Mensen - en alle andere organismen op Aarde - profiteren op een directe manier van nucleaire straling zonder het te beseffen. Het is gemakkelijk te vergeten wanneer men zonnebaadt dat het allemaal begint met kernreacties die energie vrijmaken diep in de zon.
Zonlicht is afkomstig van kernreacties, radioactieve stoffen worden gevonden in de bergen en de zee, en tijdens vulkanische activiteit wordt een aanzienlijke hoeveelheid radioactiviteit in de atmosfeer vrijgelaten. Er zijn echter nooit ernstige gevolgen voor mensen waargenomen. (Afbeeldingscredits: Alasdair Turner)
De interne warmte van de Aarde wordt veroorzaakt door straling van natuurlijke radionucliden. Het draagt slechts met ongeveer 0,05 W/m2 bij aan de energiestroom op grondniveau, een klein deel van de gemiddelde zonne-energiestroom van 240 W/m2 die het aardoppervlak bereikt. Deze binnenste warmte houdt echter een deel van de kern van de Aarde vloeibaar, waardoor bewegingen van de continenten (plaattektoniek) mogelijk zijn, die de evolutie van het leven beïnvloeden.
Zonder kernreacties zouden we niet bestaan.
Toen de Aarde werd gevormd, ongeveer 4,5 miljard jaar geleden, was het stralingsniveau ongeveer drie keer zo hoog als het vandaag is. Straling op zich doodt het leven dus niet. Deze interpretatie wordt versterkt door het feit dat het stralingsniveau over de hele wereld aanzienlijk varieert, doorgaans met een factor 10, maar in sommige gebieden met een factor groter dan 100. Zijn mensen die in deze regio's met verhoogde natuurlijke straling leven ongezonder dan de rest van ons, meer vatbaar voor infecties, of hebben ze een kortere levensverwachting? Het antwoord is nee! Dus het niveau van natuurlijke straling kan variëren met een orde van grootte zonder duidelijke gevolgen voor de mens.
Kaart met de niveaus van natuurlijke straling op verschillende locaties over de hele wereld (Afbeeldingscredits: S. M. J. Mortazavi/Health Research Foundation, Kyoto, Japan):
Vertelt het feit dat we niet gevoelig zijn voor zulke grote variaties van de natuurlijke achtergrondstraling ons iets? Laten we even nadenken.
Duurt het lang om te reageren als u een auto op u af ziet rijden? Zeker niet, want zonder uw snelle reactie zou uw leven in gevaar zijn. Uw zicht en de zeer snelle overdracht van de juiste signalen naar uw hersenen zijn van het grootste belang voor uw overleving. Hetzelfde kan worden gezegd over ons gehoor, reuk of smaak (anders zouden we bijvoorbeeld bedorven voedsel kunnen eten en ziek worden).
Wanneer de temperatuur met 20% verandert van 300K (de zogenaamde "kamertemperatuur") worden we blootgesteld aan ofwel vrieskou of buitensporige hitte. Beide bedreigen ons leven, dus moeten we gewaarschuwd worden tegen dergelijke temperatuurveranderingen. Daarom heeft de evolutie de mensheid uitgerust met het vermogen om zeer kleine temperatuurveranderingen waar te nemen, in de orde van ongeveer 2 graden, d.w.z. minder dan 1% van de kamertemperatuur.
Het niveau van natuurlijke straling kan niet met 20% maar met ongeveer 1000% variëren en het beïnvloedt ons leven niet. Waarom zijn we niet uitgerust met een zintuig dat is afgesteld op nucleaire straling? Het feit dat we deze straling niet voelen, niet op de een of andere manier waarnemen, zou de beste aanwijzing kunnen zijn dat nucleaire straling als zodanig onder normale omstandigheden niet schadelijk is. Anderzijds, waarom zou nucleaire straling, slechts een vorm van energie, gevaarlijk blijven in het evolutieproces, terwijl alle andere vormen worden gebruikt bij de ontwikkeling van organismen?
