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Vorbemerkung

Die in dieser Berechnungsgrundlage beschriebenen Rechenverfahren zur Bestimmung der Strahlenexposition nach einer Freisetzung luftgetragener Radionuklide infolge von Störmaßnahmen oder sonstigen Einwirkungen Dritter (SEWD) basieren auf der Berechnung der atmosphärischen Ausbreitung und Deposition dieser Radionuklide.

Bislang werden im Falle luftgetragen freigesetzter radioaktiver Ableitungen die zur Ermittlung der Strahlenexposition erforderlichen Ausbreitungsrechnungen zumeist mit dem Gauß-Fahnenmodell durchgeführt (/AVV 12/, /SSK 04/). Dieses Ausbreitungsmodell entspricht speziell im Hinblick auf typische Freisetzungsszenarien bei SEWD, wie z.B. bodennahe oder instationäre Freisetzungen, nicht mehr dem Stand von Wissenschaft und Technik. Weiter können topographische Standortbedingungen wie orographisch strukturiertes Gelände und komplexe Gebäudestrukturen nicht realitätsnah berücksichtigt werden. Auch kann das Gauß-Fahnenmodell die Deposition von Radionukliden nur approximativ und die Sedimentation von Schwebstoffteilchen nicht explizit behandeln.

Zur Berechnung der Ausbreitung luftgetragener Radionuklide steht mittlerweile das auf der Basis von AUSTAL2000 /AUS 02/ entwickelte, ebenfalls allgemein zugängliche Modellsystem ARTM (Atmosphärisches Radionuklid-Transport-Modell /BMU 07/) zur Verfügung. Das dabei verwendete Ausbreitungsmodell orientiert sich weitgehend an dem für die Ausbreitung betrieblich abgeleiteter konventioneller Luftbeimengungen konzipierten und frei verfügbaren Programmpaket AUSTAL2000. Es stellt eine Umsetzung der im Anhang 3 "Ausbreitungsrechnungen" der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) vom 24. Juli 2002 /TAL 02/ festgelegten Modellannahmen, Randbedingungen und Parameter dar. Danach ist die Ausbreitungsrechnung unter Verwendung des Partikelmodells der Richtlinie VDI 3945, Blatt 3 /VDI 00/ in Kombination mit den meteorologischen Grenzschichtprofilen der Richtlinie VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/ und einem mesoskaligen diagnostischen Windfeldmodell durchzuführen. Zusätzlich wurden im Modellsystem ARTM Algorithmen zur Berücksichtigung des radioaktiven Zerfalls, der Gammasubmersion sowie der nassen Deposition implementiert.

In der SEWD-Berechnungsgrundlage werden für Ausbreitungsrechnungen mit luftgetragenen Radionukliden über den Rahmen des Anhangs 2 der TA Luft hinausgehende Festlegungen vorgenommen, die u. a. den radioaktiven Zerfall, die Gammasubmersion und die nasse Deposition betreffen. Ansonsten wurden, soweit sinnvoll, die Festlegungen des Anhangs 2 der TA Luft übernommen.

1 Anwendungsbereich

Diese Berechnungsgrundlage gilt in Genehmigungs-, Planfeststellungs- und Aufsichtsverfahren, die sich auf Anlagen oder Tätigkeiten nach den § § 5, 6, 7 und 9 AtG (im Folgenden "kerntechnische Anlagen und Einrichtungen") beziehen, für die Ermittlung der Strahlenexposition in der Umgebung von kerntechnischen Anlagen oder Einrichtungen nach einer Freisetzung von Radionukliden in die Atmosphäre als Folge der zu unterstellenden SEWD.

Diese Ermittlung dient der Prüfung der Einhaltung des Schutzziels der Verhinderung einer erheblichen Freisetzung bei SEWD.

Die Berechnungsgrundlage gilt nicht für andere Anwendungen, insbesondere nicht zur Abschätzung in einer akuten Bedrohungslage, zur Abwägung etwaiger Maßnahmen des Katastrophenschutzes oder der Strahlenschutzvorsorge.

2 Begriffsbestimmungen

Aerodynamisch äquivalenter Partikeldurchmesser (AED):

entspricht dem Durchmesser eines äquivalenten Schwebstoffteilchens mit der Einheitsdichte 1 g/cm³, das das gleiche Sedimentationsverhalten aufweist wie das reale Teilchen

äußere Bestrahlung:

Einwirkung durch die Gammastrahlung freigesetzter Radionuklide in der Wolke (Gammawolkenstrahlung bzw. Gammasubmersion) oder durch abgelagerte Radionuklide (Gammabodenstrahlung)

Bemerkung: Bei den in Deutschland durch SEWD möglichen Quelltermen ist der Beitrag der äußeren Betastrahlung zur effektiven Dosis deutlich kleiner als 1 % und wird daher nicht betrachtet.

Arbeitsstätte:

Gebäude oder Orte im Freien, in bzw. an denen sich Beschäftigte oder Selbstständige bei der von ihnen ausgeübten Tätigkeit regelmäßig über einen längeren Zeitraum aufhalten und die

• nicht auf dem Betriebsgelände der betrachteten kerntechnischen Anlage oder Einrichtung liegen oder
• nicht gemeinsam mit der kerntechnischen Anlage oder Einrichtung einem einheitlichen Notfallschutzregime unterliegen.

