CN107586079A - 低活化混凝土组合物及其用途 - Google Patents

低活化混凝土组合物及其用途 Download PDF

Info

Publication number
CN107586079A
CN107586079A CN201710548765.2A CN201710548765A CN107586079A CN 107586079 A CN107586079 A CN 107586079A CN 201710548765 A CN201710548765 A CN 201710548765A CN 107586079 A CN107586079 A CN 107586079A
Authority
CN
China
Prior art keywords
weight
concrete
low activation
less
low
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710548765.2A
Other languages
English (en)
Inventor
F·斯蒂切博特
J·皮拉德
L·库柏斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ion Beam Applications SA
Original Assignee
Ion Beam Applications SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ion Beam Applications SA filed Critical Ion Beam Applications SA
Publication of CN107586079A publication Critical patent/CN107586079A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00—Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/02—Granular materials, e.g. microballoons
    • C04B14/26—Carbonates
    • C04B14/28—Carbonates of calcium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • C04B28/06—Aluminous cements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B7/00—Hydraulic cements
    • C04B7/02—Portland cement
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B7/00—Hydraulic cements
    • C04B7/32—Aluminous cements
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/04—Concretes; Other hydraulic hardening materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
    • C04B2111/00215—Mortar or concrete mixtures defined by their oxide composition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00241—Physical properties of the materials not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00258—Electromagnetic wave absorbing or shielding materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00612—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as one or more layers of a layered structure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00862—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for nuclear applications, e.g. ray-absorbing concrete
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/80—Optical properties, e.g. transparency or reflexibility
    • C04B2111/802—White cement

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Abstract

本发明涉及低活化混凝土组合物及其用途。具体地，本发明涉及包含高纯度石灰石骨料和白水泥或高纯度石灰石骨料和铝酸盐水泥的低活化混凝土。与本领域已知的标准混凝土组合物和用于低活化混凝土的组合物相比，该低活化混凝土降低了铕、钴和铯的含量以及元素例如铝、钠和镁的含量。还提供了该低活化混凝土用于形成粒子加速器主厅的内壁的用途。

Description

低活化混凝土组合物及其用途
技术领域
本发明涉及混凝土组合物，更具体地涉及所谓的低活化混凝土组合物。
本发明还涉及低活化混凝土在辐射防护结构中的用途，优选用于粒子加速器。
背景技术
用于辐射防护结构的混凝土基本上包含三种组分：水泥、固体骨料和水。此外，高效减水剂是当今混凝土的常见(第四)组分。
铕(Eu)、钴(Co)和铯(Cs)是在标准混凝土中使用的骨料和水泥中天然存在的元素，且浓度范围为1ppm至几十ppm(Suzuki，A等人，Journal of Nuclear Science andTechnology 38(7)(2001)，第542-550页)。
例如核电站的生物屏蔽中的混凝土受到每秒每cm2超过大约3×104个中子的次级热中子通量。因此，151Eu(n,γ)、153Eu(n,γ)、59Co(n,γ)和133Cs(n,γ)反应在生物屏蔽的混凝土中诱发了突出的长寿命残余放射性同位素，即分别为152Eu、154Eu、60Co和134Cs。在核电站退役时，就普通混凝土中诱发的清洁解控水平值而言，这四种放射性同位素占总残余放射性的99％至100％。因此，在核电站的寿命终结(EOL)时，混凝土的剩余的活化部分需要与非活化部分分离。超过(由国际原子能机构(IAEA)对核废料定义的)清洁解控水平的活化混凝土被归类为低水平放射性废物(LLW)，且需要储存在特定区域中，以允许在实际清洁解控之前活性随时间的降低。
在本说明书的上下文中，术语“清洁解控”(或清洁解控水平，CL)是指对于将材料处理为非放射性废物所允许的放射性类别。
与由混凝土制成的辐射防护结构有关的待处理的主要问题是其中诱发的混凝土活化，由此产生的低水平放射性废物(LLW)，以及在拆除结构时在这种LLW的处理中涉及的成本。
在本领域中，已经努力开发低活化混凝土组合物。
在本说明书的上下文中，“低活化混凝土”(LAC)是指将辐射屏蔽功能与减少残余辐射的功能结合的混凝土。
更特别地，各种低活化混凝土组合物在本领域已经被提出并且在与原子能(例如核电站)和粒子加速器(例如回旋加速器，同步加速器)相关联的装置中使用，以便减少混凝土屏蔽中所诱发的放射性，并且因此减少LLW的量。
例如，在JP2008157801中，在混凝土中混合含硼化合物以制备屏蔽中子的低活化混凝土。这种低活化混凝土可以例如用于回旋加速器的辐照室的地板表面。同样在JP2006038467和JP2001305278中，在混凝土中使用硼来吸收热中子。