Maar misschien hebben natuurlijke straling en door mensen gemaakte straling een verschillende impact op ons? Misschien als een bepaald niveau (drempel) van straling wordt overschreden, begint straling schade te veroorzaken die door onze organismen niet kan worden verdragen? Het antwoord op de eerste vraag is eenvoudig: straling werkt altijd op dezelfde manier en het resultaat hangt af van het type straling, de dosis en de blootstellingstijd. De effecten hangen ook af van de leeftijd, het geslacht, de algemene gezondheidstoestand enz. De tweede vraag is veel moeilijker te beantwoorden.
Door de kernreacties te bestuderen die van nature om ons heen plaatsvinden, zijn wetenschappers in staat geweest technologie te ontwikkelen die deze processen gebruikt op manieren die ons ten goede komen.
Röntgenstralen zijn de meest gebruikte ioniserende straling in de diagnostiek. Ze werden al binnen een jaar na hun toevallige ontdekking in 1896 door Konrad Roentgen in de geneeskunde gebruikt. Ze worden ingezet als onderzoeksmiddel maar ook in therapie. Röntgenfoto's stellen artsen in staat te zien wat er in het menselijk lichaam gebeurt zonder het te hoeven openen. Bij typische röntgenonderzoeken is de stralingsdosis te laag om enig risico te vormen, maar we moeten voorzichtiger zijn wanneer zwangere vrouwen in het geding zijn omdat het potentiële risico voor de foetus nog steeds wordt besproken.
Nucleaire straling bij hoge doses wordt gebruikt bij de behandeling van kanker. Wereldwijd worden jaarlijks meer dan 5 miljoen dergelijke behandelingen uitgevoerd, waarmee ernstig zieke mensen worden geholpen. Een veelheid van diagnostische procedures, ongeveer 30 miljoen per jaar, worden uitgevoerd met radioactieve stoffen. Als men daar nog zo'n 2 miljard röntgendiagnostische onderzoeken bij optelt, is de omvang van het gebruik van ioniserende straling behoorlijk indrukwekkend.
Bent u er bovendien van op de hoogte dat alle chirurgie die aseptische omstandigheden vereist enorm veel profiteert van sterilisatie door bestraling van de instrumenten? Spuiten, injectienaalden, scalpels... alle chirurgische apparatuur moet volledig steriel zijn zodat de patiënt niet wordt blootgesteld aan gevaarlijke kiemen.
Maar wat dacht u van producten voor dagelijks gebruik? Gebruikt u schoonheidscrèmes? U zou zeker niet graag een crème willen hebben die gevaarlijk is voor uw huid. Het hygiëniseringsproces van dergelijke producten gaat via bestraling van de crème vóór de verpakking en de detailverkoop.Willen we voedsel dat langer houdbaar is of zaden die grotere oogsten opleveren? Bestraling doet het werk. In plaats van chemicaliën elimineert bestraling infectieuze microben (Salmonella bijvoorbeeld), en bovendien verontreinigt het het voedsel niet zoals chemicaliën dat doen.
Gevaarlijke insecten kunnen worden bestreden door een deel van hun populatie te bestralen om ze steriel te maken. Deze insecten kunnen zich mengen met niet-bestraalde insecten maar ze zijn niet in staat zich voort te planten. Dit houdt hun populatieaantallen op beheersbaardere niveaus.Als u melk drinkt, zou u waarschijnlijk moeten weten dat de plastic verpakkingen die voor het verpakken van de melk worden gebruikt waarschijnlijk door gammastralen zijn bestraald (de melk zelf wordt anders behandeld).
Kerncentrales zijn een andere zeer belangrijke toepassing van kernreacties. Traditionele elektriciteitscentrales - die kolen of olie verbranden - produceren veel smog, wat zeer schadelijk is voor het milieu. Ze verbruiken fossiele brandstoffen, die snel opraken en bovendien is hun winning uit de aardkorst schadelijk voor het milieu. Het gebruik van kernenergie kan de hoeveelheid broeikasgassen die in de atmosfeer worden uitgestoten aanzienlijk verminderen, en er is veel minder brandstof nodig om dezelfde hoeveelheid energie te produceren.