Aufpunkte:

alle im Rechengebiet befindlichen Wohnbebauungen und Arbeitsstätten außerhalb des Anlagengeländes

Ausbreitung:

Verteilung luftgetragener Radionuklide in der Atmosphäre durch Wind und Turbulenz

Deposition:

Ablagerung luftgetragener Radionuklide an der Erdoberfläche

Depositionsrate:

Deposition luftgetragener Radionuklide pro Flächen- und Zeiteinheit

Depositionsgeschwindigkeit:

Stoffeigenschaft, die die trockene Deposition beschreibt

Diffusionskategorie (auch Ausbreitungsklasse, Ausbreitungskategorie, Stabilitätsklasse):

Klassierung charakteristischer Turbulenzstrukturen in der atmosphärischen Grenzschicht

Emissionsrate:

Freisetzungsrate luftgetragener Radionuklide in die Atmosphäre

Falloutkoeffizient:

Stoffeigenschaft, die die trockene Ablagerung luftgetragener Radionuklide an der Erdoberfläche, Gebäuden oder Pflanzen beschreibt

Gammasubmersion:

gleichbed.: Gammawolkenstrahlung, siehe auch äußere Bestrahlung

Gammawolkenstrahlung:

gleichbed.: Gammasubmersion, siehe auch äußere Bestrahlung

Inhalation:

Inkorporation luftgetragener Radionuklide durch Einatmen

komplementäre kumulative Wahrscheinlichkeitsverteilung:

Verteilungsfunktion, die die Wahrscheinlichkeit angibt, mit der eine potenzielle Strahlenexposition einen bestimmten Dosiswert erreicht oder überschreitet

Kurzzeitausbreitungsfaktor:

Rechenfaktor zur Ermittlung der Strahlenexposition durch eine Emission luftgetragener Radionuklide innerhalb eines Zeitbereiches, in dem die meteorologischen Bedingungen als stationär angesehen werden können

mesoskaliges diagnostisches Strömungsmodell: Strömungsmodell, mit dem auf der Grundlage einzelner Windmessungen im Rechengebiet das aktuelle durch Geländeform und -nutzung resultierende räumliche Strömungsfeld bestimmt wird

Mischungsschichthöhe:

Höhe der atmosphärischen Grenzschicht, in der die Ausbreitung erfolgt

Monin-Obukhov-Länge:

Parameter zur Beschreibung der Turbulenzverhältnisse in der bodennahen Atmosphäre

Quellterm:

Gesamtheit aller Parameter einer Freisetzung in die Atmosphäre

Rauigkeitslänge:

Maßzahl für die Oberflächenrauigkeit in einem Rechengebiet

Sedimentationsgeschwindigkeit:

beschreibt das Absinken von Schwebstoffteilchen in Folge der Schwerkraft

SEWD:

Störmaßnahmen oder sonstige Einwirkungen Dritter

Strahlenexposition:

Einwirkung ionisierender Strahlung auf den menschlichen Körper. Betrachtet werden im Rahmen der vorliegenden Berechnungsgrundlage die Expositionspfade Inhalation und äußere Bestrahlung.

Der Expositionspfad Ingestion wird nicht betrachtet, weil davon ausgegangen wird, dass bei der Freisetzung einer größeren Menge Radionukliden als Folge von SEWD Maßnahmen getroffen werden, die bestimmte Expositionspfade administrativ unterbinden (z.B. durch Verzehreinschränkungen).

Tatszenarium:

Gesamtheit der aus den jeweils gültigen Lastannahmen (vgl. z.B. /BMU 12/) abgeleiteten Teilaspekte einer möglichen Tat

Verdrängungshöhe:

vertikale Verschiebung der Grenzschichtprofile durch Oberflächenrauigkeit

Washoutkoeffizient:

Stoffeigenschaft, die die durch Regentropfen verursachte nasse Ablagerung luftgetragener Radionuklide an der Erdoberfläche, Gebäuden oder Pflanzen beschreibt

Wohnbebauung:

Genehmigte Gebäude oder genehmigte ortsfeste Einrichtungen, die Personen

• als fester, dauerhafter Wohnsitz
• zum vorrübergehenden Bewohnen (z.B. Beherbergungsbetriebe, Krankenhäuser, Ferien- und Wochenendhäuser sowie Camping- und Wochenendplätze)

dienen.

3 Schutzziel und Bewertungsgrundlage

Der erforderliche Schutz gegen SEWD mit möglicher Strahlenexposition ist dann gewährleistet, wenn das folgende allgemeine Schutzziel erfüllt wird:

Eine Gefährdung von Leben und Gesundheit infolge der Freisetzung einer erheblichen Menge radioaktiver Stoffe muss verhindert werden.

Betrachtet werden nur die im Rahmen von SEWD zu unterstellenden Einwirkungen auf die kerntechnische Anlage oder Einrichtung.

Zur Einhaltung des Schutzziels ist nachzuweisen, dass die Strahlenexposition für Personen aller Altersgruppen, die sich am Aufpunkt (der betrachteten Wohnbebauung bzw. Arbeitsstätte) aufhalten, nicht mehr als 100 mSv effektive Folgedosis bis zum 70. Lebensjahr als Summe von Inhalation und sieben Tagen äußerer Bestrahlung beträgt (vgl. /SSK 09/).

Der Nachweis der Einhaltung des Schutzziels erfolgt durch atmosphärische Ausbreitungsrechnungen (Abschnitt 4.2) und nachfolgender radiologischer Konsequenzenanalyse (Abschnitt 4.4). In Analogie zu den Störfallberechnungsgrundlagen /SSK 04/ kann der Nachweis der Einhaltung des Schutzziels vereinfacht und sehr konservativ deterministisch (Abschnitt 4.4.1) oder aufwändiger und hinreichend konservativ probabilistisch (Abschnitt 4.4.2) geführt werden.

4 Berechnungsverfahren

Die Berechnung der Strahlenexposition nach einer Freisetzung von Radionukliden in die Atmosphäre als Folge von SEWD erfordert im Rahmen von Ausbreitungsrechnungen die Bestimmung der räumlichen Verteilung der Konzentration der luftgetragenen sowie der trocken und nass deponierten Radionuklide.

Das zu Grunde liegende Ausbreitungsmodell (Abschnitt 4.2) liefert auf dem vorgegebenen Rechenraster (Abschnitt 4.2.2) die Aktivitätskonzentration der im Verlauf von SEWD-Ereignissen freigesetzten Radionuklide, die Depositionsraten sowie das aus Emissionsrate und Kurzzeitausbreitungsfaktor für Gammasubmersion gebildete Produkt.

Auf der Basis dieser Daten wird die Strahlenexposition auf Grund äußerer Bestrahlung sowie innerer Bestrahlung nach Inhalation berechnet.

