Straling

Straling is het uitzenden van energie als golven (elektromagnetische straling) of als deeltjes (deeltjesstraling); volgens hedendaagse kwantummechanische opvattingen is dit hetzelfde. Straling is energieoverdracht zonder dat er sprake is van direct contact.

Oorzaak

Straling kan worden veroorzaakt door talloze natuurkundige processen, zoals radioactief verval, kernsplitsing of kernfusie, (hoge)temperatuur, of door materialen zoals gassen die kunnen gaan stralen onder invloed van elektriciteit.

Onderverdeling

Straling wordt dikwijls onderverdeeld in twee soorten: ioniserende en niet-ioniserende straling, om het energiegehalte en de gevaarlijkheid van de straling aan te duiden. Ionisatie is een proces waarbij elektronen uit atoomkernen verwijderd raken, waardoor elektrisch geladen deeltjes (ionen) achterblijven. Hierdoor treden chemische veranderingen op in de bestraalde moleculen, wat dergelijke straling vaak gevaarlijker maakt voor levende organismen.

Niet-ioniserende straling: Vele stralingsvormen, zoals warmte, zichtbaar licht, microgolven, of radiogolven hebben onvoldoende energie om elektronen uit atoomkernen verwijderd te laten raken, en worden daarom niet-ioniserende straling genoemd. Zo wordt in het geval van warmtestraling, bij voorwerpen op kamertemperatuur, de meeste energie uitgezonden op de golflengte van infrarood.
Ioniserende straling: Elektronen (negatief geladen) en nucleonen (positief geladen) welke gevormd worden en vrijkomen bij ionisatie, kunnen schade berokkenen aan levend weefsel. De term radioactiviteit verwijst gewoonlijk naar het vrijkomen van ioniserende straling. Ook hoog-energetische elektromagnetische straling is ioniserend (röntgenstraling, gammastraling).

Radioactiviteit

Radioactieve materialen produceren meestal alfastralen (bijv. deeltjes, de kernen van de atomen van helium), bètastralen (snel bewegende elektronen) en/of gammastralen (elektromagnetische golven met een hoge energie).

Alfastralen worden al door een vel papier, bètastralen pas door een dunne staalplaat tegengehouden. De meeste schade veroorzaken ze als de stoffen waardoor ze worden geproduceerd geabsorbeerd worden in het menselijk lichaam (via voedsel of door inademing).
Gammastralen zijn minder ioniserend dan alfa- of bètastralen, maar hebben een groot doordringend vermogen. Bescherming tegen die stralen vraagt een dikkere laag. Ze veroorzaken schade vergelijkbaar met de schade veroorzaakt door röntgenstralen, zoals brandwonden, genetische mutaties (veranderingen aan het DNA van de cellen), en (als gevolg hiervan) soms kanker. Het menselijke lichaam biedt weerstand aan deze mutaties door de meeste gemuteerde DNA strengen als defect te herkennen en af te breken of te repareren.

Stralingsbronnen

Natuurlijke achtergrondstraling

De aarde en al het leven op aarde staan steeds bloot aan straling uit de ruimte, als een gelijkmatige motregen. Geladen deeltjes van de zon en andere sterren vertonen interactie met de atmosfeer en het magnetisch veld van de aarde en veroorzaken zo een stortregen van straling, voornamelijk beta- en gammastraling. De sterkte van deze kosmische straling verschilt op verschillende plaatsen op aarde, door het hoogteverschil en de invloed van het aardmagnetisch veld.

Radioactief materiaal wordt overal in de natuur gevonden. Het komt voor in de bodem, in lucht, water en planten. De belangrijkste veroorzaker van aardse straling zijn de natuurlijk voorkomende isotopen van uranium en zijn vervalproducten, zoals thorium, radium, en radon. Kleine hoeveelheden van uranium, thorium, en hun vervalproducten worden overal gevonden. Sommige van deze materialen worden door het lichaam opgenomen via voedsel en water, terwijl materialen zoals radon kunnen worden opgenomen door inademing. De hoeveelheid van aardse bronnen verschilt met de plaats op aarde. Gebieden met hogere concentraties uranium of thorium in de bodem hebben een hogere achtergrondstraling.

