Radioaktivitätsmessungen in Umweltmedien

Das Landeslabor Berlin-Brandenburg betreibt in Oranienburg und Frankfurt (Oder) zwei Strahlenmessstellen, deren Hauptaufgabe die Überwachung der Umweltradioaktivität für das Land Brandenburg nach § 162 Strahlenschutzgesetz (StrlSchG) ist. Diese Aufgabe steht in Verbindung mit der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zum Integrierten Mess- und Informationssystem zur Überwachung der Radioaktivität in der Umwelt (AVV-IMIS). Dafür werden erzeugernah entnommene Proben aus allen Landesteilen gemessen. Der vorliegende Beitrag stellt das System und die Notwendigkeit der Umweltüberwachung radioaktiver Stoffe in Deutschland am Beispiel Brandenburgs kurz vor. Schutzziel der Radioaktivitätsmessungen ist der Mensch. Daher ergibt sich hier ein etwas anderes Verständnis des Begriffs Umweltprobe. Es geht primär um Expositionspfade und nicht um eine Beschreibung der radiologischen Situation der Umwelt als solche. Weiterhin sind sämtliche in diesem Aufgabengebiet untersuchte Proben rechtlich gesehen Umweltproben, auch wenn es sich der Verwendung nach um Futter- oder Lebensmittel handelt.

Jede Strahlungsart benötigt eine spezielle Analytik

Zur Bestimmung der vorgegebenen Analyten stehen den Messstellen unter anderem Gammadetektoren, Alphaspektrometer, Flüssigszintillationszähler sowie Proportionalitätszähler zur Verfügung. Während die Proben zur Bestimmung gammastrahlender Nuklide lediglich in eine definierte Probengeometrie überführt werden müssen, ist zum Nachweis alpha- und betastrahlender Analyten aufgrund des geringen Durchdringungsvermögens und der damit verbundenen Selbstabsorption dieser Strahlungsarten im Probenmaterial eine aufwändige Probenvorbereitung mit anschließendem radiochemischen Trennungsgang erforderlich. Bei der Gammaspektrometrie können zudem Proben auf mehrere Nuklide gleichzeitig untersucht werden, weshalb dieses Messverfahren zusätzlich am häufigsten eingesetzt wird.

Für die Gammaspektrometrie werden im LLBB hochauflösende, mit flüssigem Stickstoff gekühlte Reinstgermanium-Halbleiterdetektoren verwendet. Die Detektoren befinden sich in einer Bleiburg, um sie vor der Umgebungsstrahlung abzuschirmen. Für die Messung werden die aufbereiteten Proben in einer geeigneten, definierten Messgeometrie direkt auf dem Detektor gemessen. Am häufigsten wird als Messgeometrie die 1-Liter-Ringschale verwendet, die umgangssprachlich auch als 1-Liter-Marinelli-Becher bezeichnet wird.

Expositionspfade – untersucht werden 
Matrizes aus bestimmten Umweltbereichen

Bei der Wechselwirkung des einzelnen Menschen mit ionisierender Strahlung spricht man von einer Exposition. Deren Bewertung erfolgt durch eine ermittelte Dosis in einem bestimmten Bereich bzw. Medium. Die ermittelte Dosis soll dabei alle Expositionspfade in dem Bereich berücksichtigen, wie die äußere Exposition durch Radionuklide im Boden oder durch kosmische Strahlung sowie die Inkorporation unter anderem durch Ingestion (zum Beispiel Aufnahme von Lebensmitteln) und Hautresorption. Im Labor werden einzelne Matrizes untersucht, die Umweltbereichen (zum Beispiel Sammelmilch, Blattgemüse, Klärschlamm) zugeordnet werden und damit Teile des Dosispfads vom Ursprung zur tatsächlichen Exposition darstellen. Die Konzentration von Radionukliden in Nahrungsmitteln (zum Beispiel Milch, Gemüse, Fisch) ist von der Konzentration der Radionuklide in anderen Umweltmedien (zum Beispiel Futtermittel, Ackerboden, Gewässer) abhängig. Es ist deswegen sinnvoll, auch diese Medien ständig zu überwachen. Die von den Strahlenmessstellen ermittelten Aktivitätskonzentrationen werden von Leitstellen (siehe Infobox) auf Plausibilität überprüft und weiter ausgewertet (BMUV 2025). Somit gehen diese Messwerte unter anderem in die Statistik ein, mit der die durchschnittliche Strahlenexposition der Bevölkerung in Deutschland ermittelt wird.