Zur Ermittlung des ungünstigsten Tatszenariums ist das Berechnungsverfahren für alle relevanten Szenarien mit Freisetzung von Radionukliden anzuwenden.

4.1 Quellterm

Die Beschreibung der Verfahren zur Ermittlung des Quellterms nach SEWD ist nicht Bestandteil dieser Berechnungsgrundlagen.

Daher sind auf der Basis von modellhaften und/oder experimentellen Untersuchungen u. a. folgende Parameter des Quellterms bereitzustellen:

• Art (Radionuklid) und Menge (Aktivität) der Freisetzung
• radionuklidspezifische zeitliche Verläufe der Aktivitätsfreisetzung
• Partikelgrößenverteilung bei Schwebstoffen
• Freisetzungsort und Emissionshöhe
• Quellgeometrie
• andere Randbedingungen der Freisetzung (z.B. thermischer/mechanischer Energieinhalt)

Emissionsquellen sind die Stellen des Übergangs von Radionukliden in die Atmosphäre als Folge von SEWD. Bezüglich der Art und Menge der Freisetzung müssen folgende Angaben spezifiziert sein:

• radioaktive Zerfallskonstante,
• physikalische und chemische Form,
• nuklidspezifischer Anteil der Gammastrahlung mit einer Energie > 0,2 MeV,
• Washoutkoeffizient und
• Depositionsgeschwindigkeit.

In Anhang A.1, Tabelle A1 und Tabelle A2, sind typischerweise zu berücksichtigende Radionuklide und die zu verwendenden Parameter zusammengefasst.

Bei zeitlichen Schwankungen der Emissionsparameter sind diese als Zeitreihe anzugeben. Ist eine solche Zeitreihe nicht verfügbar oder nicht verwendbar, sind die ungünstigsten Randbedingungen einzusetzen.

Hängt die Quellstärke maßgeblich von den meteorologischen Bedingungen ab, so ist dies entsprechend zu berücksichtigen.

Falls es möglich ist, bestimmten Quelltermen (resultierend aus einem der zu Grunde gelegten Tatszenarien) eine relative Häufigkeit zuzuordnen, so kann dies in Form einer Quelltermprobabilistik bei der probabilistischen Konsequenzenanalyse (Abschnitt 4.4.2) berücksichtigt werden.

4.1.1 Effektive Quellhöhe

Die effektive Quellhöhe auf Grund thermischer bzw. mechanischer Effekte ist gemäß Richtlinie VDI 3782, Blatt 3 /VDI 85/ bzw. anderer die Freisetzungsrandbedingungen besser beschreibenden Modelle zu bestimmen.

4.1.2 Besonderheit bei kurzer Freisetzungsdauer

Bei Freisetzungsdauern von weniger als einer halben Stunde sind kürzere Mittelungszeiträume anzusetzen und bei der Bestimmung der lateralen Geschwindigkeitsfluktuationen σ_γ gemäß VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/ zu berücksichtigen.

Bei einer Freisetzungsdauer von T ≤ 1800 s sind die Ausbreitungsrechnungen mit reduzierten lateralen Geschwindigkeitsfluktuationen au entsprechend durchzuführen. Dabei bedeuten T₁₈₀₀ = 1800 s und σ_{υ , 1800} die gemäß VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/ bestimmte laterale Geschwindigkeitsfluktuation (siehe Anhang A.2).

4.2 Ausbreitungsrechnungen

4.2.1 Grundsätzliche Vorgehensweise

Die Ausbreitungsrechnung für luftgetragene radioaktive Gase und Schwebstoffe ist nach dem in VDI 3945, Blatt 3 /VDI 00/ beschriebenen Verfahren durchzuführen und weist folgende Merkmale auf:

• Modellierung der atmosphärischen Turbulenz entsprechend VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/:
• Meteorologische Eingabedaten sind bei probabilistischer Vorgehensweise vorzugsweise mehrjährige Zeitreihen;
• Beim deterministischen Verfahren werden - ohne Berücksichtigung der Windrichtung - die Ausbreitungsrechnungen für die sechs verschiedenen Diffusionskategorien der atmosphärischen Schichtung:
  • Diffusionskategorie A (ohne Niederschlag)
  • Diffusionskategorie B (ohne Niederschlag)
  • Diffusionskategorie C (5 mm/h Niederschlag)
  • Diffusionskategorie D (5 mm/h Niederschlag)
  • Diffusionskategorie E (5 mm/h Niederschlag)
  • Diffusionskategorie F (ohne Niederschlag)

bei einer Windgeschwindigkeit von 1 m/s in 10 m über Grund durchgeführt. Bei Freisetzungszeiten von weniger als einer Stunde ist die zeitintegrierte bodennahe Konzentration für die Diffusionskategorien A und F mit dem Faktor 2 zu multiplizieren. Die Festlegung der bei der deterministischen Vorgehensweise zu betrachtenden meteorologischen Bedingungen orientiert sich an den Vorgaben der Störfallberechnungsgrundlagen ¹;

• Berechnung der Abgasfahnenüberhöhung nach VDI 3782, Blatt 3 /VDI 85/;
• Bei Vorliegen strukturierten Geländes (Geländehöhe und Bodennutzung) oder von Gebäudestrukturen im Nahbereich des Emissionsortes Berechnung des Transportes von Radionukliden mit dem mittleren Wind auf der Basis eines diagnostischen Strömungsmodells;
• Berechnung der atmosphärischen Ausbreitung, der trockenen und nassen Deposition sowie des Kurzzeitausbreitungsfaktors für Gammasubmersion mit dem Lagrange"schen Partikelmodell gemäß Richtlinie VDI 3945, Blatt 3 /VDI 00/.

4.2.2 Rechengebiet und Aufpunkte

Das Rechengebiet umfasst das kreisförmige Gebiet um den Ort der Quelle, dessen Radius das 50fache der effektiven Emissionshöhe, mindestens aber 5 km beträgt.

Tragen mehrere räumlich getrennte Quellen zur Strahlenexposition bei, dann besteht das Rechengebiet mindestens aus der Vereinigung der jeweiligen Rechengebiete. Bei besonderen Geländebedingungen kann es erforderlich sein, das Rechengebiet größer zu wählen.