Naast de kosmische en aardse straling, hebben alle mensen vanaf hun geboorte radioactieve Kalium-40, Koolstof-14, Lood-210 en andere radioactieve isotopen in hun lichaam. Hierin zijn de verschillen tussen mensen niet zo groot als de variatie in belasting door kosmische en aardse stralingsbronnen.

Stralingsbronnen door de mens veroorzaakt

Natuurlijke en kunstmatige stralingsbronnen zijn voor wat betreft hun effect en natuurlijke eigenschappen hetzelfde. Boven de blootstelling aan een hoeveelheid achtergrondradiatie, bepaalt in de VS de U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) een limiet voor de blootstelling van individuen aan door de mens veroorzaakte straling van 1,1 mSv (110 mRem) per jaar, en beperkt de beroepsmatige blootstelling van volwassenen die werken met radioactief materiaal tot 50mSv (5 Rem) per jaar.

De blootstelling van een gemiddeld persoon is ongeveer 3,6 mSv/jaar, 81 % hiervan komt van natuurlijke stralingsbronnen, de overige 19 % komt van door de mens gemaakte bronnen.

Verreweg de belangrijkste bron van door de mens veroorzaakte straling wordt veroorzaakt door medische handelingen, zoals Röntgenstralen, radio-actieve medicijnen en bestralingstherapieën. Enkele van de belangrijkste isotopen die in ziekenhuizen worden gebruikt zijn jodium (I-131), technetium (Tc-99m), kobalt (Co-60), iridium (Ir-192) en cesium (Cs-137).

Daarnaast worden mensen blootgesteld aan straling van verbruiksgoederen; zoals tabak (Polonium-210), bouwmaterialen (Radium en Radon), brandstoffen (gas, olie, enz.), televisietoestellen, lichtgevende horloges en wijzers (Tritium), röntgentoestellen in scanpoortjes op luchthavens, materiaal voor wegenbouw, elektronenbuizen, starters van Tl-buizen, kousjes van gaslampen (Thorium), enz.

In mindere mate worden mensen blootgesteld aan straling ten gevolge van de hele cyclus van de nucleaire brandstof: van mijnbouw tot verwerking van uranium, tot blootstelling aan gebruikte brandstof. Het effect van deze blootstelling is nog niet betrouwbaar gemeten. Schattingen van de blootstelling zijn echter zeer laag, zodat voorstanders van nucleaire energie deze vergelijken met de mutatiekracht van het twee minuten per jaar dragen van een lange broek (omdat zelfs dit mutatie veroorzaakt). Tegenstanders gebruiken een lineair dosis-afhankelijk model om te bepleiten dat ook zulke activiteiten honderden kankergevallen per jaar veroorzaken, mondiaal gezien.

In een nucleaire oorlog zullen de gammastralen van de fallout van nucleaire wapens het grootste aantal slachtoffers veroorzaken. Onmiddellijk naast het doel, in de richting van de wind, zal de straling 30.000 röntgen per uur overschrijden. 4,5 Sv (meer dan duizend maal de achtergrondstraling) is fataal: de helft van de bevolking kan hieraan overlijden.

Beroepsmatig blootgestelde individuen worden blootgesteld overeenkomstig hun activiteiten en de bronnen waarmee ze werken. De blootstelling van deze mensen wordt zorgvuldig geregistreerd met hulp van op de kleding bevestigde instrumenten, dosimeters genoemd. Sommige isotopen van belang zijn kobalt (Co-60), cesium (Cs-137), americium (Am-241).

Enkele voorbeelden van bedrijvigheid waarbij beroepsmatige blootstelling voorkomt:

industriële energieopwekking
industriële doorlichting (voedselbehandeling tegen schimmels)
radiologisch personeel in ziekenhuizen
kerncentrales
medisch personeel dat werkt met radioactieve medicijnen
laboratoria voor wetenschappelijk onderzoek
luchtvaartpersoneel in het vliegtuig.

Het effect van ioniserende straling op mensen

Wij hebben de gewoonte om de biologische gevolgen van straling te beoordelen aan de hand van hun effect op levende cellen. Voor lage niveaus van stralingsblootstelling zijn de biologische gevolgen zo klein dat zij niet gemeten kunnen worden. Het menselijk lichaam herstelt zich van vele soorten stralings- en chemische schade.
De biologische gevolgen van straling voor levende cellen zijn drieledig:

verwonde of beschadigde cellen herstellen zichzelf, er is dus geen blijvende schade
afgestorven cellen worden, zoals miljoenen lichaamscellen elke dag doen, vervangen door een normaal biologisch proces.
cellen die foutief worden hersteld resulteren in een biofysische verandering.

