Radioactieve straling bestaat niet

Kernsplijting van uranium of plutonium maakt een grote hoeveelheid energie vrij. Zoveel zelfs dat het versplijten van één gram uranium equivalent is aan het verbranden van 3000 kg steenkool. Het grootste deel van deze energie komt vrij als bewegingsenergie van de splijtingsproducten. Een derde deel bestaat uit ioniserende straling, een verzamelnaam voor geladen deeltjes (alfa deeltjes en elektronen), gammastraling en neutronen. Zes procent van de splijtingsenergie komt vertraagd vrij in de vorm van straling door verval van de radioactieve splijtingsproducten, en wordt daarom ook wel nawarmte genoemd. Deze fractie lijkt klein, maar voor een kerncentrale met een vermogen van 1500 MegaWatt zoals in Borssele is de nawarmte gelijk aan de warmteproductie van 50.000 elektrische kachels. Gelukkig neemt ze snel af in de tijd.

Als de nawarmte niet wordt weggevoerd, kan de splijtstof te heet worden en uiteindelijk zelfs smelten. Dat laatste heeft in maart 2011 plaatsgevonden in Fukushima in maar liefst drie kerncentrales tegelijk. In een vierde centrale die buiten bedrijf was, werd de splijtstof in het opslagbassin buiten het reactorvat te heet. Als splijtstofstaven oververhit raken, zal eerst de Zircalloy omhulling oxideren waarbij waterstofgas wordt geproduceerd. Dat laatste kan bij recombinatie met zuurstof tot gevaarlijke situaties leiden en heeft in Fukushima drie grote ontploffingen tot gevolg gehad. Zodra de omhulling van de splijtstof faalt, kunnen de gasvormige en vluchtige splijtingsproducten zoals de edelgassen, Jodium en Cesium ontsnappen naar het reactorvat (de eerstvolgende barrière tussen de radioactieve reactorkern en de omgeving) en in sommige gevallen zelfs naar het containment (de daarop volgende barrière). In Fukushima heeft dit al snel tot vrijgifte van radionucliden naar de omgeving geleid, omdat door voortdurende productie van stoom, de druk in het containment bleef oplopen, waardoor die uiteindelijk moest worden gereduceerd door het aflaten van stoom met daarin grote hoeveelheden waterstofgas en radionucliden. Later bleek van een aantal reactoren het reactorvat zo zeer beschadigd dat via het koelwater continu lekkage van radionucliden naar de zee plaatsvond.

Bovenstaande beschrijving van het ongeval in Fukushima toont duidelijk het verschil aan tussen ioniserende straling en radionucliden; twee begrippen die in de volksmond nogal eens met ‘radioactieve straling’ worden aangeduid. Ioniserende straling kan, zoals de naam al aangeeft, atomen ioniseren en daarbij schade aan het DNA in cellen veroorzaken. Radionucliden zijn isotopen die in een aangeslagen toestand verkeren en bij verval naar de grondtoestand ioniserende straling uitzenden. Ioniserende straling is in veel gevallen gemakkelijk af te schermen. Alfadeeltjes laten zich al tegenhouden door een velletje papier, terwijl elektronen worden geabsorbeerd in enige tientallen centimeters lucht of enkele centimeters plastic. Voor gammastraling is materiaal met een hoog atoomnummer nodig, zoals lood, terwijl neutronen effectief kunnen worden tegengehouden door een mengsel van lichte en zware materialen. Beton is hiervoor een goede keus.

Een heel andere situatie ontstaat als er radionucliden in het milieu terechtkomen die uiteindelijk door de mens kunnen worden ingeademd of via ingestie in het lichaam kunnen worden opgenomen. Deze nucliden kunnen aanleiding geven tot interne bestraling van het lichaam. Berucht is bijvoorbeeld radon, een edelgas dat in hoge concentraties in mijnen kan voorkomen. Radon vervalt onder uitzending van alfadeeltjes die de onbeschermde longen van binnenuit kunnen bestralen met mogelijk longkanker als gevolg. Ook berucht zijn nucliden die worden opgenomen in bepaalde organen van het menselijk lichaam, zoals jodium in de schildklier en strontium in botweefsel. Na een ongeval in een kerncentrale waarbij het risico bestaat dat het vluchtige jodium kan ontsnappen, is het dan ook zaak om tijdig jodiumpillen te distribueren. Door de schildklier te verzadigen met niet-radioactief jodium, kan voorkomen worden dat radioactief jodium wordt opgenomen.