Das Raster zur Berechnung von Aktivitätskonzentration, Depositionsraten und des Kurzzeitausbreitungsfaktors für Gammasubmersion ist so zu wählen, dass sowohl Ort als auch Betrag der Expositionsmaxima mit hinreichender Sicherheit bestimmt werden können. In der Regel ist das dann gewährleistet, wenn die horizontale Maschenweite die Emissionshöhe nicht überschreitet.

In Quellentfernungen größer als dem zehnfachen der Emissionshöhe kann die horizontale Maschenweite proportional größer gewählt werden.

Geringere Maschenweiten sind anzuwenden:

• bei bodennahen Freisetzungen,
• wenn eine Beeinflussung der Ausbreitung durch umliegende Gebäude zu berücksichtigen ist oder
• wenn Abstände zwischen Freisetzungsort und Aufpunkt zu erwarten sind, die in der Größenordnung der Maschenweite liegen.

Als Aufpunkte werden alle im Rechengebiet befindlichen Wohnbebauungen und Arbeitsstätten betrachtet. Die Basis hierfür bilden aktuelle amtliche Unterlagen (vgl. Anhang A.4 ). Zusätzlich sind alle Gitterzellen am Rand des Rechengebiets als Wohnbebauung zu betrachten, um sicher zu stellen, dass auch außerhalb des Rechengebiets liegende Wohnbebauungen oder Arbeitsstätten abdeckend berücksichtigt werden.

Die Aktivitätskonzentration ist an den Aufpunkten als Mittelwert über ein vertikales Intervall vom Erdboden bis 3 m Höhe über dem Erdboden zu berechnen. Damit ist sie repräsentativ für eine Aufpunkthöhe in 1,5 m über Grund.

Die so für ein Volumen oder eine Fläche des Rechengitters berechneten Mittelwerte der Aktivitätskonzentration, des Kurzzeitausbreitungsfaktors für Gammasubmersion und der Depositionsraten gelten für alle darin enthaltenen Aufpunkte.

4.2.3 Randbedingungen und Parameter

4.2.3.1 Bodenrauigkeit

Die Bodenrauigkeit des Geländes wird durch eine mittlere Rauigkeitslänge z₀ parametrisiert. Sie ist aus aktuellen Daten zur Bodenbedeckung und der Emissionshöhe zu bestimmen (vgl. auch Anhang A.3).

Variiert die Bodenrauigkeit innerhalb des zu betrachtenden Gebietes sehr stark, ist diese bei den Ausbreitungsrechnungen zu berücksichtigen oder ein im Hinblick auf die zu erwartenden Strahlenexpositionen konservativer Wert zu verwenden.

4.2.3.2 Berücksichtigung von Bebauung

Einflüsse von Bebauung auf die Immission im Rechengebiet sollen im Rahmen der Berechnung berücksichtigt werden.

Beträgt die Emissionshöhe mehr als das 1,2fache der Gebäudehöhen oder haben Gebäude, für die diese Bedingung nicht erfüllt ist, einen Abstand von mehr als dem sechsfachen ihrer Höhe von der Emissionsquelle, kann in der Regel folgendermaßen verfahren werden:

1. Sofern die Emissionshöhe mehr als das 1,7fache der Gebäudehöhen beträgt, ist die Berücksichtigung der Bebauung durch Rauigkeitslänge und Verdrängungshöhe ausreichend.
2. Sofern die Emissionshöhe weniger als das 1,7fache der Gebäudehöhen beträgt und eine freie Abströmung gewährleistet ist, können die Einflüsse mit Hilfe eines diagnostischen Windfeldmodells für Gebäudeumströmung berücksichtigt werden.

Maßgeblich für die Beurteilung der Gebäudehöhen nach a) oder b) sind alle Gebäude, deren Abstand zur Emissionsquelle weniger als das sechsfache der Emissionshöhe beträgt.

4.2.3.3 Berücksichtigung von Geländeunebenheiten

Auch Unebenheiten des Geländes sind in der Regel nur zu berücksichtigen, falls innerhalb des Rechengebietes Höhendifferenzen (zum Emissionsort) von mehr als dem 0,7fachen der Emissionshöhe und Steigungen von mehr als 1:20 auftreten. Die Steigung ist dabei aus der Höhendifferenz über eine Strecke zu bestimmen, die dem zweifachen der Emissionshöhe entspricht.

Dabei können Geländeunebenheiten in der Regel mit Hilfe eines mesoskaligen diagnostischen Windfeldmodells berücksichtigt werden, wenn die Steigung des Geländes den Wert 1:5 nicht überschreitet und wesentliche Einflüsse von lokalen Windsystemen oder anderen meteorologischen Besonderheiten ausgeschlossen werden können.

4.2.3.4 Meteorologische Daten

Meteorologische Daten sind als Stundenmittel anzugeben, wobei die Windgeschwindigkeit vektoriell zu mitteln ist.

Die vom Partikelmodell benötigten meteorologischen Grenzschichtprofile sind gemäß VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/ zu bestimmen.

Hierzu werden neben der Rauigkeitslänge die Stundenmittelwerte von Windrichtung und Windgeschwindigkeit in Messhöhe, die Monin-Obukhov-Länge und die Mischungsschichthöhe sowie die Stundensumme des Niederschlages benötigt.

4.2.3.5 Eigenschaften von Schwebstoffen und Gasen

Bei den Ausbreitungsrechnungen sind für Schwebstoffe und Gase die in Anhang A.1 aufgeführten stoffspezifischen Werte zu berücksichtigen.

Die Ausbreitungsrechnung ist für die AED-Klassen gemäß Tabelle A2 mit den jeweiligen Emissionsrandbedingungen durchzuführen.

Für die Berechnung der Depositionsrate des gesamten Schwebstoffs sind die Depositionswerte der AED-Klassen zu addieren. Die Einzelwerte der Konzentration von Partikeln mit aerodynamischem Durchmesser kleiner als 10 μm bestehen aus der Summe der Einzelwerte der Konzentrationen der AED-Klassen 1 (< 2,5 μm) und 2 (2,5 - 10 μm).