在JP2004256376中，通过使用通用波特兰水泥而不使用特定水泥例如白水泥，以低成本制备低活化混凝土。制备的低活化混凝土包含波特兰水泥、含有量少于或等于20质量％的MgO的石灰石细骨料、和石灰石粗骨料。描述的是，具有这样的构成的低活化混凝土即使在用辐射例如中子进行辐照时也几乎不被活化，并且其适合用于屏蔽辐射的应用中。
JP2008013426提供了一种降低残余放射性并具有辐射屏蔽能力的低活化水泥。100份的水泥含有40-55份CaO、16-40份Al2O3、10-34份SiO2、小于0.3mg/kg(0.3ppm)的Eu和小于15mg/kg(15ppm)的Co。
JP2008239362描述了含有基于混凝土总量的总含量小于或等于30mg/kg(30ppm)的Co、Eu和Cs的低活化混凝土。
EP2128872公开了低活化水硬性凝结组合物和包含所述组合物的低活化水泥。该低活化水硬性组合物包含具有25至55份CaO、16至45份Al2O3、23至40份SiO2、0至1份MgO和0至4份ZrO2的化学组成的硅铝酸钙(CaAl2Si2O8)，其中Eu含量小于0.3mg/kg且Co含量小于15mg/kg。
JP2007269516描述了低活化混凝土，其中掺入作为细骨料的白色熔融氧化铝，作为粗骨料的石灰石和作为混合物的粉煤灰。据报道，由高温气氛引起的活化和随时间的劣化被抑制，从而具有优异的除热性质、屏蔽性质和可加工性。
Kinno，M.等人在Journal of Nuclear Science and Technology 39(12)(2002)第1275-1280页中确定了几种低活化原料，例如白色波特兰水泥和高铝水泥作为低活化水泥，和石灰石、石英岩、硬硼钙石、氧化铝陶瓷作为低活化骨料，用于制造低活化混凝土。据报道，由这样的低活化原料复合的低活化混凝土用于核电站中的中子屏蔽。
Kinno，M等人在Progress in Nuclear Science and Technology 1(2011)第28-31页还公开了由低活化原料制成的低活化混凝土，所述低活化原料例如纯橄榄岩、蛇纹石、石灰石、硬硼钙石、重晶石、高纯度石灰石、石英岩、硅砂、熔融氧化铝、B4C砂作为合适的低活化骨料；普通波特兰、中热波特兰、低热波特兰、白水泥、低活化低热水泥、高铝水泥作为合适的低活化水泥；以及粉煤灰、高炉渣、低活化石灰石粉、低活化硅灰、低活化硅铝酸钙(CAS)添加剂、B4C粉末作为合适的添加剂。轻水反应堆的低活化多层屏蔽结构已经使用由这种低活化原料组成的各种低活化混凝土设计。
Suzuki，A等人在Journal of Nuclear Science and Technology 38(7)(2001)第542-550页中讨论了由作为骨料的石灰石和白色波特兰水泥形成的低活化混凝土。发现这种低活化混凝土中152Eu、60Co和134Cs的浓度分别为0.049、0.16和0.060ppm。据报道，该石灰石混凝土作为生物屏蔽混凝土是优异的。
然而，尽管本领域已知的低活化混凝土的组合物旨在降低混凝土屏蔽中的诱发放射性，但主要缺点是它们仍然产生相对高量的LLW。因此，相应的废物处理的相关成本仍然相对高。
发明内容
尽管在本领域已经做出了努力，但需要提供低活化混凝土的替代和改进的组合物，其允许在用于辐射防护结构时(进一步)降低所诱发的放射性。需要提供这样的低活化混凝土，其允许较少的LLW量的产生，而不会损害混凝土的品质。在拆除结构时，还需要降低处理LLW所涉及的成本。
因此，本发明的各方面设想提供低活化混凝土的替代和改进的组合物，其克服了现有技术组合物的缺点。
更特别地，设想提供低活化混凝土组合物，当与本领域已知的标准混凝土组合物和用于低活化混凝土的组合物相比时，其进一步减少混凝土中所诱发的活化。
因此，根据本发明的各个方面，提供了如所附权利要求中所阐述的低活化混凝土。
根据本发明的另一方面，提供了如所附权利要求中所阐述的本发明的低活化混凝土的用途。
在从属权利要求中阐述了本发明的有利方面。
附图简要说明
将参考附图更详细地描述本发明的各方面。
图1示出了使用蒙特卡罗模拟的清洁解控指数(a)沿着使用标准混凝土的C70主厅的北壁和(b)在该北壁内的演变(图1(b)为对数刻度)。
