Cäsium-137 – Radiocäsium Kontamination & Lebensmittel Grenzwert von 600 Bq/kg

Cäsium-137 ist ein Gammastrahler mit einer Halbwertzeit von 30,08 JahrenCäsium ist ein weiches, goldfarbenes Metall mit einem Schmelzpunkt von 28,5 °C. Es hat die Ordnungszahl 55 und eine relative Atommasse von 132,9. Von dem Element Cäsium sind 35 Isotope bekannt: Cäsium-114 bis Cäsium-148 (Seelmann-Eggebert et al. 1981).Wenn umgangsprachlich von Radiocäsium geredet wird, ist das Cäsium-137 gemeint.
Das stabile Cs-133 ist das einzige natürlich vorkommende Isotop. Es kommt hauptsächlich in dem Mineral Pollucit, mit einem Gehalt von bis zu 30 % Cs20 vor. Alle anderen Cäsium Isotope entstehen künstlich, bei Atombombenexplosionen und in Kernreaktoren.

Übersicht

Hier einige wichtige Fakten in der Übersicht

Cäsium 137
Strahlenart Gammastrahlen, Betastrahlen
physikalische Halbwertszeit 30,19 Jahre
biologische Halbwertszeit Mensch ca. 110 Tage
Anreicherung im Muskelgewebe
Eintrag in die Umwelt wesentlich globaler Kernwaffen Fallout
Tschernobyl Fallout
Unfall Fukushima
Grenzwert* für Milch u. Milcherzeugnisse 370 Bq/kg
Grenzwert übrige Lebensmittel 600 Bq/kg
Grenzwertüberschreitung, regional teilweise Pilze, Wildschweinfleisch

*=gültig für Gesamtcäsium (Cs-134 + Cs-137)

Radiocäsium: Cäsium 137 ist strahlenbiologisch relevant

Strahlenbiologisch gesehen ist Cs-137 das bedeutenste Cs-Isotop. Es entsteht, mit 6,2% Spaltausbeute, in relativ großer Menge bei Atombombenexplosionen (KATCOFF 1958) und verbleibt, mit einer physikalischen Halbwertzeit von rund 30 Jahren, langfristig in der Umwelt. Das Zerfallsschema des Nuklids ist in der Abbildung 1 wiedergegeben.

Cäsium-137 ist ein Gammastrahler mit einer Halbwertzeit von 30,08 Jahren
Abb. 1: Zerfallsschema von Cäsium-137, nach LEDERER et al. (1967)

Das Zerfallsschema: Cäsiums-137 zerfällt über das metastabile Barium-137m in stabiles Barium-137. Das metastabile Ba-137 zerfällt über Abgabe von Gamma-Strahlung.

Cäsium-137 zerfällt mit einer Wahrscheinlichkeit von 6,5% direkt und mit einer Wahrscheinlichkeit von 93,5% indirekt, über das metastabile Barium-137m in stabiles Barium-137. Beim indirekten Zerfall werden Beta-Strahlen mit einer Energie von 0,513 MeV frei. Das metastabile Ba-137 zerfällt mit einer physikalischen Halbwertzeit von 2,55 Minuten unter Aussendung von Gamma-Strahlen (0,662 MeV). Die Aktivitätsbestimmung von Cs-137 erfolgt über diese Gamma-Strahlung.

Halbwertszeit 11018,30 Tage = 30,187 Jahre

Cäsium 137 hat mit 30,19 Jahren, bezogen auf eine menschliche Lebensspanne, eine lange Halbwertzeit, während sich beispielsweise die Aktivität von Jod-131 innerhalb von 8 Tagen durch radioaktiven Zerfall halbiert.

