Radioactieve straling

Radioactieve straling (de juiste naam is 'ioniserende straling') is in de discussies tussen pro-  en anti-kernenergie-aanhangers vaak een thema waar natuurkundige en medische feiten bewust of onbewust verkeerd worden voorgesteld. Maar al te vaak worden appels met peren vergeleken. De materie is complex en dat kan makkelijk misbruikt worden door zaken verkeerd voor te stellen. Hoe gevaarlijk is radioactieve straling nu eigenlijk en wat is het precies? Wat betekenen de verschillende SI eenheden, hoe meet je radioactieve straling correct, wat zijn de dosislimieten en hoe betrouwbaar zijn de gemeten waarden en hoe moet je ze interpreteren? Wij proberen hier wat duidelijkheid te geven.

Ioniserende Straling

Radioactieve straling wordt tegenwoordig ioniserende straling genoemd omdat dat beter de lading dekt. Ioniserende straling is electromagnetische straling of deeltjes-straling, die voldoende energetisch is om een electron uit de buitenste electronenschil van een atoom te stoten, waardoor het atoom een positieve lading krijgt en een ion wordt. Bij kernsplijting of bij radioactief verval van radionucliden kunnen de volgende vormen van ioniserende straling (direct of indirect via vervallende splijtingsproducten) vrij komen:

• Gamma-straling
      Gamma-straling is net als zichtbaar licht een vorm van elektromagnetische straling. Het segment gammastralen heeft de hoogste energie, de hoogste frequentie en de kortste golflengtes van alle straling in het elektromagnetische spectrum. De extreem hoge energie van gamma-straling is onzichtbaar voor het menselijk oog maar dringt diep door in materie.
      Elektromagnetische straling is eigenlijk een soort van 'fotonen-regen'. Een foton in het zichtbaar licht en UV-segment wordt door een atoom uitgezonden wanneer een elektron vanuit een elektronenschil terugvalt naar een schil met een lagere energietoestand ('emissie of de-excitatie'). De vrijkomende energie wordt daarbij in de vorm van een foton uitgezonden. Een foton is één enkele (massa-loze) elektromagnetische energie-puls, die reist met de snelheid van het licht en zichzelf in stand houdt. Het initiële elektrische veld dat momentaan ontstaat bij de elektron-emissie van het foton induceert (door de wetten van Faraday en Maxwell) een magnetisch veld en dat zich opbouwende magnetisch veld induceert weer een electrisch veld, enz. De elektrische en magnetische velden van een foton oscilleren loodrecht op de voortplantingsrichting en loodrecht op elkaar. Ze zijn echter zo gesynchroniseerd dat wanneer het ene veld een maximale sterkte bereikt, het andere veld ook op zijn maximum is. Zo ontstaat een reizend foton.

    De energie van een foton is recht evenredig met de golflengte en de frequentie, de amplitude is constant. De golflengte van gamma-stralen is zelfs kleiner dan de doorsnede van een atoomkern. Een zichtbaar-licht-foton bevat meer energie naarmate het verschil van het energie-niveau tussen de oude en de nieuwe elektronenschil groter is. Een UV-C-foton heeft een energie tussen de 4,4 en 12,4 eV; Een infrarood (IR) foton heeft een energie die typisch ligt tussen de 0,00124 eV en 1,7 eV. Het gamma-foton bevat echter nóg véél meer energie dan een zichtbaar-licht-foton. Dat komt doordat het uit de atoomkern afkomstig is. Wanneer een kern onstabiel is (bijv. na radioactief verval), kan deze van een aangeslagen toestand naar een stabielere toestand terugvallen. De krachten die de kerndeeltjes (protonen en neutronen) bij elkaar houden zijn vele malen sterker dan de elektromagnetische kracht die elektronen aan de atoomkern bindt.
Tijdens een kernsplijtingsproces komen de twee nieuw gevormde kernen (splijtingsproducten) in een "aangeslagen" (hoog-energetische) toestand. Om naar een stabielere toestand te vervallen, zenden deze nieuw ontstane kernen gamma-straling uit, naast vaak alfa- en beta-straling.
    Zo komt er bijv. bij de splijting van één Uranium-235 atoom 7 MeV (Mega Elektron Volt) prompte gamma-straling vrij in de vorm van 7 á 8 gamma-fotonen. Uit het radioactief verval van de ontstane splijtingsproducten komt nog eens 6,7 MeV vertraagde gamma-straling vrij. Bij Uranium-233 zijn de cijfers resp. 7,7 en 5,0 MeV en bij Plutonium-239 is dat 7,8 en 5,2. (zie National Physical Laboratory).
    Het splijtingsproduct dat bij verval veel minder sterke gamma-fotonen uitzendt is Barium-137m dat ontstaat uit verval van Cesium-137. Het gamma-foton dat Barium-137m uitzendt is 0,6617 MeV. Een factor 10 verschil dus.
    Het sterkste waargenomen gammafoton ooit (en de helderste gammaflits ooit gemeten) is afkomstig van de gebeurtenis GRB 221009A, ook wel bekend als de "BOAT" (Brightest Of All Time). De flits werd in oktober 2022 waargenomen en was waarschijnlijk afkomstig van een supernova. Fotonen van deze gebeurtenis bereikten energieën van meer dan 18 tera-elektronvolt (TeV). Dat is 18 miljoen sterker dan een gammafoton dat uitgezonden wordt bij de splijting van Uranium-235.