图2描绘了作为标准混凝土和LAC型S1混凝土的深度的函数的C70主厅的北壁中的清洁解控指数(对数刻度)的演变。还显示了10或20年的额外冷却时间的影响。
图3描绘了(a)沿使用标准混凝土和LAC型EI混凝土的S2C2主厅的西壁和(b)在该西壁内的清洁解控指数演变(对数刻度)。
图4描绘了在使用标准混凝土和低活化混凝土类型EI的C230主厅的(a)南壁，(b)西壁，(c)东壁和(d)北壁中获得的清洁解控指数。
图5示出了使用蒙特卡罗模拟的清洁解控指数(a)沿着使用标准混凝土的C18p主厅的东壁和(b)在该东壁内的演变(图5(b)为对数刻度)。
图6描绘了使用标准混凝土和低活化混凝土类型EI和S1的C18p主厅的东壁内的清洁解控指数(对数刻度)的对比：(a)在设施刚关闭之后；(b)在额外5年的冷却时间之后。
根据本发明的一个方面，提供了低活化混凝土(LAC)，其包含作为骨料的高纯度石灰石和白水泥或高铝水泥。
在本说明书的上下文中，高纯度石灰石是指含有高于(约)97重量％的碳酸钙(CaCO3，通常为方解石)的碳酸盐岩石。更特别地，高纯度石灰石是指含有在(约)97.0重量％和(约)98.5重量％之间的碳酸钙，或在(约)54.3重量％和(约)55.2重量％之间的氧化钙(CaO)的碳酸盐岩石。
优选地，在本发明的低活化混凝土中使用的高纯度石灰石包含在(约)54.3重量％和(约)55.2重量％之间的氧化钙(CaO)，在(约)0.8重量％和(约)1.0重量％之间的氧化镁(MgO)，在(约)0.2重量％和(约)0.6重量％之间的二氧化硅(SiO2)，在(约)0.05重量％和(约)0.1重量％之间的氧化铁(Fe2O3)，小于(约)0.3重量％的氧化铝(Al2O3)和小于(约)0.1重量％的氧化钠(Na2O)。
使用本领域技术人员已知的X射线荧光分析来确定高纯度石灰石的化学组成。
有利地，低活化混凝土包含在(约)75重量％和(约)95重量％之间的高纯度石灰石骨料。
更有利地，低活化混凝土包含在(约)75重量％和(约)85重量％之间的高纯度石灰石骨料。
在本发明中，使用白水泥或高铝水泥代替灰水泥来制备低活化混凝土。有利地，使用白水泥。
有利地，用于制备本发明的LAC的白水泥包含(约)60重量％至(约)68重量％的CaO，(约)15重量％至(约)22重量％的SiO2，(约)2重量％至(约)6重量％的Al2O3，(约)0.1重量％至(约)0.18重量％的Na2O和(约)1重量％至(约3)重量％MgO。
更有利地，用于制备本发明的LAC的白水泥包含(约)63重量％至(约)66重量％的CaO，(约)19重量％至(约)21.5重量％的SiO2，(约)3重量％至(约)5重量％的Al2O3，(约)0.14重量％至(约)0.17重量％的Na2O和(约)1.5重量％至(约)2.5重量％的MgO。
根据标准EN 196-2测量用于制备本发明的LAC的白水泥的化学含量。
在本说明书的上下文中，铝酸盐水泥是指高铝水泥或铝酸钙水泥。
优选地，用于本发明的低活化混凝土中的铝酸盐水泥包含高于(约)50.0重量％的氧化铝(Al2O3)的量；更优选高于(约)68.5重量％的氧化铝的量。
更优选地，铝酸盐水泥包含大于(约)50.0重量％的Al2O3，小于(约)40.0重量％的CaO，小于(约)6.0％的SiO2和小于(约)2.8重量％的Fe2O3；甚至更优选的是，该铝酸盐水泥包含大于(约)68.5重量％的Al2O3，小于(约)30.5重量％的CaO，小于(约)0.7重量％的SiO2和小于(约)0.3重量％的Fe2O3。
根据标准EN 196-2测量用于制备本发明的LAC的铝酸盐水泥的化学含量。
在根据本发明的低活化混凝土组合物中，与标准混凝土组合物相比，铕、钴和铯的浓度降低，从而(进一步)减少(或甚至消除)核废料的产生。
更特别地，在根据本发明的低活化混凝土组合物中，与本领域已知的低活化混凝土的组合物相比，铕的浓度降低至预料不到的程度。
本发明的低活化混凝土组合物允许(进一步)最小化Eu、Co和Cs浓度，同时保持与本领域已知的标准屏蔽混凝土或低活化屏蔽混凝土相同的物理性质。换句话说，本发明的低活化混凝土的辐射屏蔽功能被保持并结合有减少残余辐射的功能。
