ist ein Betastrahler mit einer Zerfallsenergie von 0,546 MeV und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 28,78 Jahren zu ^{90}Y, das weiter zu stabilem ^{90}Zr zerfällt. Ursache der großräumigen Verfrachtung war der Graphitbrand im Reaktor, der radioaktive Teilchen hoch in die Atmosphäre trug. Bei westlichen Leichtwasser-Reaktoren ist wegen des Containments in der Regel mit geringerer Freisetzung zu rechnen; weil dort aber die Brand-Thermik fehlt, kann die Freisetzung bodennah bleiben und in der näheren Umgebung höhere Dosen verursachen als in Tschernobyl. Die Nuklearunfälle von Fukushima werden im Artikel ebenfalls als wesentlicher Fall von Strahlungsbelastung genannt.

Radioaktive Partikel können auch durch Brände oder Wind weiterverteilt werden. Während der Wald- und Torfbrände in Russland 2010 wurde vor Bränden in der stark durch Tschernobyl belasteten Region Brjansk gewarnt, weil radioaktive Partikel mit Rauch aufsteigen und weitere Gebiete verstrahlen könnten. Beim ersten britischen Kernwaffentest, Operation Hurricane, entzündeten 1952 glühende Metallreste Spinifex-Gras; die atomare Wolke erreichte 4500 Meter Höhe. Wind kann radioaktiven Staub auch ohne Feuchtigkeit verbreiten. 1967 bis 1968 trug Wind Staub vom ausgetrockneten Karatschai-See fort, der zuvor als Lagerstätte für radioaktiven Abfall aus der Anlage Majak genutzt worden war. Dadurch wurden etwa eine halbe Million Menschen und rund 1.800 km² mit einer Aktivität von 600 Curie, also 22 Tera-Becquerel, belastet.

Gesundheitliche Folgen und Überwachung

Radioaktiver Niederschlag kann bei sehr hohen Dosen akute, meist tödliche Strahlenkrankheit auslösen. Bei kleineren, aber ausreichenden Dosen kann er längerfristig zu Leukämie und Krebs, also Tumoren, führen. Der Artikel verweist außerdem auf einen Bericht der BIU über mögliche Auswirkungen von Kernschmelzunfällen und deren radioaktivem Niederschlag auf Menschen, Tiere und Pflanzen. Dieser Bericht skizziert und kommentiert Ergebnisse der „Deutsche Risikostudie Kernkraftwerke“, sowohl aus „Phase A“ als auch aus „Phase B“. Die Ergebnisse der Phase B wurden am 30. Juni 1989 vom Bundesforschungsminister und der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit der bundesdeutschen Öffentlichkeit vorgestellt.

In Deutschland informiert das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) in Salzgitter mit tagesaktuellen Messwerten über den Strahlenpegel im Niederschlag. Dafür dient das bundesweite ODL-Messnetz. ODL bedeutet Orts-Dosisleistung, also die an einem Ort messbare Strahlendosis pro Zeit. Das Messnetz arbeitet mit etwa 1700 Sonden. Die aktuellen Werte sind im Internet auf der Website des Bundesamtes für Strahlenschutz einsehbar.