Aus strahlenbiologischer Sicht ist außer Cs-137 auch Cäsium-134, von allerdings geringerer Bedeutung. Cs-134 zerfällt mit einer physikalischen Halbwertzeit von 2,1 Jahren unter Aussendung von Beta- und Gamma-Strahlen. Es entsteht hauptsächlich durch Neutronen- einfang am stabilen Cs-133 in Kernreaktoren, während es bei Atombombenexplosionen nur in Spuren gebildet wird.

Cäsium gehört, genau wie Kalium zu den Alkalimetallen und ist das unedelste und damit reaktionsfähigste Element dieser Gruppe. Es reagiert chemisch und stoffwechsel-physiologisch ähnlich wie Kalium (Davis 1963), das für viele Organismen essentiell ist und intrazellulär angereichert wird. Cäsium kann Kalium aber nicht in seinen Stoffwechselfunktionen ersetzen und wird deshalb von Organismen i.d.R. auch nicht im gleichen Verhältnis wie Kalium aufgenommen (Kornberg 1961). Der Grund dafür könnte in den unterschiedlichen Ionenradien liegen: sie betragen für K+ 1,33 Å, für Cs+ 1,65 Å. Eine biologische Bedeutung von Cs für Tier oder Pflanze konnte bisher nicht nachgewiesen werden.

Einlagerung im menschlichen Körper

Das Nuklid wird überwiegend mit der Nahrung aufgenommen und verteilt sich im Organismus hauptsächlich im Muskelgewebe, sehr ähnlich wie das Kalium-40. Im Gegensatz zum Strontium 90 ist der Einbau in Knochengewebe gering. Durch die Stoffwechselaktivität wird Cäsium-137 im menschlichen Körper mit einer biologischen Halbwertzeit von ca. 110 Tagen ausgeschieden.

Gammaspektrum

Die Abbildung zeigt den für Cs-137 relevanten Ausschnitt aus dem Gammaspektrum einer Probenmessung von Hirschtrüffel an einem Reinstgermaniumdetektor am Labor für Radioisotope (LARI), der Universität Göttingen.
Auf der Ordinate sind die gemessenen Impulse und auf der Abszisse ist die Energie aufgetragen.
Das Hauptmaximum der Gamm-Energieverteilung liegt bei 662 keV (Full Energy Peak). Die prozentuale Ausbeute pro Zerfall beträgt 85%.

Gammaspektrum von Cäsium-137 bei 662 keV

Abb. 2: Gammaspektrum mit Cäsium-137 Peak von einer Messung an Hirschtrüffel. Quelle: LARI

Grenzwerte 350 Bq/kg bzw. 600 Bq/kg

Für Cäsium 137 besteht für Lebensmittel (ausser Milch) im Handel ein Grenzwert von 600 Bq pro Kilogramm, allerdings gilt dies nicht für den Eigenbedarf. Beispielsweise dürfen Jäger Fleisch von einem erlegten Wildschwein im Eigenverzehr auch mit Aktivitäten über 600 Bq/kg konsumieren.

Die Grenzwerte sind in der Verordnung EWG 737/90 des Rates vom 22. März 1990 über die Einfuhrbedingungen für landwirtschaftliche Erzeugnisse mit Ursprung in Drittländern nach dem Unfall im Kernkraftwerk Tschernobyl festgelegt.

Die Grenzwerte wurden auch in der VO von 2008 (Verordnung (EG) Nr. 733/2008 ) beibehalten und sind bis 2020 gültig (Auszug):
„Artikel 2
(1) Unbeschadet der anderen geltenden Bestimmungen können die in Artikel 1 genannten Erzeugnisse nur unter der Voraussetzung in den freien Verkehr verbracht werden, dass die in Absatz 2 des vorliegenden Artikels festgesetzten Höchstwerte eingehalten sind.