本发明的低活化混凝土包含三种组分(或由其组成)，更特别地为水泥、固体骨料和水。
有利地，本发明的低活化混凝土包含高纯度石灰石骨料和铝酸盐水泥。
有利地，在本发明的包含高纯度石灰石骨料和铝酸盐水泥的低活化混凝土中，Eu含量小于0.01ppm，Co含量小于0.26ppm，且Cs含量小于0.03ppm。
更有利地，在本发明的包含高纯度石灰石骨料和铝酸盐水泥的低活化混凝土中，Eu含量小于0.009ppm，Co含量小于0.15ppm，且Cs含量小于0.03ppm。
作为替代且更有利地，本发明的低活化混凝土包含高纯度石灰石骨料和白水泥。
有利地，在本发明的包含高纯度石灰石骨料和白水泥的低活化混凝土中，Eu含量小于0.04ppm，Co含量小于0.80ppm，且Cs含量小于0.1ppm。
更有利地，在本发明的包含高纯度石灰石骨料和白水泥的低活化混凝土中，Eu含量小于0.025ppm，Co含量小于0.25ppm，且Cs含量小于0.07ppm。
当与标准混凝土相比时，本发明的LAC将Eu的含量降低(约)34至(约)230倍，将Co含量降低(约)106至(约)152倍，并且将Cs含量降低(约)34至(约)108倍。
因此，与标准混凝土相比，本发明的包含高纯度石灰石骨料和白水泥或铝酸盐水泥的低活化混凝土降低了由低能中子诱发的混凝土的活化，由此产生较少量的LLW。因此，需要较少的特定储存区域，并且在拆除结构时减少了处理废物的成本(退役成本)。
更具体地，在根据本发明的低活化混凝土的组合物中，与本领域已知的低活化混凝土的组合物相比，铕的浓度降低到预料不到的程度。
此外，发现当与本领域已知的标准混凝土组合物和用于低活化混凝土的组合物相比时并且还当与本发明的包含高纯度石灰石骨料和铝酸盐水泥的LAC相比时，本发明的包含高纯度石灰石骨料和白水泥的低活化混凝土提供了贫铝(Al)、钠(Na)和镁(Mg)的额外优点(次于减少Eu、Co和Cs的浓度)。
相对于本领域已经开发的用于核电站的低活化混凝土，这是本发明的独特优点。
当与本领域已知的标准混凝土组合物和用于低活化混凝土的组合物相比时，本发明的包含高纯度石灰石骨料和白水泥的低活化混凝土降低了Al、Na和Si的含量。
Al、Na和Si(以及Mg)是导致采用高能中子产生22Na的元素。
因此，本发明的包含高纯度石灰石骨料和白水泥的低活化混凝土不仅降低了由低能中子诱发的混凝土的活化，而且还降低了其由高能中子所致的活化，由此当与本领域已知的标准混凝土组合物、用于低活化混凝土的组合物和本发明的包含高纯度石灰石骨料和铝酸盐水泥的LAC相比时，在辐射防护结构例如中等和高能量加速器中使用混凝土时(进一步)降低总体诱发的放射性。
在核电站中，所涉及的中子仅具有低于(约)15MeV的能量。因此，不会考虑产生22Na，并且不会产生由于混凝土的这种特别活化而导致的LLW的量。
相反，在医疗应用中作为诊断工具或在治疗中(例如在许多癌症的治疗中)使用的粒子加速器是基于使用具有各种束能量的质子束，其范围从几MeV直到甚至(约)230MeV。
实际上，具有范围在(约)10MeV和(约)70MeV之间的能量以产生同位素的回旋加速器例如用于癌症诊断，而产生(约)230MeV质子束的回旋加速器用于质子治疗(PT)。
质子束沿着它们的路径与物质相互作用，由此产生重要的次级中子通量，其能量的范围因而从热能直到最大质子能量。这些次级中子又将与围绕回旋加速器的生物屏蔽相互作用，并且可导致在屏蔽混凝土中产生额外的长寿命同位素。
考虑到所涉及的质子束的能量，两种中子诱发机制实际上导致这些加速器的辐射防护结构(生物屏蔽)的混凝土活化。
因此，第一种类型的中子诱发机制是上面已经提及的在加速器的辐射防护结构的混凝土中存在的稀有元素(例如铕、钴和/或铯)上的低能中子或热中子的捕获，导致在混凝土中产生长寿命的同位素，例如152Eu(具有的半衰期T1/2为13.33年)。
本领域的低活化混凝土的发展主要集中在仅涉及产生这些次级、热(低能)中子通量的核电站中用于生物屏蔽的混凝土组合物。因此，在本领域中，仅考虑了用于混凝土活化的第一种类型的中子诱发机制。