• Beta-straling
  Bij beta-straling gaat het om deeltjes met een negatieve lading en een massa, nl. elektronen. De nieuwe kernen van de splijtingsproducten die ontstaan bij kernsplijting hebben vaak een overschot aan neutronen en proberen stabiel te worden. Ze doen dit door bètaverval, waarbij een neutron in de kern verandert in een proton en een bètadeeltje (elektron) wordt uitgestoten. Er zijn twee soorten bètastraling, β−- en β+-straling. Bij β−-straling verandert in de kern een neutron in een proton, waarbij een elektron en een elektron-antineutrino  worden weggeschoten. Bij β+-straling verandert in de kern een proton in een neutron, waarbij een positron en een elektron-neutrino worden weggeschoten. Het positron is de anti-materie van het elektron. Als ze elkaar ontmoeten, vernietigen (annihileren) ze elkaar. Het uitgestoten positron beweegt met hoge snelheid door de materie waarin het zich bevindt. Onderweg botst het tegen atomen, waarbij het energie verliest en afremt. Zodra het positron voldoende is afgeremd, ontmoet het een elektron, de materie-tegenhanger. Ze trekken elkaar aan (positief en negatief) en vernietigen elkaar. Bij deze annihilatie wordt de massa van zowel het positron als het elektron omgezet in energie, in de vorm van twee gamma-fotonen (gammastraling). Deze twee gammafotonen hebben elk een energie van 511 keV en vliegen in tegengestelde richtingen weg (ongeveer 180 graden uit elkaar). Annihilatie gebeurt momentaan en β+-straling bestaat dus alleen ultrakort binnen de materie waarin het ontstaat. De energie die een betadeeltje heeft, is louter kinetische energie (snelheid) en die verschilt bij elk radio-nuclide dat een betaverval-reactie ondergaat. De energie van beta-deeltjes variëren van 0,46 keV (Indium-115 en 10,4 MeV (stikstof-16). Een beta-deeltje met een energie van 10,4 MeV (Stikstof-16) kan in lucht een afstand afleggen van tussen de 40m en 50m.

• Alfa-straling
  Bij alfa-straling gaat het om deeltjes met een positieve lading en een massa, namelijk Helium-4 atoomkernen bestaande uit 2 protonen en 2 neutronen. Alfa-straling ontstaat alleen bij alfa-verval wanneer een onstabiele, zware atoomkern (zoals uranium of plutonium) deeltjes afstoot om stabieler te worden. Ook de energie die het alfadeeltje heeft is louter kinetisch (snelheid) en variëert bij alfaverval-reacties van verschillende radionnucliden. De kinetische energie (snelheid dus) van alfa-deeltjes bij ontstaan, varieert meestal tussen 4MeV en 9 MeV, met uitschieters van 1,8 MeV voor Bismut-209 en 11,7 MeV voor Polonium-212m. Een alfadeeltje met een energie van 9MeV kan ca. 9 cm door lucht reizen.

• Neutronen-straling
  Neutronen-straling komt vrij bij kernsplijting en verschillende vervalreakties en zijn vanzelfsprekend ook deeltjes met een massa en kinetische energie. Er zijn niet altijd neutronen nodig voor een kernsplijting. Er bestaat nl. zoiets als spontane kernsplijting bij de zeer zware radionucliden. Neutronenstraling in schadelijke hoeveelheden komt in de praktijk alleen voor in kernreactoren, bij Spent Nuclear Fuel van kernreactoren en bij gebruik van kernwapens.

Het Correct Meten en Interpreteren van Ioniserende Straling

    Straling - ongeacht of dat nu elektromagnetisch is of uit deeltjes bestaat - verstrooit en verzwakt naarmate de afstand tot de bron toeneemt volgens de omgekeerde kwadratenwet. Dit betekent dat de intensiteit van de straling afneemt met het kwadraat van de afstand. Als de afstand tot een puntbron verdubbelt, wordt de stralingsintensiteit dus vier keer zo klein. De straling die uit een bron komt, verspreidt zich in alle richtingen over een steeds groter boloppervlak. Omdat de totale hoeveelheid straling gelijk blijft, wordt deze "uitgesmeerd" over een groter oppervlak, waardoor de intensiteit per vierkante meter afneemt. Voorbeeld: men meet op 1 cm afstand van een radioactivieve bron een waarde van 10 mSievert, dan is dat op 2 cm afstand 10/2 = 2,5 mSievert, op 3 cm afstand 10/9 = 1,111 mSievert, op 4 cm afstand 10/16 = 0,625 mSievert, op 8 cm afstand 10/64  = 0,156 mSievert.