(2) Die maximale kumulierte Radioaktivität von Cäsium-134 und Cäsium-137 darf folgende Werte nicht überschreiten (9):
a) 370 Bq/kg für Milch und Milcherzeugnisse, die in Anhang II aufgeführt sind, sowie für Lebensmittel für die Ernährung speziell von Säuglingen während der vier bis sechs ersten Lebensmonate, die für sich genommen dem Nahrungsbedarf dieses Personenkreises genügen und in Packungen für den Einzelhandel dargeboten werden, die eindeutig als Zubereitungen für Säuglinge gekennzeichnet und etikettiert sind;
b) 600 Bq/kg für alle anderen betroffenen Erzeugnisse.“

Auch die Europäischen Union erwähnt in der Verordnung (EG) Nr. 1048/2009 des Rates vom 23. Oktober 2009 die besondere Bedeutung von Biomedien in Waldökosystemen:

„(3) Es liegen wissenschaftliche Erkenntnisse darüber vor, dass die Dauer der Caesium-137-Kontaminierung nach dem Unfall von Tschernobyl bei einer Reihe von Erzeugnissen, die von in Wäldern und bewaldeten Gebieten lebenden bzw. wachsenden Arten stammen, im Wesentlichen von der Halbwertzeit dieses Radionuklids (30 Jahre) abhängig ist.

(4) Die Verordnung (EG) Nr. 733/2008 sollte daher entsprechend geändert werden —…..“

Forschung

Erhöhte Radiocäsium Kontaminationen sind mehr als 30 Jahre nach dem Tschernobyl-Unfall weitestgehend auf einige Biomedien in Waldökosystemen, wie beispielsweise Pilze und Wildschweine beschränkt. Entsprechend erfolgt Forschung heute überwiegend in diesem Bereich. Fragestellungen sind nach wie vor die Dynamik von Radiocäsium in Waldböden, Pilzen und Wildtieren sowie entsprechende Modellierungen. Umweltanalysen.com führt auf diesen Gebieten seit 1994 eigene Forschungen sowie Auftragsforschung, überwiegend für das BfS, durch.

Cs-137 in der Umwelt

Durch  Atombombentests gelangten seit 1945 künstliche, radioaktive Spaltprodukte in die Atmosphäre und verbreiteten sich weltweit. Bei jedem Test entstehen ca. 200 Spaltprodukte, von denen viele wegen ihrer kleinen physikalischen Halbwertzeit schon nach kurzer Zeit nicht mehr nachzuweisen sind. Von den verbleibenden Spaltprodukten kommt den Isotopen Strontium 90 und Cäsium 137 eine besondere Bedeutung zu:

  • sie haben lange Halbwertzeiten (Sr 90 = 28 Jahe, Cs 137 = 30 Jahre)
  • sie verhalten sich physiologisch ähnlich wie die wichtigen Bioelemente Kalcium und Kalium
  • bei jedem Atomtest entstehen sie in größerer Menge (ca. 3-7% Spaltausbeute)

Globaler Fallout

Bei den oberirdischen Atombombentests gelangten die radioaktiven Spaltprodukte in die Atmosphäre und wurden durch Stoffaustauschreaktionen zwischen der Tropo- und der Stratosphäre weltweit deponiert. Diese Ablagerung erfolgte überwiegend mit den Niederschlägen, teilweise aber auch über trockene Deposition.

Als Folge dieser oberirdischen Atombombentests in den 50er und 60er Jahren ist weltweit in Umweltmedien auch heute noch das radioaktive Isotop Cs-137 vorhanden. Mit Zunahme der Kernwaffentests stieg die globale Belastung durch Cs-137 kontinuierlich an.

Auf internationalen Druck hin beschlossen die USA, die ehemalige UDSSR und Großbritannien 1963 einen begrenzten Kernwaffenteststoppvertrag, der nur noch unterirdische Atombombentests erlaubt. In den folgenden 3 Jahrzehnten nahm daraufhin die globale Umweltkontamination mit Cs-137 langsam ab.