Onze kennis van het verband tussen blootstelling aan straling en de ontwikkeling van kanker bij de mens is meestal gebaseerd op bevolkingsgroepen die aan een vrij hoog niveau van ioniserende straling zijn blootgesteld (bijvoorbeeld overlevenden van de atoombommen op Hiroshima en Nagasaki, en mensen die zijn blootgesteld geweest aan bepaalde diagnostische of therapeutische medische procedures).

Soorten kanker die vrij sterk zijn geassocieerd met blootstelling aan hoge doses straling zijn o.a. leukemie en schildklierkanker. Verder ook wel borst-, blaas-, dikke darm-, lever-, long-, slokdarm-, eierstok- en maagkanker en multipel myeloom. Van sommige andere vormen van kanker wordt een dergelijk verband wel vermoed: prostaatkanker, kanker van de neus(bij)holten, farynx- en larynxcarcionoom, en kanker van de alvleesklier. In de praktijk zal echter bij maar heel weinig van de patiënten met een van de genoemde aandoeningen in West-Europa straling een rol hebben gespeeld.

De tijdsspanne tussen de stralingsblootstelling en de openbaring van de kanker wordt de latentieperiode genoemd. Deze latentieperiode is lang, vaak tientallen jaren, en zelden minder dan een paar jaar. De kankers die zich als resultaat van stralingsblootstelling kunnen ontwikkelen zijn niet te onderscheiden van kankers die spontaan of als resultaat van blootstelling aan andere chemische carcinogenen voorkomen. Het verband kan dus op statistische gronden worden vermoed maar in een individueel geval nooit worden bewezen. Verder wijst de literatuur van het Amerikaanse National Cancer Institute erop dat andere chemische en fysische factoren en de manier van leven (bijvoorbeeld roken, gebruik van alcohol, dieet) sterk bijdragen aan het optreden van veelal dezelfde ziekten.

Hoewel straling kanker kan veroorzaken bij hoge doses, bevestigen epidemiologische gegevens van volksgezondheid het voorkomen van kanker na blootstelling aan lage doses niet (minder dan ca. 0,1 Sv (10 Rem)).

De meeste studies van beroepsarbeiders die aan chronische lage niveaus van straling boven normale achtergrond worden blootgesteld hebben geen ongunstige biologische gevolgen getoond. Maar toch veronderstelt de stralingsbeschermingsgemeenschap voorzichtigheidshalve dat om het even welke hoeveelheid straling één of ander risico kan geven om kanker en erfelijk effect te veroorzaken, en dat het risico hoger is voor blootstelling aan hogere straling. Men streeft er dus naar iedere vermijdbare blootstelling zoveel mogelijk daadwerkelijk ook te vermijden.

Een lineaire drempelloze Linear no-Treshold (LNT) dosis-effectrelatie zal volgens vele deskundigen het effect van straling overschatten omdat het de bekende reparatiemechanismen van het lichaam niet in beschouwing neemt. Dit model beschrijft het verband tussen de dosis van de straling en het voorkomen van kanker. Dit lineaire dosis-gevolg model stelt voor dat om het even welke toename van de dosis, hoe klein dan ook, resulteert in een verhoging van het risico op kanker. De LNT-hypothese is goedgekeurd door het Amerikaanse NRC als conservatief (in de zin van aan de veilige kant blijvend) model voor het schatten van het risico van de straling.

Een hoge dosis straling kan cellen direct doden, terwijl een lage dosis de genetische code (DNA) van bestraalde cellen kan beschadigen of veranderen. Een hoge dosis kan zoveel cellen doden dat de weefsels en de organen onmiddellijk beschadigd zijn. Dit kan resulteren in een snelle reactie van het hele lichaam, ook wel het acute stralingssyndroom genoemd. Hoe hoger de dosis van de straling, hoe sneller de gevolgen van straling verschijnen, en hoe hoger de kans op een dodelijke afloop.