In de archeologie wordt nucleaire technologie gebruikt om artefacten te dateren (bijv. door middel van 14C). In de kunst kan men straling gebruiken om te bepalen of objecten echt of vervalst zijn. Straling kan ons ook de chemische samenstelling van een onbekende stof vertellen: straling exciteert atomen in de stof en dwingt ze elektromagnetische straling uit te zenden die typisch is voor een bepaald atoom en daarmee de aanwezigheid ervan aangeeft.
Afbeelding rechts: installatie voor Versneller Massaspectrometrie aan de Universiteit van Oxford.Dit zijn slechts enkele van de praktische toepassingen van kernreacties, zonder de toepassingen in wetenschappelijk onderzoek te vermelden. Zonder twijfel profiteert de mensheid veel van nucleaire straling.
Hoe gunstig nucleaire straling ook kan zijn, we zijn er bang voor, en we hebben goede redenen om dat te zijn. We kennen allemaal de traumatische ervaring van Hiroshima en Nagasaki - de twee Japanse steden die met atoomwapens werden aangevallen. Binnen een extreem korte tijd werden grote delen van steden verwoest en verloren ongeveer 200.000 mensen hun leven. Sommige overlevenden kregen kanker die waarschijnlijk niet zou zijn opgetreden zonder de nucleaire straling die door de bommen werd vrijgelaten. In Hiroshima alleen waren tussen 1950 en 2000 46% van de sterfgevallen door leukemie en 11% van de sterfgevallen door solide tumoren veroorzaakt door de straling van de bommen.
Dat waren natuurlijk gevallen waarin nucleaire technologie opzettelijk als wapen werd gebruikt. Ongelukken kunnen echter soms ook optreden in gecontroleerde, 'veilige' omstandigheden. Het Tsjernobyl-ongeluk in april 1986 en de Fukushima Daiichi-ramp in maart 2011 zijn ontnuchterende voorbeelden.
Explosie bij de kerncentrale Fukushima Daiichi - 12 maart 2011 (Afbeeldingsbron: NTV/Reuters).De gevaren van nucleaire technologie worden vaak in de media afgeschilderd. We lezen, horen of zien vaak angstaanjagende berichten over nucleaire straling. De meesten van ons worden geleerd dat nucleaire straling iets is dat we totaal moeten vermijden, en de angst voor straling wordt versterkt door het feit dat we straling niet zien, voelen, ruiken of horen. Maar hoe gegrond zijn onze angsten echt? Moeten we bang zijn, of wordt het een irrationele fobie? We profiteren op honderden manieren van kernenergie en de veiligheidsrestricties voor nucleaire installaties en kerncentrales zijn zeer streng en goed onderhouden. Ongelukken zijn zeer zeldzaam.
Als we het risico overwegen dat verbonden is aan ioniserende straling, is het zinvol om eerst na te denken over de risico's die ons vertrouwder zijn. Bijna elke activiteit brengt enig risico met zich mee, soms zelfs dodelijk.
De risico's die we nemen hangen ook af van de plaatsen waar we werken. Als u één jaar werkt in de commerciële handel ervaart u 10 microrisico's, in een fabriek - tot 100, in de transportsector - 400, in een steenkolenmijn - 800, en op een olieplatform op open zee - 1800.
Zoals we hebben gezien, is risico een onvermijdelijk onderdeel van onze dagelijkse activiteit. We zijn echter zo gewend aan de meeste risicofactoren dat we ze gewoonlijk niet herinneren of we accepteren het risico eenvoudigweg. Soms zullen veel mensen dingen doen waarvan ze weten dat ze riskant zijn maar ze kiezen ervoor om er niet bij stil te staan. Snelheidslimieten zijn er bijvoorbeeld voor de veiligheid, toch kiezen veel mensen ervoor te hard te rijden ook al weten ze dat het gevaarlijk is.
Het kan dus redelijk zijn ook te overwegen wat we een acceptabel risico kunnen noemen. Dit is per definitie een zeer subjectief begrip, omdat verschillende mensen er anders over zullen denken wat acceptabel is. Hun situaties zullen ook hun mening veranderen. Soms zullen mensen die ver van een kerncentrale wonen het risico accepteren dat verbonden is aan het hebben van zo'n installatie, terwijl degenen die dicht bij de locatie wonen dat misschien niet doen. Mensen die in de centrale werken zullen er heel anders over denken omdat hoe dichter het bij is, hoe gemakkelijker het is om naar het werk te gaan.
