Thoron und Radon in Innenräumen

Bedeutung von Thoron für den Strahlenschutz

Das radioaktive Edelgas Radon (das Nuklid 222Rn der Uran-Radium-Zerfallsreihe) und seine Zerfallsprodukte sind seit langem als Gesundheitsrisiko in der Raumluft bekannt. Dagegen fanden in der Vergangenheit das Radon-Isotop Thoron (220Rn der Thoriumzerfallsreihe) und dessen Zerfallsprodukte weniger Beachtung, was an seiner relativ kurzen Halbwertszeit liegt. Zwei Gründe führten jedoch dazu, dass seit kurzem das Interesse des Strahlenschutzes an Thoron steigt: Zum einen werden inzwischen auch geringere Konzentrationen radioaktiver Edelgase in der Luft als gesundheitsschädlich angesehen, zum anderen wurden in Häusern, die aus Lehm gebaut sind, Thoron-Konzentrationen gefunden, die in der Größenordnung üblicher Konzentrationen von Radon liegen. Fragen wie die, unter welchen Bedingungen hohe Thoron-Konzentrationen auftreten, welche Eigenschaften (z. B. welche Größenverteilung) die Zerfallsprodukte besitzen und wie man die Exposition gegenüber Thoron senken kann, sind aktuelle Themen im Strahlenschutz und werden auch in der Arbeitsgruppe Präventiver Strahlenschutz am Institut für Strahlenschutz bearbeitet.

Thoron tritt in der Zerfallsreihe des schon immer weltweit im Boden vorkommenden Schwermetalls Thorium auf. Es besitzt eine Halbwertszeit von nur 56 Sekunden (bei Radon sind es 3,8 Tage) und kann als Edelgas innerhalb weniger Minuten aus dem Boden oder dem Baumaterial in die Raumluft eintreten. Dort zerfällt es über mehrere metallische Zerfallsprodukte (vor allem 212Pb und 212Bi), wobei auch Alphastrahlung emittiert wird. Wie beim Radon trägt das Gas selbst kaum zur Strahlendosis bei. Werden aber die Zerfallsprodukte inhaliert, die sich an das Innenraumaerosol anlagern oder Wassercluster bilden, ist es genau die von ihnen ausgehende Alphastrahlung, die in den Atemwegen eine signifikante Strahlendosis verursachen kann.

Zerfallsschema von Thoron und Radon
Abb. 1: Zerfallsschema von Thoron und Radon

In modernen Gebäuden, die ein dichtes Fundament besitzen, gelangt Thoron wegen seiner kurzen Halbwertszeit nicht aus dem Boden in die Raumluft. Auch die meisten Baumaterialien sind nicht als Thoron-Quellen bekannt, weil sie wenig Thorium enthalten oder für die Exhalation von Thoron zu dicht sind. Jedoch wurden besonders hohe Thoron-Konzentrationen in einer Vielzahl von Häusern in den traditionellen Wohnhöhlen und Lehmhäusern auf dem zentralchinesischen Lössplateau gefunden. In Kooperation mit Strahlenschützern der chinesischen Gesundheitsbehörde CDC (Frau Prof. B. Shang) konnte die Arbeitsgruppe Präventiver Strahlenschutz Messreihen in diesen Häusern durchführen.

Wohnhöhlen und Häuser aus Lehm
Abb. 2: Auf dem zentralchinesischen Lössplateau leben viele Menschen in Wohnhöhlen …
Abb. 3: … oder Lehmhäusern. Dort wurden besonders hohe Thoron-Konzentrationen gefunden.

Vorhersage von Konzentrationen durch das Thoron-Modell

In den letzten Jahren wurde in der Arbeitsgruppe Experimentelle Radioökologie ein Modell zur Berechnung der Konzentrationen von Thoron und seinen Zerfallsprodukten in Häusern entwickelt. Dazu mussten zunächst die Einflüsse auf die Entstehung des Gases und der Zerfallsprodukte, also ihre Quellen und Senken, erkannt und zueinander in Bezug gesetzt werden. Die in den so erstellten Gleichungen enthaltenen Parameter mussten anschließend in Messungen bestimmt werden. Für diese Messungen wurde am Helmholtz Zentrum München ein ganz besonderes Labor aufgebaut: der Nachbau eines traditionellen Lehmraumes aus dem zentralchinesischen Lössplateau. In diesem Raum können verschiedenste Umgebungsbedingungen (z. B. Luftwechselraten durch Öffnen und Schließen der Fenster oder die Luftfeuchte mit Luftbefeuchtern und -trocknern) eingestellt werden. Die Instrumentierung umfasst folgende Messgeräte:

RAD7Thoron-Konzentration
Passivdetektoren (CR-39)Thoron-Konzentration
Working-Level-Monitore mit Filtern und DrahtgitternKonzentration der Zerfallsprodukte (gesamt und unangelagert)
PIPS-Detektoren (Alphaspektrometrie)Deposition der Zerfallsprodukte
KondensationspartikelzählerAerosolkonzentration
SMPS, APS, DMAGrößenverteilung des Aerosols
Berner-KaskadenimpaktorGrößenverteilung der Zerfallsprodukte
HPGe-Detektoren (Gammaspektrometrie)Aktivität von gesammeltem Aerosol
Pt100-SensorenTemperatur (auch räumliche Verteilung)
Kapazitive SensorenLuftfeuchte
MikrowellensensorMaterialfeuchte des Baumaterials

CO2-Sensor

Luftwechselrate


Der Modell-Lehmraum des HMGU
Abb. 4: Am Helmholtz Zentrum München befindet sich ein ganz besonderes Labor: der Nachbau eines traditionellen chinesischen Lehmraumes im Maßstab 1:2,25.