Alle meet-apparatuur heeft altijd een venster met specifieke afmetingen waardoor de te meten straling het apparaat binnen treedt en omgerekend kunnen worden naar een waarde per oppervlakte eenheid.

    Om straling (alfa, beta en gamma) correct én betrouwbaar te meten heb je allereerst gecertificeerde en geijkte apparatuur nodig. Liefst geen onnauwkeurige goedkope geigerteller maar bijv. een drukionisatiekamer. Een drukionisatiekamer meet de totale hoeveelheid lading die door straling wordt geproduceerd, wat direct evenredig is aan de totale geabsorbeerde energie. Een geigerteller telt simpelweg het aantal deeltjes/gammafotonen dat binnenkomt, ongeacht hun energie. Hierdoor geeft de drukionisatiekamer een veel nauwkeuriger beeld van de mogelijke biologische effecten van de straling (dosis). Na het detecteren van een deeltje heeft een geigerteller een korte "dode tijd" nodig om te herstellen, waardoor het bij hoge stralingsniveaus straling mist. Een drukionisatiekamer kan extreem hoge stralingsvelden continu meten zonder deze verzadiging of "dode tijd". Omdat de kamer onder hoge druk is gevuld met gas, bevat deze meer gasmoleculen. Dit zorgt ervoor dat er meer ionisaties plaatsvinden, wat resulteert in een sterker en nauwkeuriger signaal, zelfs bij lage stralingsniveaus. Om een onderscheid te maken tussen gammastraling en bètastraling is een afneembaar scherm nodig (ingebouwd), dat bètastraling tegenhoudt en enkel gammastraling doorlaat.

    Een heel goed alternatief voor de drukionisatiekamer is de scintillatiemeter. Een scintillatiemeter is een gevoelig instrument dat ioniserende straling (zoals gamma- alfa-, of bètastraling) meet door zichtbaar-licht fotonen te detecteren die ontstaan nadat die ioniserende straling door een speciaal materiaal (de scintillator) gegaan is. Voor Gammastralen (fotonen met hoge energie) wordt als scintillator een kristal zoals natriumjodide (NaI) gebruikt dat is gedoteerd met thallium (Tl). Het kristal zet een gamma-foton met hoge energie om naar meerdere  lage energie fotonen in het zichtbaar licht spectrum. Die zichtbaar-licht fotonen worden opgevangen door een fotokathode en omgezet in elektronen, die vervolgens vermenigvuldigd worden door een photomultiplier tube. Door het aantal elektronen te tellen kan nauwkeurig vastgesteld worden hoeveel energie het gammafoton had. Voor alfastralen wordt als scintillator zinksulfide (ZnS) gedoteerd met zilver (Ag) gebruikt; voor betastralen wordt wel Calciumfluoride CaF2 gedoteerd met Europium (Eu) gebruikt. Hoewel traditionele scintillatietellers vaak specifiek zijn voor gammastraling (met een Nai(Tl)-kristal) of alfadeeltjes (met ZnS(Ag)), zijn er moderne, geavanceerde sensoren die verschillende soorten straling tegelijkertijd kunnen detecteren. Scintillatiemeters zijn minder geschikt voor hoge dosistempo's en ze zijn gevoelig voor temperatuur en magnetische velden.

  Met een Gamma-spectrometer meet je de golflengte van uitgezonden gamma-stralen van een R.A. bron. Omdat elke radionuclide een unieke combinatie heeft van gammastralen van een bepaalde golflengte  (meestal 1 tot 10), kan een stralingsexpert met een spectrometer - in principe - de radionuclide eenvoudig determineren. Maar de praktijk is vaak anders. Een r.a. bron bestaat vaak uit meerdere radionucliden. Als men bijv. Uranium-erts als bron analyseert met een gamma-spectrometer, dan vindt men niet alleen de gamma-spectraallijnen van de uranium-nucliden, maar ook alle vervaldochter-isotopen in een door miljoenen jaren ontstane constante evenwicht-compositie. Zou men een monster van depleted uranium (DU) analyseren, dan vindt men een veel kleinere composite van vervaldochter-isotopen. Kennis van zaken is dus zeker wel nodig bij gamma-spectraal-analyses.