We moeten ook bewust zijn van het feit dat voor de brede samenleving de risicoberekeningen op basis van bepaalde statistische factoren nooit volledig overtuigend zijn. Mensen zijn minder geïnteresseerd in de wereldgemiddelde waarden maar in hun lokale veiligheid. En in het geval van nucleaire installaties en een mogelijke terroristische aanslag - geen berekeningen kunnen echt nuttig zijn. Het enige wat we kunnen zeggen is dat, onder normale omstandigheden, de veiligheidsnormen in de nucleaire technologie het nucleaire risico veel kleiner maken dan het risico dat verbonden is aan welke andere technologie dan ook.
Paracelsus, een Duits arts en filosoof die in de 16e eeuw leefde, terwijl hij de effecten van verschillende chemicaliën op de gezondheid bestudeerde, trok de conclusie dat het de dosis is die het gif maakt.
Voor medische procedures, wanneer de straling wordt gebruikt voor diagnostische doeleinden (zoals röntgenfoto's) is de dosis beperkt tot een veilig niveau dat toch een goede beeldvorming van onze organen mogelijk maakt. Bij radiotherapie is het enige doel van de arts echter de kanker te bestrijden en de gebruikte dosis kan zeer hoog zijn, hoewel gericht op de tumor, zodat het geen ernstig gevaar vormt voor de gezonde delen van ons organisme. Complicaties die na een dergelijke behandeling optreden zijn niet zeldzaam maar zijn meestal geneesbaar.
Hier is een tabel met de microrisico's die verbonden zijn aan enkele medische diagnostische procedures:| Medische procedure |
Typische effectieve dosis [mSv] |
Risico [microrisico] |
| Röntgenonderzoek van een ledemaat | 0.01 | <0.5 |
| Tandheelkundige röntgenfoto | 0.01 | <0.05 |
| Thoraxfoto | 0.02/film | 1 |
| Schedelfoto | 0.07 | 3.5 |
| Hoofd-CT-scan | 2 | 100 |
| Borst-CT-scan | 8 | 400 |
| Botscintigrafie met Tc-99m | 4 | 200 |
| Dynamische hartstudies met Tc-99m | 6 | 330 |
Zoals men kan zien, is het relatief hoge risico van een borst-CT-scan niet groter dan het risico van een jaar werken in de transportsector. De toepassingen van deze procedures overtreffen in bijna alle gevallen ruimschoots mogelijke negatieve effecten en bovendien gebruiken artsen ze gewoonlijk alleen als laatste redmiddel.
| Grootheid | Eenheid | Definitie | Opmerkingen |
| Geabsorbeerde dosis (D) | gray (Gy) |
De energie die in het medium wordt geabsorbeerd uit de straling | 1 Gy = 1 J/kg |
| Equivalente dosis (H) | sievert (Sv) | H = Q × D, waarbij D de geabsorbeerde dosis is en Q de Relatieve Biologische Effectiviteit (RBE). | De equivalente dosis kan niet direct worden gemeten. Bijvoorbeeld, RBE is 1 voor gammastraling, 5-10 voor neutronen, en 20 voor alfastraling. |
| Effectieve dosis (E) | sievert (Sv) | Weefselgewogen som van de equivalente doses in alle gespecificeerde weefsels en organen van het lichaam. | Houdt rekening met de gevoeligheid voor straling van verschillende lichaamsweefsels. 1 Sv = 1 J/kg |
| Activiteit | becquerel (Bq) | Aantal desintegraties per seconde | Deze eenheid is onafhankelijk van het type straling of de energie ervan. 1 Bq = 1 s-1 |
Uit studies van overlevenden van Hiroshima en Nagasaki schat men het overmatig risico op het oplopen van kanker op 5% per Sv. Echter, gegeven dat ongeveer 20% van de menselijke sterfgevallen te wijten zijn aan kanker, is ons normale risico op het oplopen van dodelijke kanker al 200.000 microrisico's. Dit betekent dat in een populatie van 10.000 mensen die zijn bestraald met een dosis van 1 Sv, 500 gevallen van kanker zullen verschijnen naast 2000 kankers om andere redenen.