Ist die Partikelgrößenverteilung nicht im Einzelnen bekannt, dann ist Schwebstoffteilchen mit aerodynamisch äquivalentem Partikeldurchmesser kleiner als 10 μm wie Schwebstoff der Klasse 2 (2,5 - 10 μm) zu behandeln. Für Schwebstoffteilchen mit einem aerodynamischen Durchmesser größer als 10 μm sind in diesem Fall für die Depositionsgeschwindigkeit der Wert 0,07 m/s, für die Sedimentationsgeschwindigkeit der Wert 0,06 m/s und für den Washoutkoeffizient Λ₀ = 3 ⋅ 10^-4 1/s zu verwenden.

4.2.3.6 Berücksichtigung der statistischen Unsicherheit

Die mit dem hier beschriebenen Verfahren berechneten räumlichen Verteilungen für die Aktivitätskonzentration, die Depositionsraten und das Produkt aus Emissionsrate und Kurzzeitausbreitungsfaktor für die Gammasubmersion besitzen aufgrund der statistischen Natur des Lagrange"schen Partikelmodells eine statistische Unsicherheit.

Bei deterministischer Vorgehensweise (Abschnitt 4.4.1) ist darauf zu achten, dass die modellbedingte statistische Unsicherheit der berechneten Werte an den Aufpunkten 3 % nicht überschreitet.

Bei probabilistischer Vorgehensweise (Abschnitt 4.4.2) werden komplementäre kumulative Wahrscheinlichkeitsverteilungen bestimmt. Die statistische Unsicherheit der Einzelrechnungen spiegelt sich in der Form dieser Verteilungen wider. Durch eine Erhöhung der Partikelzahl ist zu prüfen, ob sich eine signifikante Änderung der komplementären kumulativen Wahrscheinlichkeitsverteilung ergibt. Ist dies nicht der Fall, so ist die statistische Unsicherheit der ursprünglichen Rechnung ausreichend niedrig. Ein guter Startwert für die Partikelanzahl liegt vor, wenn die statistische Unsicherheit eines Einzellaufes bei neutraler Schichtung am betrachteten Aufpunkt unter 10 % liegt (siehe Anhang A.6).

4.2.3.7 Radioaktiver Zerfall

Der während des Ausbreitungsprozesses stattfindende radioaktive Zerfall der Radionuklide wird über die aus Tabelle A1 zu entnehmenden Zerfallskonstanten berücksichtigt.

Die Berücksichtigung der Tochternuklide bei der Berechnung der Strahlenexposition erfolgt über die im Bundesanzeiger (BAnz) /BMJ 01/ amtlich veröffentlichten Sätze von Dosiskoeffizienten und Dosisleistungskoeffizienten.

4.3 Berechnung der Strahlenexposition

Allgemein müssen bei der Berechnung der Strahlenexposition an den zu betrachtenden Aufpunkten folgende Expositionspfade zu Grunde gelegt werden:

Strahlenexposition durch Inhalation - H_h,r

Strahlenexposition durch Gammabodenstrahlung in der Expositionszeit te - H_b,r,te

Strahlenexposition durch Gammasubmersion während des Durchzugs der radioaktiv kontaminierten Wolke - Hγ_,r

Der Index r steht dabei jeweils für das Radionuklid, welches die Strahlung emittiert.

Zur Berechnung der Gammabodenstrahlung werden Expositionszeiten (Aufenthaltsdauern im Freien) von 168 h (= 7 x 24 h) am Wohnort und 40 h an der Arbeitsstätte zu Grunde gelegt.

Die Gesamtexposition berechnet sich dementsprechend als Summe aus der Strahlenexposition durch Inhalation und Gammabodenstrahlung sowie ggf. durch Gammasubmersion gemäß:

H_Ges = H_h,r H_{b,r,7 Tage} + H γ_,r

4.3.1 Berechnung der Strahlenexposition durch Inhalation

Der effektive Dosisbeitrag H_b,r,. durch Inhalation des Radionuklids r am betrachteten Aufpunkt berechnet sich aus der mit dem Ausbreitungsmodell an diesem Aufpunkt ermittelten zeitintegrierten bodennahen Konzentration

∫ c_r dt

wie folgt:

H_h,r = g_h,r V ∫ c_r dt

Bei an Schwebstoffe gebundenen Radionukliden wird die zeitintegrierte bodennahe Konzentration aus den AED-Klassen 1 (< 2,5 μm) und 2 (2,5 - 10 μm) gebildet (Tabelle A2).

Hierbei ist V die in Tabelle A4 im Anhang A.5 angegebene Atemrate.

Der effektive Dosisfaktor g_h,r für Inhalation entspricht den Vorgaben in /BMJ 01/ ².

4.3.2 Berechnung der Strahlenexposition durch Gammabodenstrahlung

Die effektive Dosis durch Gammabodenstrahlung H wird aus der zeitintegrierten nassen und trockenen Deposition (Washout D_W,r und Fallout D_F,r) für das Radionuklid r unter Berücksichtigung der Expositionszeit t_e und der radioaktiven Zerfallskonstante λ_r berechnet:

Hierbei ist g_b,r der altersabhängige Dosisleistungskoeffizient für die effektive Dosis durch Gammabodenstrahlung des Nuklids r /BMJ 01/.

4.3.3 Berechnung der Strahlenexposition durch Gammasubmersion

Die Strahlenexposition durch Gammasubmersion ist gemäß Richtlinie VDI 3945, Blatt 8 /VDI 00/ und /BMU 07/ (numerische Umsetzung der Integration über die Radionuklidwolke) sowie den Störfallberechnungsgrundlagen /SSK 04/ (Dosisberechnung) zu bestimmen.

Demnach wird die effektive Dosis auf Grund von Gammawolkenstrahlung 11", für die zwei Gammaenergiegruppen 0,1 MeV und 1 MeV nach folgender Berechnungsvorschrift bestimmt:

Hγ_,r = gγ_,r [ f_r Gγ_,1MeV c_{Geo; γ ,1MeV} + (1 - f_r) Gγ _,0.1MeV c_{Geo; γ ,1MeV}].