然而，在许多粒子加速器中，第二种类型的中子诱发机制也导致混凝土活化的重要部分(次于通过低能中子的第一种类型的中子诱发机制)。
第二种类型的中子诱发机制是由高能中子(即由具有大于(约)20MeV的能量的中子)在通常还存在于加速器的辐射防护结构的混凝土中的元素钠、铝、镁和/或硅上诱发的核反应。在加速器的屏蔽中这些在混凝土元素Na、Al、Mg、Si即23Na(n,x)、27Al(n,x)、24Mg(n,x),和/或28Si(n,x)上的散裂反应产生了核素，例如22Na(具有的半衰期T1/2为2.6年)。
因此，在加速器设施的寿命期间所有产生的放射性核素的总积累导致总体的混凝土活化。在设施的寿命终结时，活化混凝土部分(即通过捕获低能中子和高能中子两者而活化的那些)因此需要与非活化部分分离。
根据本发明，发现对于基于回旋加速器的系统，有利的是仔细选择用于形成低活化屏蔽混凝土的组分(更特别是骨料和水泥)以减少或甚至完全消除导致通过中子捕获产生长寿命同位素的元素，即Eu、Co和Cs。此外，另外仔细选择贫Na、Mg和Al(和/或甚至Si)的骨料和水泥还减少了22Na的产生。
根据本发明的另一方面，提供了根据本发明的低活化混凝土的用途，用于形成(或浇注)粒子加速器主厅的一个或多个内壁(或一个或多个壁的内部)。
更具体地，提供了根据本发明的低活化混凝土用途，用于形成围绕回旋加速器(或粒子加速器或任何基于回旋加速器的设施)的周边的低活化混凝土层。
有利地，根据本发明的低活化混凝土用于包含物理分隔的多层壁。
更有利地，根据本发明的低活化混凝土用于双层壁，其中壁的内层(或内部)包含低活化混凝土(或由其制成)且壁的其余部分包含标准混凝土(或由其制成)。
在本说明书的上下文中，“标准混凝土”(SC)是指可用于辐射防护结构中的混凝土，但是不具有降低混凝土中残余辐射的功能。
甚至更有利的是，壁的(两个)层之间的物理分隔包含塑料片(或由其组成)。
与使用标准混凝土相比，通过根据本发明的低活化混凝土替代壁的内层(或内部)中的标准混凝土，以惊人的方式减少了在任何基于回旋加速器的设施内产生的LLW的量。
通过以下实施例进一步说明本发明。
实施例
实施例1：对基本混凝土组分的中子活化分析
来自不同提供者，即来自Lhoist、Sibelco、CBR、Holcim和Kerneos的骨料、砂和水泥的不同样品使用来自比利时的SCK-CEN的BR1核反应堆来进行中子活化分析(NAA)。
在辐照两个月后使用高纯度锗光谱仪测量基本混凝土组分中的Eu、Co和Cs浓度。结果呈现于表1中。
表1：基本混凝土组分中Eu、Co和Cs浓度的NAA测量。
来自表1的所有辐照的石灰石骨料(实际上为所有高纯度石灰石)都表现出极低的Eu、Co和Cs含量，几乎全部低于0.1ppm或甚至更低。这表明高纯度石灰石岩石是用于LAC的理想骨料。
来自CBR的白水泥也含有低水平的杂质，且平均Eu浓度为0.25ppm。这可以直接与含有1.2和1.7ppm之间的Eu的Holcim的灰水泥进行比较。
来自Kerneos的铝酸盐水泥SECAR 71还表现出非常低水平的杂质，比来自同一提供者的SECAR 51铝酸盐水泥低得多。
实施例2：低活化混凝土的组合物
基于来自表1的结果，配制混凝土组合物，使Eu、Co和Cs浓度最小化，同时保持与标准屏蔽混凝土相同的物理性质。
第一种类型的混凝土LAC EI由1914kg高纯度石灰石骨料与来自CBR的260kg白水泥组合而制成。因此，LAC E1型样品包含(约)88重量％的高纯度石灰石骨料。制备了使用两种不同类型的白水泥(即白水泥CEM I 42.5N或白水泥CEM II/A-LL 42.5N)的两个灌注EI型LAC样品。
第二种类型的混凝土LAC S1由1815kg高纯度石灰石骨料与来自Kerneos的400kgSecar 71铝酸盐水泥组合而制成。因此，LAC S1型样品包含(约)82重量％的高纯度石灰石骨料。制备了一个灌注S1型LAC样品。
使用表1中获得的测量值计算两种类型的低活化混凝土中的Eu、Cs和Co的预期浓度，并且在表2中作为“来自组分”呈现。
鉴于从高纯度石灰石骨料预期的极低的Eu浓度(0.001ppm，参见表1)，明显的是，LAC中的大部分剩余的Eu来自所选择的水泥。