Het RIVM gebruikt bij R.A. meldingen op locatie geavanceerde radiologische meetwagens en draagbare detectieapparatuur om radioactieve bronnen te onderzoeken. Deze apparatuur meet alfa-, bèta- en gammastraling in de lucht, op de grond en in monsters, om zo besmettingen te identificeren en de omvang, impact en mogelijke gevolgen van een incident vast te stellen. De apparatuur bevat o.a. geigertellers, isotopenscanners, spectometers, omgevingsdosistempo-meters. 

Het Juist Inschatten van Gevaren van Ioniserende Straling

Één gray (Gy) staat gelijk aan de absorptie van één joule stralingsenergie per kilogram materie (1 Gy = 1 J/kg). Het wordt gebruikt om de fysieke hoeveelheid energie te meten die bijvoorbeeld óp een lichaam, tumor of weefsel terechtkomt bij bestraling. De Gray meet enkel de geabsorbeerde energie per eenheid massa.
De sievert (Sv) gebruikt men om het schadelijke biologische effect (stochastische gezondheidsrisico) van die ioniserende straling op het menselijk lichaam te berekenen. Volgens de International Commission on Radiological Protection (ICRP) resulteert één sievert in een waarschijnlijkheid van 5,5% om uiteindelijk fatale kanker te ontwikkelen op basis van het lineaire no-threshold-model ioniserende blootstelling aan straling.
De equivalente dosis voor een weefsel wordt gevonden door de geabsorbeerde dosis te vermenigvuldigen met een stralingsweegfactor, die afhangt van het soort straling. De effectieve stralingsdosis voor een individueel persoon kan dan worden bepaald door de equivalente dosis in ieder orgaan te vermenigvuldigen met een weefselweegfactor, die afhangt van het deel van het lichaam dat is blootgesteld aan de straling, en de resultaten van alle organen op te tellen. De wegingsfactoren zijn vastgesteld door gepubliceerd door het International Commission on Radiological Protection  ICRP en de International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU). Dosislimieten zijn wettelijke en biologische limieten voor de bestraling van de mens met ioniserende straling. Een dosislimiet wordt uitgedrukt in sievert (Sv). Deze zijn normen opgesteld voor de straling die mensen extra mogen ontvangen boven de achtergrondstraling. De achtergrondstraling in Nederland bedraagt volgens het RIVM 2,8 mSv. In Nederland zijn de wettelijke dosislimieten voor ioniserende straling vastgelegd in het Besluit basisveiligheidsnormen stralingsbescherming (Bbs). De effectieve dosislimiet voor burgers bedraagt een maximum van 1 mSv per jaar, voor professionals die beroepsmatig aan straling worden blootgesteld geldt een maximum van 20 mSv per jaar, gemiddeld over een periode van vijf jaar, en niet meer dan 50 mSv in een enkel kalenderjaar. Het dosistempo is de hoeveelheid radioactieve straling die per tijdseenheid wordt geabsorbeerd. Waar een dosis de totale hoeveelheid ontvangen straling is, geeft het dosistempo aan hoe snel je deze straling ontvangt (in mSv/uur). Het meten van het dosistempo is cruciaal voor de stralingsbescherming. Meetinstrumenten zoals een dosistempometer (of dosismeter) tonen direct aan of je je in een gevaarlijke zone bevindt. Als het dosistempo extreem hoog is, is de tijd die je in die ruimte kunt doorbrengen zonder gezondheidsrisico's navenant korter.

Gamma-straling en de hoeveelheid ervan is heel goed detecteerbaar via relatief goedkope Geigertellers. Het kan dus snel gesignaleerd worden en de risicos ervan gemitigeerd. De kans dat één gammafoton specifiek DNA beschadigt bij het passeren van een cel is zeer klein, doorgaans minder dan 1%. Fotonen reizen vaak dwars door een cel heen zonder interactie. Schade treedt pas op als het foton willekeurig botst en ioniserende elektronen vrijkomen die het DNA raken. Zelfs als het DNA geraakt wordt, leidt dit in veel gevallen slechts tot enkelstrengsbreuken, die de cel zelf kan repareren. Alleen hoge energie gammafotonen kunnen in theorie een dubbelstrengs DNA breuk veroorzaken. Op het niveau van één enkel gammafoton is de kans op directe, blijvende DNA-schade dus zeer minimaal. Pas bij hogere stralingsdoses (meerdere Grays!) is de cumulatieve kans op celdood of mutatie aanzienlijk. Meer informatie over celschade (en schade-herstel) door ioniserende straling is te vinden in het boek Radiation Biology of Medical Imaging van Charles A. Kelsey et al.