Hierbei sind Gγ_,1MeV und Gγ_,0.1MeV die vom Partikelmodell berechneten bodennahen horizontalen Verteilungen der Gammasubmersion für die Energiegruppen 1 MeV bzw. 0,1 MeV (/BMU 07/, Anlage A.2).

Des Weiteren sind f_r der nuklidspezifische Anteil der Energiegruppe > 0,2 MeV am Gesamtenergiespektrum und g_b,r der Dosisleistungskoeffizient des Radionuklids r (durch Gammasubmersion) /BMJ 01/.

Die Korrekturfaktoren c_{Geo; γ ,1MeV} und c_{Geo; γ ,0.1MeV} dienen zur Berücksichtigung der Körpergeometrie der Referenzpersonen bei Gammasubmersion für die Energiegruppen 1 MeV bzw. 0,1 MeV /BMJ 01/.

Sofern nachgewiesen werden kann, dass der Beitrag der Gammasubmersion zur Gesamtexposition weniger als 1 % beträgt, kann auf eine Berücksichtigung der Strahlenexposition durch Gammasubmersion verzichtet werden.

4.4 Radiologische Konsequenzenanalyse

4.4.1 Anwendung deterministischer Verfahren

Bei deterministischer Vorgehensweise werden die Ergebnisse der Ausbreitungsrechnungen unter der Fahnenachse entfernungsabhängig ausgewertet. Unabhängig von der Windrichtung werden die Dosiswerte in der jeweiligen Entfernung der Aufpunkte vom Emissionsort ermittelt. Der jeweilige Maximalwert der sechs zu betrachtenden Wettersituationen ist bei der Bewertung heranzuziehen.

4.4.2 Anwendung probabilistischer Verfahren

Die bei einer probabilistischen Konsequenzenanalyse für eine potenzielle Freisetzung von Radionukliden nach SEWD zu berechnende Strahlenexposition (an den zu betrachtenden Aufpunkten) erfolgt auf der Grundlage einer meteorologischen Zeitreihe stündlich gemittelter meteorologischer Daten. Die Zeitreihe sollte sich lückenlos über einen Zeitraum von vorzugsweise mindestens fünf Jahren erstrecken ³. Alternativ kann auch die Zeitreihe eines so genannten repräsentativen Jahres, die bspw. vom Deutschen Wetterdienst (DWD) bereitgestellt werden kann, verwendet werden.

Bei einer Zeitreihe stündlich gemittelter meteorologischer Daten werden für die bei SEWD freigesetzten, luftgetragenen Radionuklide Ausbreitungsrechnungen durchgeführt, deren Freisetzungsbeginn jeweils einer der 8760 Jahresstunden (bzw. 8784 Jahresstunden bei Schaltjahren) zugeordnet wird.

Jede Ausbreitungsrechnung wird mit stündlich wechselnden meteorologischen Daten so lange fortgesetzt, bis die luftgetragenen Radionuklide das Rechengebiet verlassen hab en.

Die bei diesen instationären Ausbreitungsrechnungen ermittelten Konzentrations- und Depositionsfelder bilden die Grundlage für nachfolgende Berechnungen räumlicher Verteilungen der Strahlenexposition.

An allen Aufpunkten (gemäß Abschnitt 4.2.2) werden für alle Ausbreitungssituationen die resultierenden Strahlenexpositionen bestimmt.

Die der Größe nach sortierten maximalen Strahlenexpositionen werden dann in Diagrammen dargestellt, in denen die Strahlenexposition mit der erwarteten Eintrittswahrscheinlichkeit der jeweiligen Ausbreitungssituation in Beziehung gesetzt wird (vgl. Anhang A.6 )

Diese so ermittelten komplementären kumulativen Wahrscheinlichkeitsverteilungen geben die bedingte Wahrscheinlichkeit an, mit der die potenzielle Strahlenexposition einen bestimmten Dosiswert erreicht oder überschreitet.

In dieser bedingten Wahrscheinlichkeit ist die Eintrittshäufigkeit der SEWD, die zur Freisetzung führt, nicht berücksichtigt, d. h., es wird unterstellt, dass die SEWD eingetreten ist.

Aus dieser Verteilung ist analog /SSK 04/ schließlich jeweils die Dosis zu ermitteln, unterhalb der 95 % aller ermittelten Maximalwerte liegen (95-Perzentilwert).

Literatur

/AUS 02/ Ingenieurbüro Janicke. (2002). AUSTAL2000 - Ausbreitungsprogramm: Umsetzung der TA Luft Anhang 3 (v. 2.4.7). Verfügbar unter: http:// www.austa12000.de (13.06.2014).

/AVV 12/ Allgemeine Verwaltungsvorschrift zu § 47 StrSchV: Ermittlung der Strahlenexposition durch die Ableitung radioaktiver Stoffe aus kerntechnischen Anlagen oder Einrichtungen, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (28.08.2012), BAnz AT 05.09.2012.

/BMJ 01/ Bundesministerium der Justiz (Hrsg.), "Beilage 160 a und b zum Bundesanzeiger", Bundesanzeiger, 28. August 2001.

/BMU 07/ Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (Hrsg.), Schriftenreihe Reaktorsicherheit und Strahlenschutz (710): Entwicklung, Validierung und Bereitstellung eines atmosphärischen Ausbreitungsmodells für luftgetragene radioaktive Stoffe der Basis des Ausbreitungsmodells AUSTAL 2000 der neuen TA Luft, 2007.

/BMU 12/ Lastannahmen zur Auslegung kerntechnischer Anlagen und Einrichtungen gegen Störmaßnahmen oder sonstige Einwirkungen Dritter (Lastannahmen) inkl. Erläuterungen und Hinweise zu den Lastannahmen (VS-Vertraulich), Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, 2012.

/CLC 00/ Klassifizierungsschlüssel und Lookup-Tabelle für CLC2000 Rasterdaten [pdf-Datei]. Online verfügbar unter: http://www.corine.dfd.d1r.de/ media/download/c1c_lut_de.pdf (13.06.2014).