Die Ergebnisse der Messungen aus dem Lehmraum konnten bereits in Messkampagnen in China (in Zusammenarbeit mit dem CDC Beijing, Frau Prof. B. Shang) und in Nordindien (in Zusammenarbeit mit der Universität Amritsar, Herr Prof. B. S. Bajwa) bestätigt werden. Die gewonnenen Informationen können auf verschiedenste Räume aus Lehm oder anderem Baumaterial, bei dem die Thoron-Exhalation bekannt ist, angewendet werden. Für die Bewohner der chinesischen und indischen Lehmhäuser wird so eine jährliche Strahlendosis von etwa 2 mSv berechnet, wenn man die dort üblichen baulichen Bedingungen annimmt.

Gibt es Thoron auch in deutschen Häusern?

Auch in Deutschland sind Häuser, in denen Lehm verbaut wurde, weit verbreitet: In Fachwerkhäusern wird in den meisten Fällen Lehm zum Ausfüllen der Gefache und als Wandputz verwendet (Abb. 5); im ökologischen Hausbau ist Lehm ein beliebtes natürliches Baumaterial, das besonders im Innenverputz zur Anwendung kommt. Mit den bekannten Thorium-Konzentrationen in mitteleuropäischem Lehm sind auch in deutschen Lehmhäusern signifikante Thoron-Konzentrationen zu erwarten. Um einen ersten Überblick zu erhalten, wurde deshalb dazu eine Pilotstudie durchgeführt. In insgesamt 17 bayrischen Häusern, bei denen Lehm als Baumaterial Verwendung fand, wurde die Innenraumkonzentration von Thoron bzw. seinen Folgeprodukten gemessen. Die Häuser wurden zufällig gewählt; es waren sowohl Fachwerkhäuser als auch moderne Häuser mit Lehmverputz oder Lehmpanelen vertreten. Die Messperiode betrug jeweils acht Wochen im Spätwinter/Frühling.

Ein Fachwerkhaus
Abb. 5: In Fachwerkhäusern wurde meist Lehm als Baumaterial verwendet.

In allen außer zwei vermessenen Häusern wurden signifikante Thoron Konzentrationen gemessen, allerdings räumlich recht inhomogen wegen der kurzen Halbwertszeit von Thoron: Hoch nahe der Lehmwand und abnehmend zur Raummitte. Zur Abschätzung der Inhalationsdosis hat sich deshalb die Messung der Folgeprodukte als wesentlich aussagekräftiger erwiesen, da es durch die längere Halbwertszeit homogen im Raum verteilt ist. In den neun Häusern, in denen die Folgeprodukte gemessen wurden, lag die jährliche Dosis im Bereich 0,6 - 4 mSv (unter der Annahme eines mittleren Aufenthalts im Haus von 10 h pro Tag). Interessanterweise waren zwei der modernen Lehmhäuser Spitzenreiter in der Messreihe (Abb. 6). Hier hat der geringe Luftaustausch im gut isolierten Neubau bewirkt, dass sich ein hoher Pegel der Thoronfolgeprodukte eingestellt hat.

Abb. 6: Folgeproduktkonzentration und resultierende Inhalationdosis in den vermessenen Häusern.

In zwei Häusern wurde mit verschiedenen Messverfahren eine detaillierte vergleichende Studie durchgeführt. So wurde in einem Raum das räumliche Konzentrationsprofil von Thoron an verschiedenen Wänden gemessen, um das Gesamtinventar zu bestimmen. Dabei ergab sich zusätzlich zu der bekannten Aktivitätsabnahme zur Raummitte, dass die Profile wegen turbulenter Mischung unterschiedliche Verläufe haben. Wegen lokal verschiedener Exhalation aus der Wand, können sogar die Thoron Konzentrationen direkt an der Wand verschieden sein (Abb. 7). Dies sind zusätzliche Gründe für eine direkte Messung der Folgeprodukte von Thoron, bei der sogar eine mögliche Advektion aus benachbarten Räumen berücksichtigt wird. Dagegen ist eine separate Messung der unangelagerten Folgeprodukte wegen der im Allgemeinen geringen Konzentration nicht nötig.

Abb. 7: Thoronluftkonzentrationen in verschiedenen Räumen eines Fachwerkhauses in Abhängigkeit des Wandabstandes. In Raum 1 wurde das Profil an zwei Wänden gemessen; die Räume 5 und 6 sind ohne Lehmoberflächen.

Bei modernen gut isolierten Häusern ist die Luftwechselrate sehr niedrig, was hohe Innenraumkonzentrationen begünstigt. In einem nach Energiespargesichtpunkten gebauten Haus mit aktiver Lüftung konnten Messungen bei unterschiedlichen Luftwechselraten durchgeführt werden. Eine deutliche Abnahme der Dosis durch Thoronfolgeprodukte konnte bei hoher Ventilation festgestellt werden (Abb. 8). Die Bedeutung einer aktiven Ventilation für den präventiven Strahlenschutz wird umso deutlicher, wenn man diese Dosiswerte mit der jährlichenDosis von 7,8 ± 3,2 mSv vergleicht, die im gleichen Haus in einem nicht aktiv ventilierten Raum gemessen wurde.

Abb. 8: Einfluss der Ventilation eines Raumes in einem modernen Energiesparhaus auf die jährliche Dosis durch Inhalation von Thoronfolgeprodukten aus Lehmputz.

Literatur

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