De kans dat een specifiek betadeeltje het DNA in een celkern beschadigt tijdens zijn reis is zeer klein en ligt ruwweg tussen de 0,1 %en 1%. Betastraling veroorzaakt indirect namelijk de meeste schade via watermoleculen (de zogeheten indirecte ionisatie). Een betadeeltje (een snel elektron) is extreem klein en kan afhankelijk van zijn energie ongeveer 50 tot 3000 cellen passeren. Het betadeeltje raakt - omdat het zo heel klein is -  zelden direct het DNA. In plaats daarvan raakt het vaak een watermolecuul in de cel. Dit proces (radiolyse) splitst het water in zeer reactieve vrije radicalen, zoals hydroxyl-radicalen (OH). Deze radicalen diffunderen een klein stukje, komen in aanraking met het DNA en beschadigen de structuur. De kans op een enkelstrengsbreuk (één van de twee strengen is beschadigd) is ongeveer 0,01 tot 1 breuk per doorkruising van een celkern. De kans op een dubbelstrengsbreuk is ruwweg 10 tot 50 keer zo laag.

Alfadeeltjes kunnen het lichaam niet binnendringen via de huid. Ze zijn alleen gevaarlijk als vervaldochters die alfastraling uitzenden, worden ingeademd of ingeslikt. De longen of het spijsverteringskanaal hebben geen beschermende laag dode cellen zoals de huid. Alfadeeltjes kunnen zo direct in contact komen met levend weefsel. Alfastraling heeft een zeer hoge Linear Energy Transfer (LET). Dit betekent dat het deeltje een enorm spoor van ionisaties achterlaat in het materiaal waar het doorheen beweegt. Een alfadeeltje kan ongeveer 3 tot 5 cellen ver reizen in levend biologisch weefsel (een afstand van zo'n 40 tot 100 micrometer). Door hun grote massa én lading botsen ze hevig en verliezen ze snel hun energie. De kans dat een alfadeeltje door een celkern reist en daarbij direct DNA beschadigt is vrijwel 100%. Per micrometer celkern veroorzaakt een alfadeeltje al snel 10 tot 20 breuken in de DNA-strengen. Alfadeeltjes zijn zwaar en sterk ioniserend. Ze werken als een soort 'sloopkogel' en laten een dicht spoor van ionisaties achter, wat leidt tot zware, vaak onherstelbare dubbelstrengsbreuken in het DNA. Het is geen nette, enkele beschadiging. De schade is extreem geclusterd. Er ontstaan meerdere breuken en chemische beschadigingen vlak bij elkaar, vaak binnen één of twee windingen van de DNA-helix. Omdat de schade zo geconcentreerd is, hebben de herstelmechanismen van de cel grote moeite om de breuken te repareren. Dit leidt vaak tot celdood of permanente celmutaties. Het zijn juist de celmutaties die tot kanker kunnen leiden.

Nu is het zo dat de stralings-weegfactoren (zie hierboven) zoals die gedefiniëerd zijn door de ICRP en bedoeld voor gebruik met de Sievert-eenheid, nogal erg grof zijn. De ICRP definieert voor beta- en gamma-straling wegingsfactor 1 en voor alfa-straling 20. Maar zoals te lezen aan het begin van deze pagina kan - afhankelijk van de specifieke vervallende radionuclide -  de energie per foton of deeltje enorm verschillen. En dat betekent dat de kans op biologische schade per foton of deeltje óók enorm kan verschillen (de ICRP heeft de weefselweegfactoren veel beter gedefiniëerd). De ICRP heeft voor het berekenen van de effectieve dosis gekozen voor pragmatisme, gemiddelden en uniformiteit inzake de stralingsweegfactoren. Maar dit betekent wel dat we de (micro)Sieverts, die gemeten worden door bijv. Geigertellers, met heel veel korrels zout moeten nemen om tot een correcte inschatting te komen van de mogelijke biologische schade in een specifieke situatie. Eigenlijk is een correcte inschatting alleen mogelijk met geavanceerde apparatuur én straling-experts.

Als u al het bovenstaande heeft gelezen, dan zult u net als ons tot de conclusie komen dat alfa-straling de meest gevaarlijk soort ioniserende straling is. Er wordt door leken vaak geroepen dat het ongevaarlijk is, omdat het niet door een velletje papier heen komt. Maar alfastraling is een zeer effectieve sluipmoordenaar omdat het zonder goede instrumenten (en kennis!)  niet goed detecteerbaar is. Het is verantwoordelijk voor vele kankergevallen en doden. Enkele voorbeelden:

• Longkanker door sigarettenrook. Doordat de tabaksplant relatief veel fosfor nodig heeft, wordt bemest met een gemalen fosforrijk mineraal monaziet. Monaziet bevat vervaldochters van Uranium en Thorium waaruit de gassen Radon en Thoron vrij komen. Die gassen, kleven aan de tabaksplant en vervallen tot de metalen  Polonium-210 en Lood-210, die in de tabak komen. Bij verbranding van de tabak verdampen deze twee metalen en condenseren op minuscule rookdeeltjes en komen zo via de ingeademde rook in de longblaasjes. Polonium-210 vervalt tot stabiel Lood-206,  Lood-210 vervalt tot Bismuth-210 vervalt tot Polonium-210 vervalt tot stabiel lood-206. In beide reeeksen vervalt Polonium-210 met uitzending van energieke alfadeeltjes die DNA schade toebrengen aan longcellen. Tabaksrook kent vele kankerverwekkende bestanddelen, maar Polonium-210 en Lood-210 zorgen voor 14% van de longkankers veroorzaakt door tabaksrook volgens een studie uit 2011 in Nicotine & Tobacco Research. Volgens de overheids-website VZinfo.nl overleden er in 2024 in NL 6.375 mensen aan longkanker a.g.v. roken. 892 (14%) daarvan dus door Polonium-210. Polonium-210 lost ook op in water en kan dus via de longblaasjes en het bloed andere organen bereiken, waar het vervolgens kan vervallen onder uitstraling van alfastraling met kanker van andere lichaamsorganen tot gevolg. Hoeveel sterfgevallen er via die route jaarlijks zijn, is helaas onbekend.

• Radon-222 en Radon-220 (ook wel Thoron genoemd) zijn gassen die uit bouwmaterialen en de bodem het binnenmilieu van de woning intrekken. Beiden kunnen als gas ingeademd worden.
      Radon-220 vervalt tot Polonium-216 vervalt tot Lood-212 vervalt tot Bismut-212 vervalt tot Polonium-212 vervalt tot Thallium-208 vervalt tot stabiel Lood-208. Deze hele vervalreeks heeftt in totaal een halfwaardetijd van 11 uur en 40 minuten en er worden in totaal 3 alfadeeltjes uitgezonden.
      Radon-222 vervalt tot Polonium-218 vervalt tot Lood-214 vervalt tot Bismut-214 vervalt tot Polonium-214 vervalt tot Lood-210. Deze vervalreeks heeft totaal een halfwaardetijd 3,85 dagen en er worden in totaal 3 alfadeeltjes uitgezonden. Lood-210 vervalt nog verder in Bismut-210 vervalt tot Polonium-210 vervalt tot stabiel lood-206. Deze verdere vervalreeks heeft in totaal een halfwaardetijd van ca 22,5 jaar en er wordt één alfadeeltje uitgezonden. Het RIVM schat dat Radon en Thoron in NL ongeveer verantwoordelijk zijn voor 400 sterfgevallen aan longkanker per jaar.

Stralings-Hormesis

    Hormesis (of hormese) is het biologische fenomeen waarbij een lage dosis van een potentieel schadelijke prikkel (zoals stress, hitte, kou of een toxine) een gunstig effect heeft op het lichaam, terwijl een hoge dosis juist schadelijk of dodelijk is. Je lichaam wordt kortdurend blootgesteld aan milde stress waardoor de balans in je cellen kort wordt verstoord en herstel- en opruimingsprocessen worden geactiveerd. Cellen reageren op zulke stressoren door bijv. productie van neurale groeifactoren, DNA reparatie-eiwitten en antioxidantenzymen. Je lichaam herstelt zich niet alleen, maar bouwt extra weerstand op om een volgende soortgelijke stressor beter aan te kunnen. Een voorbeeld van toxicologische hormesis is bijvoorbeeld dat veel planten gifstoffen aanmaken om zich tegen insecten te beschermen. Wanneer wij deze planten eten, krijgen we deze stoffen in zeer lage, veilige concentraties binnen, en dat activeert onze eigen antioxidant- en ontgiftingssystemen.

Zo is in verschillende wetenschappelijke studies ook het bestaan van stralings-hormesis aannemelijk gemaakt. Meer dan 1.000 wetenschappelijke onderzoeken zijn samengevat in dit uitgebreide boek. Mensen die langdurig blootgesteld zijn geweest aan een "lage" dosis (tot ca 200 mSv/jaar) ioniserende straling, blijken zelfs minder te overlijden aan kanker dan mensen die alleen een gemiddelde achtergrondstraling van 2,5 mSv/jaar ontvangen hebben. In veruit de meeste studies is echter niet precies vastgesteld welke equivalente en effectieve doses alsook welk dosistempo de mensen die meededen aan het onderzoek hebben ontvangen. Die mensen hebben geen dosimeters gedragen; de onderzoekers gaan uit van schattingen. Het ICRP en UNSCEAR zien stralings-hormese nog steeds als een hypothese en gaan daarom nog steeds uit van het  Linear-No-Threshold model (LNT). Ons eigen RIVM ook. Het LNT Het Linear No-Threshold (LNT) model is een stralingshygiënisch model dat stelt dat élke blootstelling aan ioniserende straling schadelijk is, ongeacht hoe laag de dosis is. Het risico op het ontwikkelen van kanker stijgt evenredig (lineair) met de dosis en er is geen onderdrempel (drempelwaarde) waaronder straling volkomen veilig is.