/CLC 10/ CORINE Land Cover - Bodenbedeckungsdaten für Deutschland, Bestellformular. Online verfügbar unter: http://www.corine.dfd.d1r.de/corine_ order_de.html (13.06.2014).

/GIF 75/ F. A. Gifford, "Atmospheric dispersion models for environmental pollution applications", in Lectures on Air Pollution and Environmental Impact Analyses. Boston/MA (USA): American Meterorological Society, 1975, S.35-58.

/HAN 82/ S. R. Hanna, G. A. Briggs und J. Hosker, R. P., Handbook on atmospheric diffusion, Technical Information center, U.S. Department of Energy (DOE/TIC-11223), 1982.

/SSK 04/ Strahlenschutzkommission (SSK) des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (Hrsg.), Störfallberechnungsgrundlagen zu § 49 StrlSchV - Neufassung des Kapitels 4: Berechnung der Strahlenexposition (Empfehlungen der Strahlenschutzkommission, Heft 44), 2004.

/SSK 09/ Strahlenschutzkommission (SSK) des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (Hrsg.) Berichte der Strahlens chutzkommission (SSK) des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (Heft 61): Radiologische Grundlagen für Entscheidungen über Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung bei unfallbedingten Freisetzungen von Radionukliden, 2009.

/STA 97/ CD-ROM: Daten zur Bodenbedeckung der Bundesrepublik Deutschland, Wiesbaden: Statistisches Bundesamt, 1997.

/TAL 02/ "Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immisionsschutzgesetz (Technische Anleitung zur Reinerhaltung der Luft - TA Luft) vom 24. Juli 2002", Gemeinsames Ministerialblatt (GMB12002, S. 511 [Nr. 9]).

/VDI 00/ Verein Deutscher Ingenieure (VDI) (Hrsg.), Umweltmeteorologie, Atmosphärische Ausbreitungsmodelle, Partikelmodell (VDI-Richtlinie VDI 3945 Blatt 3), in der jeweils gültigen Fassung.

/VDI 02/ Verein Deutscher Ingenieure (VDI) (Hrsg.), Umweltmeteorologie, Messwertgestützte Turbulenzparametrisierung für Ausbreitungsmodelle (VDI-Richtlinie VDI 3783 Blatt 8), in der jeweils gültigen Fassung.

/VDI 85/ Verein Deutscher Ingenieure (VDI) (Hrsg.), Ausbreitung von Luftverunreinigungen in der Atmosphäre, Berechnung der Abgasfahnenüberhöhung (VDI-Richtlinie VDI 3782 Blatt 3), in der jeweils gültigen Fassung.

/WOL 89/ G. C. Wollenweber und H. A. Panofsky, "Dependence of velocity variance on sampling time", Boundary-Layer Meteorology, 47, S.205-215, 1989.

A Daten und Rechenverfahren zur Ausbreitung und Strahlenexposition

A.1 Standardnuklidliste und physikalische Eigenschaften der AED-Klassen

Die Standardnuklidliste umfasst die wichtigsten chemischphysikalischen Formen zusammen mit den zur Berechnung der Aktivitätskonzentration, der trockenen und nassen Depositionsraten sowie der Gammasubmersion erforderlichen Parameter (Tabelle A1). Falls die Ausbreitungsrechnung für Nuklide durchgeführt werden soll, die nicht in dieser Tabelle enthalten sind, muss sie erweitert werden.

Bei der physikalischen und chemischen Form wird unterschieden zwischen Radionukliden, die gasförmig vorliegen oder an (in vier AED-Klassen eingeteilte) Schwebstoffe gebunden sind. Es können bspw.

• radioaktive Edelgase (keine Deposition),
• radioaktiver Kohlenstoff als Schwebstoff, CO₂ oder in organischer Form,
• radioaktives Quecksilber und Jod als Schwebstoff, elementar oder in organischer Form,
• Tritium als Wasser oder an Schwebstoffe gebunden oder
• andere Radionuklide in Form von Schwebstoffen auftreten.

Beim Zerfall der Radionuklide werden Gammaquanten verschiedener Energie emittiert. Der Dosisberechnung werden zwei Energiegruppen, unterhalb und oberhalb 0,2 MeV, zu Grunde gelegt. Es ist zulässig, die Ausbreitungsfaktoren für die Gammaenergien unterhalb 0,2 MeV durch den Störfallausbreitungsfaktor für 0,1 MeV und für die höheren Gammaenergien durch den Störfallausbreitungsfaktor für 1 MeV zu beschreiben /SSK 04/.

In Tabelle A2 sind die verwendeten Werte für die vier AED-Klassen zusammen mit den Depositions- und Sedimentationsgeschwindigkeiten aufgelistet.

Tabelle A1: Liste der berücksichtigten Radionuklide und der verwendeten Parameter (aus: /BMU 07/)

*)

**) stoffspezifischer Washoutkoeffizient λ₀ für die Niederschlagsintensität I₀ = 1 mm/h

Tabelle A2: Depositions- und Sedimentationsgeschwindigkeiten sowie stoffspezifischer Washoutkoeffizient für die Niederschlagsintensität I₀ = 1 mm/h für Schwebstoffe für AED-Klassen des aerodynamisch äquivalenten Partikeldurchmessers AED (aus: /BMU 07/)

Bemerkung: In /TAL 02/ bezeichnet v_d die Depositionsgeschwindigkeit; diese wird dagegen sowohl in /SSK 04/ als auch in /AVV 12/ mit v_g bezeichnet.

A.2 Erläuterung zur Behandlung kurzer Freisetzungsdauern

Die in VDI-Richtlinie VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/ dargestellte Turbulenzparametrisierung ist anwendbar für kontinuierliche Freisetzungen luftgetragener Radionuklide von etwa einer halben Stunde. Unter diesen Bedingungen lässt sich die resultierende Radionuklidfahne durch Überlagerung vieler aufeinander folgender Radionuklidwolken beschreiben, die auf Grund kurzfristiger Windrichtungsschwankungen unterschiedlichen Trajektorien folgen. Wird die gleiche Radionuklidmenge innerhalb einer kürzeren Zeitspanne freigesetzt, so sind an der Ausbildung der Radionuklidfahne weniger Radionuklidwolken mit höherem Radionuklidgehalt beteiligt, die zu einer vergleichsweise schmaleren Fahne mit höheren Maximalkonzentrationen führen. Hanna et al. /HAN 82/ geben eine auf Gifford /GIF 75/ zurückgehende empirische Approximation an, mit der die durch die lateralen Ausbreitungsparameter σ_γ ausgedrückten Fahnenbreiten für unterschiedliche Freisetzungszeiten T_i (mit 180 s < T _i < 3600 s) proportional zu T_i^0,2 sind.