De energie-afgifte van straling aan een medium wordt geabsorbeerde dosis genoemd, met als fysische eenheid Gray (Gy). Eén Gray staat gelijk aan een energie-afgifte van 1 Joule/kilogram. Om de effecten van straling op het menselijk lichaam te bepalen, wordt deze dosis als uitgangspunt genomen. Echter niet alle stralingssoorten geven bij gelijke dosis dezelfde effecten. Alfadeeltjes geven hun energie af in een heel klein volume, terwijl gammastraling maar weinig interacties ondergaat en de resulterende dosis over een groter volume wordt uitgesmeerd. Dit effect wordt verdisconteerd in de stralingsweegfactor, die varieert van 1 voor gammastraling tot 20 voor alfadeeltjes. Daarnaast moet ook de gevoeligheid voor straling van een bepaald orgaan in rekening worden gebracht. Zo zijn geslachtsorganen veel gevoeliger voor straling dan de huid. Hiertoe wordt weefselweegfactor geïntroduceerd, die varieert van 0,20 voor geslachtsorganen tot 0,01 voor de huid. De som van de weefselweegfactoren over alle organen is genormaliseerd op 1, zodat bij homogene bestraling toch de juiste lichaamsdosis wordt bepaald. De grootheid die uiteindelijk alle effecten van een bepaalde stralingsdosis op het menselijk lichaam in rekening brengt heet de effectieve dosis. Omdat de gebruikte weegfactoren dimensieloos zijn, wordt ook de effectieve dosis weergegeven in Joule/kilogram. Om toch onderscheid te maken tussen de geabsorbeerde dosis en effectieve dosis, wordt de laatste aangeduid met Sievert (Sv).

Omdat de aardkorst radioactieve elementen zoals kalium, uranium en thorium bevat, is alles op aarde tot aan het menselijk lichaam toe van nature licht-radioactief. Daarnaast wordt de aarde bestraald vanuit de ruimte. De totale effectieve jaardosis ten gevolge van de achtergrondstraling bedraagt in Nederland ruim 2 mSv. Dat is laag in vergelijking met andere landen. Op veel plaatsen op aarde is de achtergronddosis afhankelijk van de grondsoort en de hoogte tot wel tien keer hoger. Een kleine verhoging van de achtergronddosis door kunstmatige bronnen zal dan ook naar verwachting geen nadelige gevolgen hebben voor de volksgezondheid.

Opmerkelijk is dat er nog geen consensus bestaat in de wetenschappelijke wereld over de effecten van straling bij lage dosiswaarden. Schadelijke effecten worden immers pas zichtbaar bij een (te) hoge dosis. Bij gebrek aan data wordt daarom de dosis-effect-relatie lineair geëxtrapoleerd van hoge dosiswaarden naar nul, terwijl er juist sterke aanwijzingen zijn dat een lage stralingsdosis een gunstig effect heeft op de gezondheid. Dit effect wordt stralingshormese genoemd en is waarschijnlijk een gevolg van het feit dat een lage stralingsdosis het biologisch mechanisme tot reparatie van DNA defecten stimuleert. De angst voor straling is dan ook vaak erger dan de straling zelf. Het bewijs hiervoor bij mensen is echter moeilijk experimenteel te verkrijgen omdat het ethisch niet verantwoord is gezonde mensen opzettelijk te bestralen. Bewijs moet daarom komen van de overlevenden van de atoombommen op Hiroshima en Nagasaki, van mijnwerkers en andere werknemers die beroepsmatig aan een hogere dosis worden blootgesteld, en van het kernongeval in Tsjernobyl waarbij een grote hoeveelheid radionucliden is vrijgekomen. En hoewel bij het ongeval in Fukushima slechts een tiende deel van die hoeveelheid is vrijgekomen en de bevolking tijdig werd voorzien van jodiumpillen en snel werd geëvacueerd, kunnen wellicht ook uit dit ongeval lessen getrokken worden over de effecten van ioniserende straling bij lage doses.

For more information, please contact  j.l.kloosterman (at) tudelft.nl