Volgens ons is het bestaan van stralings-hormesis met een zekerheid van meer dan 90% aangetoond. Er zijn op aarde gebieden met hoge achtergrondstraling zgn. High Background Radiation Areas (HBRA's): De bekendste is Ramsar in Iran met gemiddeld 10 mSv/jaar en lokaal uitschieters tot 137 mSv/jaar. Het gaat hier om Radium-226 in het grondwater dat ook in kalksteen-afzettingen terecht komt. Gedolven kalksteen wordt daar ook gebruikt als bouwmateriaal voor woningen. Radium-226 is het begin van een vervalketen (zie hierboven) met veel alfastralers. Het leeuwendeel van de significante gammastraling in deze vervalketen is afkomstig van het verval van lood-214 naar bismut-214 en het daaropvolgende verval naar polonium-214. Deze dochterisotopen zenden zeer energierijke gammastraling uit. In al die onderzoeken wordt eigenlijk alleen de equivalente/effectieve dosis van de gammastraling betrouwbaar gemeten en dat is juist de straling die pas bij een hele hoge dosis onherstelbare DNA-schade en kanker veroorzaakt. De equivalente dosis van de veel gevaarlijkere alfastraling kan alleen indirect gemeten en berekend/geschat worden. De gezondheids-geschiedenis van de proefpersonen en omgevingsvariabelen spelen een grote rol en zorgen voor een grote foutenmarge: Veel of weinig ventilatie in de woning, veel of weinig stof (waar vervalproducten zich makkelijk aan kunnen hechten), de temperatuur, de luchtvochtigheid en de plaats van de detectoren in de te meten ruimte's. Het gaat dan vaak om zgn. alfa-track-detectoren, die de alfadeeltjes registreren die vrijkomen bij verval van het Radon-gas. De alfadeeltjes raken het speciale CR-39 plastic in de detector en laten onzichtbare beschadigingen (sporen/tracks) achter in het materiaal. Na de meetperiode wordt in een laboratorium het plastic met een chemisch middel geëtst om de krasjes te vergroten. Onder een microscoop telt men het aantal sporen. Dit aantal, gedeeld door de tijd en grootte van de kamer, geeft de exacte gemiddelde Radon-waarde in Becquerel per kubieke meter (Bq/m3). Maar dan heeft men natuurlijk nog geen effectieve dosis; die zal men moeten schatten. Veel beter zou zijn om de effectieve dosis direct te meten via een Personal Alpha Detector (PAD) met een pompje die een vaste hoeveelheid lucht in de detector voert, die de menselijke ademhaling simuleert. De PAD wordt door de proefperso(o)n(en) gedragen en wordt bijv. ook veel gebruikt in Uranium-mijnen. Dit is in een paar onderzoeken gedaan, maar de gemeten alfa-straling is helaas niet gescheiden van de gemeten gamma-straling in de resultaten opgenomen.

Onze onbewezen (!) hypothese is dat de mens (Homo Sapiëns) gedurende zijn 300.000 jarig bestaan op aarde, evolutionair een weerstand en reparatie-mechanisme (stralings-hormesis) heeft kunnen ontwikkelen tegen schadelijke gamma-straling. Kosmische gamma-straling en gamma-straling uit de aardse bodem via de drie primordinaire natuurlijke vervalketens (Uranium-235, Thorium-232 en Uranium-238) is sinds het bestaan van onze Aarde altijd aanwezig geweest en het aardse leven is daar altijd aan blootgesteld. Het zou zelfs zo kunnen zijn dat mede door invloed van kosmische gamma-straling het prille RNA (enkelstrengs) leven op Aarde zich heeft ontwikkeld tot DNA (dubbelstrengs) leven.  Blootstelling aan alfa-straling is echter veel minder waarschijnlijk doordat natuurlijke vervaldochters daarvoor ingeademd of gedronken moet worden. De mens is zich pas zo'n 12.000 jaar geleden gaan vestigen in aarden of stenen woningen met dus een heel kleine kans op alfa-straling indien slecht geventileerd. Voor die tijd waren het nomaden die in tentachtige onderkomens woonden. 12.000 jaar is veel te kort om een evolutionaire biologische weerstand op te bouwen tegen dubbelstrengs DNA-schade in cellen, die alfa-straling via inname of inademing van natuurlijke vervaldochters bijna zeker kan veroorzaken. Wat we in Ramsar zien is waarschijnlijk dat het positieve effect van stralings-hormesis op gamma-straling gelijk of groter is dan het negatieve effect van alfa-straling.