另外，制备由来自Holcim的灰水泥和普通骨料制成的灌注标准混凝土样品。
然后将所有样品在来自比利时的SCK-CEN的BR1核反应堆中辐照。辐照两个月后，使用高纯度锗光谱仪测量混凝土样品中的Eu、Co和Cs浓度。所得的Eu、Co和Cs浓度在表2中呈现为“测量的”。
表2：与本发明的低活化混凝土样品相比，标准混凝土中Eu、Co和Cs的浓度。
对于标准混凝土，Eu、Co和Cs的浓度范围为1ppm至几十ppm，如由Suzuki等人获得的全球平均值(参见Suzuki，A等人，Journal of Nuclear Science and Technology 38(7)(2001)，第542-550页)。
对于LAC EI型，测量值通常优于预期值，其中Eu浓度的显著值为0.023ppm，且Co和Cs浓度远低于1ppm。
对于LAC S1型，Eu的测量的浓度为预期的(约)2倍大，但是保持极好且值为0.0081ppm。Co和Cs浓度也非常好，分别为0.25ppm和0.013ppm。
因此，当将两种类型的低活化混凝土中的Eu的预期浓度与标准混凝土的世界平均值进行比较时，混凝土能够将Eu的含量降低(约)34至(约)230倍。Co和Cs的浓度也强烈地降低，即分别降低(约)106至(约)152倍和(约)34至(约)108倍。
更特别地，将本发明的LAC的测量值与标准混凝土的世界平均值进行比较，当与使用标准混凝土相比时，使用LAC将Eu的含量降低(约)47至(约)133倍。Co和Cs的浓度也降低，即分别降低(约)29至(约)110倍和(约)52至(约)247倍。
从单个组分的测量获得的值和从实际的混凝土样品的测量获得的值之间的良好一致性证实了在混合混凝土中不存在任何额外的Eu、Co和Cs源。
此外，本发明的包含高纯度石灰石骨料和白水泥(因此是LAC EI型)的低活化混凝土提供了贫铝(Al)、钠(Na)和镁(Mg)的额外优点(次于降低Eu、Co和Cs的浓度)。
用于本发明的高纯度石灰石含有在(约)97.0重量％和(约)98.5重量％之间的碳酸钙(CaCO3)，或在(约)54.3重量％和(约)55.2重量％之间的氧化钙(CaO)。
优选地，在本发明的低活化混凝土中使用的高纯度石灰石包含在(约)54.3重量％和(约)55.2重量％之间的氧化钙(CaO)，在(约)0.8重量％和(约)1.0重量％之间的氧化镁(MgO)，小于(约)0.3重量％的氧化铝(Al2O3)和小于(约)0.1重量％的氧化钠(Na2O)。
因此，本发明中使用的高纯度石灰石具有的Al、Na和Mg对其总含量的贡献可忽略不计。
用于制备标准混凝土的灰水泥含有40重量％至52重量％的CaO，26重量％至31重量％的SiO2，7.5重量％至9重量％的Al2O3，0.25重量％至0.3重量％的Na2O，和5重量％至6.5重量％的MgO。
在本发明的低活化混凝土中使用的白水泥优选包含60重量％至68重量％的CaO，15重量％至22重量％的SiO2，2重量％至6重量％的Al2O3，0.1重量％至0.18重量％的Na2O和1重量％至3重量％的MgO；更优选包含63重量％至66重量％的CaO，19重量％至21.5重量％的SiO2，3重量％至5重量％的Al2O3，0.14重量％至0.17重量％的Na2O和1.5重量％至2.5重量％的MgO。
当与标准的波特兰混凝土相比时，本发明的由高纯度石灰石骨料和白水泥制成的低活化混凝土降低了Al、Na和Si的含量(次于降低Eu、Co和Cs的浓度)(参见实施例3的原子组成部分的表5)。
实施例3：低活化混凝土的性质
物理性质
制备了不同的低活化混凝土样品，并根据NBN标准(来自比利时的“标准化局”(NBN))测量其物理性质。
样品的混凝土配制剂在表3中给出。
表3：混凝土配制剂。
参比样品1是基于Rhine砂、普通粉碎石灰石和灰水泥的标准混凝土样品。
样品2至4号的混凝土组分中的Eu、Co和Cs浓度在实施例1的表1中给出。
对于1至3号配制剂，基于灰水泥(CEM III/A)或白水泥(CEM I 42.5N，或CEM II/A-LL 42.5N)，根据对应于环境等级EI即用于增强混凝土的标准NBN EN 206和NBN B15-001的要求来确定水泥和水剂量：