Es gibt zehn Umweltbereichsgruppen, zum Beispiel Boden, Futtermittel und Nahrungsmittel (einschließlich Trinkwasser). Dabei wird jede Probe mit einem detaillierten Code, dem sogenannten Deskriptor, sehr eindeutig beschrieben. Unterschieden wird dabei beispielsweise auch, ob ein Nahrungsmittel im Freiland, ungeschützt oder geschützt angebaut wurde. Wenn alle notwendigen Angaben im Deskriptor ausgefüllt wurden, wird die Probe im Labor-Infomations-Management-System (LIMS) einem Umweltbereich zugeordnet. Dieser Umweltbereich legt fest, in welcher Einheit die Aktivitätskonzentration bzw. spezifische Aktivität anzugeben ist, und legt auch die geforderte Nachweisgrenze fest. Letztlich entscheidet er auch darüber, welche Leitstelle des Bundes die Messwerte weiterverarbeitet. Diese Deskriptoreneinteilung beruht auf einem Prinzip, das schon vor der Radioaktivitätsüberwachung der Umwelt existierte.

Herkunft und Umfang der Umweltproben, die mit Gammaspektrometrie untersucht wurden

Im Jahr 2024 wurden 1.162 Probenahmen und Untersuchungen von Proben zur Überwachung der Umweltradioaktivität durchgeführt. Davon wurden 866 Proben mithilfe der Gammaspektrometrie untersucht. Die meisten (65 %) Umweltproben wurden im Bereich Nahrungsmittel genommen. Bei den 12 Bioindikatoren handelte es sich ausschließlich um Blätter und Nadeln.

Tabelle: Anzahl der Proben, die 2024 im jeweiligen Umweltbereich mithilfe von Gammaspektrometrie untersucht wurden

Künstliche Radionuklide in der Umwelt stammen aus unterschiedlichen Quellen

Die Hauptquelle für künstliche Radionuklide in der Umwelt sind unter anderem die Kernwaffentests der Atommächte, die vor allem in den 1950er und 1960er Jahren durchgeführt wurden. Bis 1963 der Vertrag über das Verbot von Kernwaffenversuchen in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser (TBT 1963) in Kraft trat, fanden diese Kernwaffenexplosionen häufig oberirdisch in der Atmosphäre statt. Dabei wurden die bei den Explosionen erzeugten Spalt- und Aktivierungsprodukte in höhere Atmosphärenschichten getragen und weiträumig verteilt. Im europäischen Raum ist die Reaktorkatastrophe von Block 4 des Kernkraftwerks Tschernobyl im Jahr 1986 eine weitere Ursache für die Verteilung größerer Mengen von anthropogenen Radionukliden in der Umwelt. Brandenburg war vom radioaktiven Niederschlag aus Tschernobyl, bis auf einige Gebiete im Nordwesten, nur in geringem Umfang betroffen, wie beispielsweise aus Karten der Bodenkontamination mit Cäsium-137 ersichtlich wird (BfS 2024).