Populaties die van nature in hoge stralingsgebieden leven worden bestudeerd om de effecten van kleine doses te evalueren. Eén hypothese is dat de negatieve gezondheidseffecten van straling lineair afhankelijk zijn van de dosis, zelfs bij de laagste doses. Dit staat bekend als de Lineaire Geen-Drempel Hypothese (LNT). Het grote voordeel is de eenvoud en het gemak van het berekenen van verwachte effecten. Na het Tsjernobyl-ongeluk was de LNT-schatting van het aantal extra kankers in de VS als gevolg van de nucleaire neerslag van Tsjernobyl echter volledig onjuist en in de VS zijn nooit extra kankers als gevolg van dat incident verschenen. Daarom is in het lage-dosisgebied ofwel de risicofactor van 5% per Sv sterk overschat of, in het algemeen, moet de LNT-hypothese worden verworpen.Als u bijvoorbeeld tegelijkertijd 100 paracetamoltabletten inslikt, zou dit waarschijnlijk in de dood resulteren. Dan is, volgens de LNT-hypothese, de risicofactor verbonden aan elke tablet 0,01. Betekent dit dat als 100 mensen slechts één paracetamol nemen, één van hen zal sterven? Dit is onwaarschijnlijk, wat suggereert dat de relatie in dit geval niet-lineair is.
De effect-dosis-relatie is ook zeer waarschijnlijk niet-lineair.De effecten van straling worden vaak beschreven als stochastische of deterministische effecten. Een betere indeling zou vroege en late effecten zijn, maar dat is niet de conventionele terminologie.
Deterministische effecten zijn eenvoudig te evalueren: wanneer de stralingsdosis een bepaalde drempelwaarde overschrijdt, verschijnt een ongewenst effect (huidverbrandingen of necrose, bijvoorbeeld). Ze impliceren hoge doses en zijn vrij zeldzaam. Stochastische effecten zijn een gevolg van een puur statistische "treffer" van een levende cel door een ioniserende deeltje (alfa, bèta of gamma) en de vorming van gevaarlijke chemische ionen bekend als vrije radicalen. Deze radicalen vallen DNA aan en als gevolg hiervan kan de cel beginnen te delen en te vermenigvuldigen op een onjuiste manier. Met andere woorden de cel kan muteren en een kankercel worden. Volgens dit redeneren heeft zelfs een kleine stralingsdosis een kans om rampzalig te zijn. En als de effecten statistisch zijn, kunnen ze lineair toenemen met de dosis.
| Deterministische vs. stochastische modellen | |
| In deterministische modellen | wordt de output van het model volledig bepaald door de parameterwaarden en de beginvoorwaarden. |
| Stochastische modellen | bezitten enige inherente willekeurigheid. Dezelfde set parameterwaarden en beginvoorwaarden zal leiden tot een ensemble van verschillende outputs. |
Echter, ongeveer 15.000 deeltjes passeren ons lichaam elke seconde. Tijdens een medische röntgenfoto alleen al worden we blootgesteld aan 1011 gammastralen. Dan, gebaseerd op de LNT-hypothese, moet de kans op kwaadaardige mutatie zeer, zeer klein zijn op ongeveer 1 deeltje op 30.000.000.000.000.000 (30 biljard). In 70 jaar leven kan de resulterende kans op het krijgen van kanker door deze straling worden geschat op slechts 1 op 900.