Met de komst van kernenergie en kernwapens 90 jaar geleden heeft de mens allerlei niet (meer) in de natuur voorkomende radionucliden in het Aardse ecosysteem geïntroduceerd met hun eigen specifieke vervalketens. De mens en ander biologisch leven hebben zich in die korte tijd niet kunnen aanpassen aan die 'nieuwe' onbekende schade toebrengende radionucliden. Ze zijn niet alleen schadelijk vanwege de straling, maar juist ook omdat ze in het lichaam kunnen worden opgenomen als bouwstof en/of omdat ze extreem giftig zijn. Als die radionucliden in fijnstof-vorm worden ingeademd en via de longen in het bloed komen zijn ze altijd erg schadelijk; in ion-vorm (bijv. via een in water oplosbaar zout als een nitraat) het lichaam binnen komen via de mond, kunnen ze uiterst schadelijk zijn. Enkele voorbeelden:

• Splijtingsproducten (Fission Products)

  • Cesium-137 is een zeer gevaarlijke, radioactieve isotoop (halfwaardetijd 30 jaar) die ontstaat bij kernsplijting. Het vormt een grote bedreiging door de combinatie van lange levensduur, krachtige straling (beta en gamma), en het vermogen om zich snel door het lichaam te verspreiden omdat het zich gedraagt als Kalium. Het hoopt zich op in zachte weefsels zoals spieren. Hierdoor wordt het hele lichaam blootgesteld aan straling, wat op termijn het risico op kanker aanzienlijk vergroot. Cesium is een alkalimetaal en vormt met water cesium-hydroxide, dat in water oplost.

  • Strontium-90 heeft een halveringstijd van ca. 29 jaar; gedraagt zich chemisch als calcium en hoopt zich op in menselijke botten. Strontium is een aardalkalimetaal en vormt met water strontium-hydroxide, dat in water oplost.

  • Jodium-131 ( I): Zeer radioactief met een korte halveringstijd van 8 dagen; hoopt zich op in de schildklier. Jodium is een halogeen en kan als jodide-zout in water oplossen.

  • Technetium-99 ( Tc): Een langlevend radionuclide (halveringstijd van ca. 211.000 jaar) dat veelvuldig in het milieu terechtkomt via opwerkingsinstallaties voor splijtstof. Technetium is een metaal en het oxide lost op in water.

• Transuranen / Actiniden. Dit zijn elementen zwaarder dan uranium die ontstaan wanneer uraniumkernen neutronen invangen zonder te splijten:

• Plutonium-238, -239, -240, -241. Vrijwel alle Plutonium op aarde is door de mens geproduceerd. Naast alfastraling is het ook chemisch gezien een zwaar metaal dat zeer giftig is voor het menselijk lichaam. Het kan zich ophopen in de botten en lever, waardoor ook daar celbeschadiging ontstaat. Plutonium reageert met water en vormt plutonium-hydroxide, dat in water oplost. Plutonium-238 zendt zéér sterke alfastraling uit, -239 en -240 zenden matig sterke alfa-straling uit, -241 zendt sterke beta-straling uit en -240 zendt ook nog eens neutronenstraling uit.

• Americium-241 ontstaat door het verval van plutonium-241 en is een alfastraler met een halfwaardetijd van 432 jaar. Het hoopt zich op in de botten en lever. Americium is een metaal en vormt met water americium-hydroxide, dat in water oplost.

• Neptunium-237 is en zeer langlevende transuraan metaal (2,14 miljoen jaar) en alfastraler. het is chemisch giftig en kan de nieren aantasten. Het hoopt zich op in botten, lever en nieren. Neptunium reageert met water en vormt oxiden en neptunium-hydroxide

Het fenomeen stralingshormesis wordt nogal eens als argument in discussies over kernenergie gebruikt, om aan te tonen dat radioactiviteit en kernafval lang niet zo gevaarlijk zijn als men beweert. Er wordt bijv. soms wel eens beweerd dat Plutonium niet gevaarlijk zou zijn en dan verwijst men naar experimenten met weapongrade Plutonium in metaalvorm, terwijl het gevaar van Plutonium juist in reactor grade vorm zit en in stof- of opgeloste vorm. Als u bovenstaande paragraaf heeft gelezen weet u  nu beter. Ook weet u nu dat de Sievert als eenheid van het biologisch effect van ioniserende stralingeen een nogal ruime marge heeft. Een met een geigerteller gemeten waarde kan flink boven of onder de werkelijke dosis zitten en daarom is nader deskundig onderzoek altijd nodig.