Aufgrund des fortdauernden radioaktiven Zerfalls seit diesen inzwischen Jahrzehnte zurückliegenden Ereignissen sind die Radionuklide mit kürzeren Halbwertszeiten bereits zerfallen und nicht mehr nachweisbar. In den aktuell gewonnenen Umweltproben sind im Allgemeinen an künstlichen Radionukliden nur noch Cäsium-137 (Cs-137) und Strontium-90 (Sr-90) mit Halbwertszeiten von rund 30 Jahren zu messen. In bestimmten Medien kommen zusätzlich noch Tritium (H-3, im Deponiesickerwasser), Iod-131 und Lutetium-177 (I-131 und Lu-177, in Klärschlämmen und Abwasser aus Kläranlagen) regelmäßig vor. Diese Nuklide haben jedoch andere Quellen wie beispielsweise aktuelle medizinische Anwendungen (LLBB 2022).

Das bundesweite Vorgehen der Umweltüberwachung radioaktiver Stoffe unterliegt hohen Genauigkeitsanforderungen

Welche Messungen zur Bestimmung welcher Nuklide in welchen Medien durchgeführt werden müssen, ist in den Messprogrammen der AVV-IMIS festgelegt. Dabei wird als Genauigkeitsanforderung an die jeweilige Messung eine Nachweisgrenze (NWG) festgelegt, die zu erreichen bzw. zu unterschreiten ist. Die Berechnungen der NWG der Messungen erfolgen nach DIN ISO 11929. Für die beiden in Umweltmedien noch vorkommenden anthropogenen Radionuklide aus den Kernwaffentests bzw. aus dem Tschernobyl-Niederschlag, Cs-137 und Sr-90, werden unterschiedliche Bestimmungsmethoden angewandt. Cs-137 ist, wie einige andere Nuklide auch, sicher über die Gammaspektrometrie messbar, weshalb dieses Nuklid praktisch in jeder Probe gemessen wird. Sr-90 hingegen ist ein reiner Betastrahler (keine Emission von Gammastrahlung). Sein Nachweis bedarf eines aufwendigen radiochemischen Trennungsgangs, in dem Strontium elementrein abgetrennt und in dessen Ergebnis Sr-90 über sein Tochternuklid Y-90, zum Beispiel mittels Proportionalitätszähler, bestimmt wird. Diese Analytik wird daher nur an einem Teil der Proben durchgeführt. Im Fall der Gammaspektrometrie wird die geforderte NWG nicht wie bei den Einzelnuklidanalysen (zum Beispiel Sr-90) für jedes einzelne Nuklid vorgegeben, sondern nur für das sicher messbare Kobalt-60 (Co-60). Die NWG aller anderen Nuklide ergeben sich dann in einem bestimmten Verhältnis zu der von Co-60 in Abhängigkeit von den kernphysikalischen Eigenschaften der Nuklide und der Effizienzkurve des Gammaspektrometers. Somit gibt es keine explizit in der AVV-IMIS geforderte NWG für Cs-137.

Neben den anthropogenen Radionukliden finden sich in den Proben je nach Medium auch natürliche Radionuklide. Beispielsweise dient in vielen Proben die Aktivitätskonzentration von K-40 als Plausibilitätskriterium von Messungen, da Kalium in vielen Proben natürlicherweise enthalten ist. Oft ist es das einzige Nuklid, das überhaupt nachgewiesen werden kann. In Milch zum Beispiel liegt die erwartete K-40-Aktivitätskonzentration bei etwa 50 Bq/l. Dies liegt daran, dass Milch einen relativ stabilen Kaliumgehalt aufweist. Weicht die K-40-Aktivitätskonzentration von diesem Wert stark ab, ist dies ein Hinweis darauf, dass mit der Probe oder der Messung etwas nicht in Ordnung ist. Die Cs-137-Aktivitätskonzentration kann in Milchproben selten detektiert werden.