Ons immuunsysteem beschermt ons efficiënt tegen talrijke ziekten, en door bepaalde medicatie te nemen (vaccins bijvoorbeeld) weten we dat het geactiveerd kan worden en klaar kan zijn om de vijand te bestrijden zodra hij in ons lichaam verschijnt. Bij muizen die werden bestraald met een relatief kleine dosis tot 200 mSv, nam het niveau van antilichamen aanzienlijk toe en daalde pas na zeer grote doses. In feite vertoonden muizen die werden bestraald met de dosis van 0,5 - 1 Sv een kleiner aantal kankers dan de niet-bestraalde muizenpopulatie. Lage-dosisbestraling wordt vaak gebruikt voor de behandeling van kanker en hoge stralingsdoses die worden gebruikt bij kankertherapie worden beter verdragen als eerder lage, beschermende doses worden toegediend.
Ongeveer één miljoen mutaties treden elke dag van nature op in elke cel! Ongeveer een tiende ervan veroorzaakt schade aan dubbelstrengs DNA. Om te overleven heeft ons lichaam een natuurlijk reparatiesysteem. Als de schade echter zeer snel en op grote schaal plaatsvindt, is het misschien niet mogelijk deze snel of grondig genoeg te repareren. Dit is waarom de effecten van ioniserende straling niet alleen afhangen van de dosis, maar ook van de dosissnelheid, wat een niet-lineaire respons suggereert.
Ondanks het lang bestuderen van de effecten van straling, beschikken we nog steeds niet over een betrouwbaar risicomodel. Op dit moment gebruiken veel risicomodellen een aantal parameters die worden afgestemd op experimenten, maar waarvan de statistische kracht niet groot is. Daarom moeten we ook vertrouwen op het gezond verstand, dat voortkomt uit observatie en niet uit onbetrouwbare speculaties.
Dit was de reactie van mensen die men kon verwachten beter geïnformeerd, kritisch en vaak wetenschappelijke expertise te hebben. Dus wat kunnen we verwachten in het geval van iedereen anders wiens mening voornamelijk wordt gevormd door massamedia en de meeste media gewoonlijk echte risico's overdrijven. Dit is waarom mensen die vaak bezwaar maken tegen kerncentrales vanwege veiligheidsproblemen het risico van het gebruik van röntgenstralen lager zullen inschatten dan het werkelijk is.
Dit betekent dat in een populatie van één miljoen mensen die worden bestraald met een dosis van 1 Sv 50.000 extra sterfgevallen worden verwacht. Als de dosis wordt teruggebracht tot 1 mSv, wordt het aantal sterfgevallen teruggebracht tot 50, gelijkwaardig aan 50 microrisico's. We moeten benadrukken dat de consistentie van ons redeneren een onmiddellijke toediening van de dosis vereist, omdat de basis van LNT de effecten zijn van atoomexplosies in Japan, die plaatsvonden in ongeveer 10-8 seconde.
Ondertussen veroorzaakt de jaarlijkse overdosis van 1 mSv werkelijke economische kosten. De schatting van Cohen van de kosten van een hypothetisch gered leven door zo'n laag dosisniveau vertaalt zich in een jaarlijkse kostprijs van 2,5 miljard dollar voor de Amerikaanse belastingbetaler. Dit zou aanzienlijk worden verminderd als de stralingsdosislimiet met een factor 10 zou worden verhoogd, consistent met het typische wereldwijde bereik van het natuurlijke stralingsniveau.
We zijn de hele tijd blootgesteld aan natuurlijke nucleaire straling, terwijl de mensheid kunstmatig straling produceert met enorme voordelen maar ook met enige risico's. De voordelen omvatten kernenergie, toepassingen in sterilisatie en medische procedures die helpen miljoenen mensen te redden.
Het is te hopen dat de regeringen en de publieke opinie over nucleaire technologie zich zullen ontwikkelen, omdat alternatieve energie een zeer dringende kwestie is en kernenergie aantoonbaar de veiligste, schoonste en meest efficiënte manier is om grote hoeveelheden elektriciteit op te wekken. Als beslissingen worden genomen op puur wetenschappelijke gronden, zonder de invloed van politieke of economische factoren, is er een kans dat in de toekomst nucleaire straling op gelijke voet zal worden behandeld met andere risico's. Hoe groter de risico's, hoe meer we bang zijn. Maar hoe meer we bang zijn, hoe meer inspanningen moeten worden gedaan om te begrijpen waar we bang voor zijn en of onze angsten gegrond zijn.