Dit syndroom werd waargenomen bij vele atoombomoverlevenden in 1945 en bij reddingswerkers die aan de kerncentrale van Tsjernobyl werkten na het ongeval in 1986. Ongeveer 134 installatiearbeiders en brandweermannen die de brand bestreden bij de Tsjernobyl-installatie ontvingen hoge doses straling (7 tot 13,4 Sv of 700 tot 1340 Rem) en ontwikkelden acute stralingsziekte. Hiervan stierven er 28.

Minimaliseren van gezondheidseffecten van ioniserende straling

Alhoewel de blootstelling aan ioniserende straling een risico meebrengt, is het onmogelijk blootstelling volledig te vermijden. Straling is altijd aanwezig geweest in het milieu en in onze organismen. Wij kunnen echter onnodige blootstelling wel vermijden.

Hoewel de mens ioniserende straling niet kan voelen, is er een scala van eenvoudige en gevoelige instrumenten, geschikt om minieme hoeveelheden straling uit natuurlijke en kunstmatige bronnen te ontdekken.

De dosimeters lijken op pennen of badges, en kunnen bijv. aan iemands kleding worden bevestigd. Ze meten een cumulatieve dosis die over een periode van tijd wordt geabsorbeerd. Zij moeten periodiek vernieuwd worden, en de resultaten moeten geregistreerd worden. Voor (Nederlandse) luchtvarenden wordt vindt registratie plaats middels het achteraf correleren van de vluchtgegevens van individuele bemanningsleden met schattingen van dosisgegevens op basis van wereldwijde metingen.

Geigertellers en scintillometers meten onmiddellijk de dosis van ioniserende straling.

Er zijn vier manieren waarop bescherming tegen straling plaats kan vinden:

Tijd : Voor mensen die aan straling naast natuurlijke achtergrondstraling worden blootgesteld: beperk of minimaliseer de blootstellingstijd, wat de dosis uit de stralingsbron zal verminderen.
Afstand : Zoals de hitte van een brand verder weg minder intens is, vermindert de intensiteit van de straling verder van de bron van de straling. De dosis vermindert drastisch naarmate u uw afstand van de bron verhoogt (2 keer zo ver weg betekent over het algemeen 1/4 van de stralingsbelasting).
Afscherming : Een schild van lood, gewapend beton, of water geeft goede bescherming tegen het doordringen van straling zoals gammastralen en neutronen. Dit is de reden dat bepaalde radioactieve materialen onder water worden opgeslagen of behandeld, of met behulp van op afstand bediende apparaten in ruimten die van dik beton worden geconstrueerd of die met lood worden gevoerd. Er zijn speciale plastic schilden die bèta-deeltjes tegenhouden en de lucht zal alfadeeltjes tegenhouden. Het gebruik van het juiste schild tussen u en de stralingsbron zal de stralingsdosis verminderen of elimineren. Bij het ontwerp van de afscherming houdt men rekening met de zogenaamde "halverende dikten": de hoeveelheid materiaal die de helft van de straling tegenhoudt.
Insluiting : De radioactieve materialen worden beperkt tot de kleinste mogelijke ruimte en uit het milieu gehouden. De radioactieve isotopen voor medisch gebruik, bijvoorbeeld, worden verplaatst in gesloten containers, terwijl de kernreactoren binnen gesloten systemen met verschillende barrières werken die de radioactieve materialen binnenhouden. De zalen hebben een onderdruk zodat, zelfs als er gaten in de ruimte zitten, er geen materiaal naar buiten kan lekken. In een kernoorlog vermindert een effectieve fallout-schuilplaats de blootstelling van mensen minstens met een factor 1000. De meeste mensen kunnen hoge doses verdragen van bv. 100 Rem, mits verdeeld over de tijdsspanne van een aantal maanden, hoewel wel met een verhoogd risico van kanker in het latere leven moet worden rekening gehouden. Andere burgerbeschermingsmaatregelen kunnen helpen blootstelling van bevolking door opname van isotopen en beroepsmatige blootstelling verminderen in oorlogstijd. Één van deze beschikbare maatregelen is het gebruik van kaliumjodidetabletten (KI) die effectief het opnemen van gevaarlijke radioactieve jodium in de menselijke schildklier blokkeren door de schildklier met niet-radioactief jodium te verzadigen.