Die stetige Umweltüberwachung von radioaktiven Stoffen ist eine Übung für den Notfall

Eine kontinuierliche Überwachung der Umwelt durch Radioaktivitätsmessungen ist notwendig, um Aktivitätskonzentrationen der typischerweise vorkommenden Radionuklide im jeweiligen Umweltmedium zu kennen. Dafür müssen über einen längeren Zeitraum Messwerte der Basis- bzw. Hintergrundaktivitätskonzentration erhoben werden. Nur so können Entwicklungen in den Werten dokumentiert werden. Durch die Kenntnis der Basiswerte können Ausreißer bzw. Veränderungen identifiziert werden. Weiterhin ist die Vorhaltung von Personal, das die komplexen radiochemischen Verfahren beherrscht und die Messgeräte bedienen kann, sowie die Unterhaltung einsatzfähiger Messgeräte und der Labore eine zwingende Notwendigkeit. Diese Kompetenz und Struktur kann nicht erst in einem Notfall in ausreichendem Umfang erworben bzw. aufgebaut werden. Damit sind die kontinuierlichen Überwachungsaufgaben der Strahlenmessstellen vergleichbar mit denen der Feuerwehr. Die kontinuierliche Bearbeitung von Umweltproben führt zu einem routinierten Umgang mit den Messverfahren, um in Notfallsituationen, im sogenannten IMIS-Intensivbetrieb, schnell und kompetent handeln zu können. Wobei, anders als bei der Feuerwehr üblich, bei großflächigen radioaktiven Kontaminationen nicht mehr in die Ursache selbst eingegriffen werden kann, sondern nur das Ausmaß und die räumliche Verteilung erfasst werden können. Auf Grundlage der von den Strahlenmessstellen erhobenen Messwerte erfolgen dann Festlegungen, wie beispielsweise Verzehrverbote für bestimmte Lebensmittelgruppen in bestimmten Regionen. In einem realen Ereignisfall würden die Proben in einer hohen zeitlichen und räumlichen Verdichtung anfallen. Es ist daher sehr hilfreich, die notwendigen Abläufe und Messungen im Rahmen der jährlichen IMIS-Intensiv-Übung auch einmal unter Druck durchzuführen. Die letzten Ereignisse im Ukrainekrieg, der seit dem 24. Februar 2022 andauert, haben uns die Notwendigkeit, auch zukünftig eine Umweltüberwachung von radioaktiven Stoffen vorzuhalten, deutlich vor Augen geführt. Das Novum dieses Krieges ist, dass erstmals zwei Industrienationen mit in Betrieb befindlichen Kernkraftwerken gegeneinander kämpfen und diese Anlagen Teil des Kriegsgebiets sind, wodurch sich das Risiko eines Schadens extrem erhöht (BfS 2025).

Literatur

BMUV (2025) – Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz: Aufgaben der Leitstellen. 
www.bmuv.de/themen/strahlenschutz/ionisierende-strahlung/
ueberwachung-der-radioaktivitaet-in-der-umwelt/leitstellen-zur-
ueberwachung-der-umweltradioaktivitaet, abgerufen am 12.03.2025

Maushart, R. (1989): Überwachung der Radioaktivität in der Umwelt, Strahlenschutz-Meßtechnik für Praktiker Teil 3 der Reihe „Man nehme einen Geigerzähler“, GIT Verlag GmbH Darmstadt: 119-123.

TBT – Test Ban Treaty (1963). de.wikipedia.org/wiki/
Vertrag_%C3%BCber_das_Verbot_von_Kernwaffenversuchen_in_der_
Atmosph%C3%A4re,_im_Weltraum_und_unter_Wasser, abgerufen am 22.02.2024

BfS (2024) – Bundesamt für Strahlenschutz. Radioaktive Belastung von Pilzen und Wildbret. www.bfs.de/DE/themen/ion/umwelt/lebensmittel/pilze-wildbret/pilze-wildbret.html, abgerufen am ­11.04.2024

LLBB (2022) – Landeslabor Berlin-Brandenburg, Jahresbericht: Über die Analytik von Radionukliden der Nuklearmedizin im Rahmen der Umweltüberwachung – Lutetium-177: 96-98

BfS (2025) – www.bfs.de/SharedDocs/Kurzmeldungen/BfS/DE/2022/ 0225-ukraine.html, abgerufen am 09.04.2025