Die durch σ_γ ausgedrückte laterale Fahnenbreite verhält sich proportional zur lateralen Geschwindigkeitsfluktuation σ_ν einer der im Rahmen der Turbulenzparametrisierung zu bestimmenden Größen für den Betrieb des Lagrange'schen Partikelmodells. Damit verhält sich σ_{ν ebenfalls proportional zu Ti^0,2. Die Abhängigkeit der vertikalen Windrichtungsschwankung σω von der Mittelungszeit ist im Vergleich zur lateralen Windrichtungsschwankung σν von untergeordneter Bedeutung /WOL 89/ und erfordert keine entsprechende Korrektur der vertikalen Windgeschwindigkeitsschwankung mit der Mittelungszeit.}

A.3 Bodenrauigkeit

Die Bodenrauigkeit des Geländes wird durch eine mittlere Rauigkeitslänge z₀ beschrieben. Sie ist nach Tabelle A3 aus den Landnutzungsklassen des CORINE-Katasters /STA 97/ zu bestimmen (die in Klammern angegebenen Ziffern sind die Kennzahlen der CORINE-Land-Cover-Klassen, vgl. bspw. /CLC 00/).

Die Rauigkeitslänge ist für ein kreisförmiges Gebiet um den Emissionsort festzulegen, dessen Radius das zehnfache der Emissionshöhe beträgt. Ist das Gebiet aus Flächenstücken mit unterschiedlicher Bodenrauigkeit zusammengesetzt, so ist eine mittlere Rauigkeitslänge durch arithmetische Mittelung (mit Wichtung entsprechend dem jeweiligen Flächenanteil) zu bestimmen und anschließend auf den nächstgelegenen Wert in Tabelle A3 zu runden.

Es ist zu prüfen, ob sich die Landnutzung seit Erhebung des Katasters wesentlich geändert hat oder eine für die Immissionsprognose wesentliche Änderung zu erwarten ist. Aktuelle Werte können bspw. in /CLC 10/ gefunden werden.

Tabelle A3: Mittlere Rauhigkeitslänge in Abhängigkeit von den Landnutzungsklassen des CORINE-Katasters (aus/TAL 02/ und CLC 10/)

A.4 Hinweise zur Identifizierung der Aufpunkte

Als Aufpunkte werden alle im Rechengebiet befindlichen Wohnbebauungen und Arbeitsstätten betrachtet. Die Basis hierfür bilden aktuelle amtliche Unterlagen. Dies sind insbesondere amtliche Liegenschaftskarten (Flurkarten, Katasterkarten) sowie amtliche topografische Karten (z.B. die deutsche Grundkarte DGK5 oder die digitalen topografischen Karten DTK10). Unterstützt werden kann die Identifizierung von Aufpunkten durch das CORINE-Landcover (vgl. auch Anhang A.3 ).

Ergänzend sollten auch immer aktuelle Luftaufnahmen herangezogen werden, da dadurch einzelne Gebäude und Einrichtungen identifiziert werden können. In absoluten Zweifelsfällen kann auch eine Ortsbesichtigung erforderlich sein.

A.5 Altersabhängige Atemraten

Zur Berechnung der Inhalationsdosis werden die altersabhängigen Atemraten für das Emissionszeitintervall 0-8 Stunden aus /SSK 04/ verwendet.

Tabelle A4: Atemraten (aus: /SSK 04/, Tabelle 3)

A.6 Beispiel einer komplementären kumulativen Wahrscheinlichkeitsverteilung

Abbildung A1 zeigt eine komplementäre kumulative Wahrscheinlichkeitsverteilung der effektiven Dosen einer probabilistischen Ausbreitungsrechnung. Dabei wurden für einhypothetisches Freisetzungsszenario die radiologischen Konsequenzen für einen Einjahreszeitraum in zwei Entfernungen (250 m und 1150 m) jeweils mit niedriger, mittlerer und hoher Partikelanzahl bestimmt. Es ist zu erkennen, dass die Partikelanzahl in der großen Entfernung höheren Einfluss auf den 95 %-Wert hat als in der geringen Entfernung.

Abbildung A1: Beispiel einer komplementären kumulativen Wahrscheinlichkeitsverteilung (Erläuterung im Text)

In diesem Beispiel reicht für die Entfernung 250 m schon eine niedrige Partikelanzahl um ein hinreichend genaues Ergebnis zu erhalten. In 1150 m Entfernung ergibt sich noch ein signifikanter Unterschied zwischen niedriger und mittlerer Partikelanzahl. 1) Die Erhöhung der zeitintegrierten bodennahen Konzentration für die Diffusionskategorien A und F bei Freisetzungszeiten von weniger als einer Stunde um den Faktor 2 trägt dem Umstand Rechnung, dass bei diesen Diffusionskategorien niedrigere Windgeschwindigkeiten häufiger auftreten.

2) Die Vorgehensweise zur Berechnung der Inhalationsdosis für Erwachsene und Kleinkinder orientiert sich an den in /SSK 04/ festgelegten Verfahren. Für die Atemraten sind die in /SSK 04/, Tabelle 3, Anhang 1 ausgewiesenen Werte für den Emissionszeitraum 0 bis 8 Stunden zu verwenden (vgl. auch Anhang A.5 ).

3) Die Forderung nach einer meteorologischen Datenbasis auf der Grundlage eines Beobachtungszeitraums von mindestens fünf Jahren lehnt sich an Abschnitt 4.5.2 der /AVV 12/ an.

ENDE