Tschernobyl Fallout

Am 26.04.86 ereignete sich der Reaktorunfall in Tschernobyl. Dabei gelangte eine Radioaktivitätsmenge von 2×1018 Bq in die Atmosphäre (ZIFFERO 1988). Das ist die höchste Aktivitätsmenge, die jemals kurzfristig aus einer Strahlungsquelle freigesetzt wurde (IAEA 1991). Etwa die Hälfte davon ging innerhalb 60 km um die Unfallstelle nieder, während der Rest ungleichmäßig über ganz Europa verteilt wurde (Abbildung 3).

Insgesamt gelangten etwa 40 verschiedene Radionuklide in die Umwelt, wobei für die Strahlenbelastung langfristig insbesondere Jod (Jod 131) und Cs 137 sowie Strontium (vor allem Sr 90) von Bedeutung sind.

Tschernobyl Fallout mit Cäsium-137 über Europa 1986

Abb. 3. Verteilung der Cs-137 Aktivität nach dem Tschernobyl Fallout (aus: European Union, Brussels 1998)

Die radioaktiven Stoffe wurden durch die heißen Gase aus dem brennenden Reaktorkern in Höhen von mehr als 1500 Metern getragen, von wo sie in den folgenden Tagen, je nach den  Wetterverhältnissen, grossräumig in Skandinavien, Finnland, auf dem Baltikum, und Süddeutschland, verteilt wurden. Die Deposition erfolgte überwiegend mit den Niederschlägen sehr inhomogen, wodurch hoch belastete Flächen dicht neben nur gering belasteten Flächen liegen können.

In der Bundesrepublik Deutschland erfolgte die Deposition der Radionuklide i.w. mit Regenschauern, die zwischen dem 30. April und dem 5. Mai 1986 niedergingen. Etwa zwei Drittel der deponierten Aktivität stammten dabei von den Isotopen Jod-131 und Tellur-132, die allerdings mit Halbwertzeiten von nur 8 bzw. 3 Tagen, relativ schnell zerfallen. Von den langlebigen Nukliden stellt Cäsium-137 mit 8% den größten Anteil der Gesamtaktivität. Die langfristige Strahlenbelastung durch den Reaktorunfall wird daher fast ausschließlich durch dieses Nuklid verursacht. Die in der Bundesrepublik deponierte Cs-137 Menge betrug insgesamt nur 300 g.

Literatur

Davis J. J., 1963: Cesium and ists relationships to potassium in ecology. in: Schultz V., Klement A. W. Jr. (eds.): Radioecology. ReinholdPpubl. Comp., New York: 539-556.
IAEA International Atomic Energy Agency, 1991: The international Chernobyl projekt. An overview. Assessment fo radiological consequences and evalution of protective measures. Report by an international advisory committee.
Lederer, M., Hollander, J.M., Perlmann, I., 1967: Table of isotopes. Wiley and Sons. New York.
Katcoff S., 1958: Fission product yields from U, Th, and Pu. Nucleonics 16: 78-85.
Kornberg H. A., 1961: The use of element-pairs in radiation hazard assessment. Health Phys. 6: 46-62.
Seelmann-Eggebert W., Pfennig G., Münzel H., 1981: Nuklidkarte. Gesellschaft für Kernforschung mbH. Karlsruhe, 5. Aufl.
M. De Cort , G. Dubois, Sh. D. Fridman, M.G. Germenchuk, Yu. A. Izrael, A. Janssens, A. R. Jones, G. N. Kelly, E. V. Kvasnikova, I. I. Matveenko, I. M. Nazarov, Yu. M. Pokumeiko, V. A. Sitak, E. D. Stukin, L. Ya. Tabachny, Yu. S. Tsaturov, 1998 and: „Atlas of Caesium Deposition on Europe after the Chernobyl Accident“, EUR report nr. 16733, Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg, Plate 1.
Ziffero M., 1988: A post-chernobyl view. in: Harley J.H., Schnidt G.D., Silini G. (eds.): Radionuclides in the food chain. ILSI Monographs. Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg: 3-9.