-每m3混凝土的最低水泥含量为260kg；和
-有效的水与水泥重量比(W/C)最大为0.65(取为0.60以限制混凝土分离的风险)。
对于基于高铝水泥的配制剂4，水泥和水剂量是基于以下因素来确定的：
-每m3混凝土的最低水泥剂量为400kg；
-有效的水与水泥重量比(W/C)最大为0.40。
对于每种配制剂：
-组合不同分数的砂和骨料，以便获得在由标准NBN EN 480-1推荐的范围内获得连续的粒度曲线。然而，“石灰石BE1111.403.8分数0/4”含有非常高量的粉，即含有超过25％的小于63μm尺寸的细骨料，使得难以获得所需的曲线。因此，将“石灰石BE1111.103.8分数0/4”的小于63μm尺寸的部分作为填料，并且因此不作为粒度骨架的一部分；
-通过考虑骨料的吸水率来调整总水量，其对于纯石灰石(浸渍24小时后最高达5.5重量％)比对于普通石灰石(最大0.1重量％)高得多；
-调整混合物(基于聚羧酸酯醚的高效减水剂)剂量，以获得预拌混凝土的常规稠度，即在标准NBN EN 206和NBN B15-001意义下的稠度等级S4。
在本说明书的上下文中，术语“混凝土混合物的总水量”是指由砂和骨料吸收的水量增加的参与水泥水化反应的有效水量。
对新制备的混凝土样品进行三次测试：
-通过测量塌落度来确定稠度等级(根据NBN EN 12350-2)；
-确定密度(根据NBN EN 12350-6)；
-确定空气含量(根据NBN EN 12350-7)。
使用最大容积为100升的Eirich混合器制备新鲜混凝土。
还对硬化的混凝土进行测试：
-确定表观密度(根据NBN EN 12350-6)；
-确定抗压强度(根据NBN EN 12390-3)；
-确定由浸渍所致的吸水率(根据NBN B 15-215)。
在6个养护28天的15cm边长的混凝土立方体上确定抗压强度。在制备24小时后，将样品从模具中取出，然后保存在气候室(20±2℃，和超过95％的RH)中，直到测试日期。根据标准NBN EN 12390-3(2002)的建议，使用配备有力容量为4000kN的伺服液压缸的TONI-MFL机器执行测试。对于4号配制剂，通过在振动台上持续的压实(约1分钟而不是10秒)来制备立方体。
在3个养护28天的具有10cm的边长的混凝土立方体上确定由浸渍所致的吸水率。在制备24小时后，将样品从模具中取出，然后保存在气候室(20±2℃，且超过95％的RH)中，直到测试日期为止。根据标准NBN B 15-215的建议执行测试。它包括确定水饱和样品的重量(M1)，以及在105℃下的通风烘箱中干燥后样品的重量(M2)。
总吸水系数(A)计算如下：
根据本发明的三个LAC样品的测试结果示于表4中，与一个标准混凝土样品相比。
表4：与标准混凝土相比，本发明的低活化混凝土样品的物理性质。
对于LAC样品2号和3号(由高纯度石灰石和白水泥制备的混凝土)获得的结果(在表4中)与样品1(为标准混凝土)的结果非常相似。
这表明这些混凝土完全适宜于粒子加速器主厅(或粒子加速器或任何基于回旋加速器的设施)的内壁(或壁的内部)的浇注。
此外，表4中所得的抗压强度值表明混凝土样品2号至4号(以实验室规模)具有良好的机械强度(与样品1号的标准混凝土相比)。此外，对于在工厂中(即以较大规模)预制的本发明的低活化混凝土(例如用于形成粒子加速器主厅的内壁)，获得了(根据NBNEN12390-3测量的)45和60N/mm2之间的抗压强度值。因此，本发明的各方面的低活化混凝土使得可以毫无困难地实现通常旨在用于建筑领域(building sector)的抵抗等级。
甚至添加混合物，样品4号的新鲜混凝土混合物(由高纯度石灰石和高铝水泥制备的混凝土)也具有非常低的流动性。因此，对于现场浇注，将要进一步调整配制剂。这完全在本领域技术人员的实践内。
原子组成
使用X射线荧光(XRF)进行本发明的低活化混凝土的化学分析，确定了材料的元素组成。在熔融珠上进行XRF分析。由于在熔融珠的制备过程中的强烈加热，部分混凝土质量损失。这种质量损失称为“烧失量”(LOI)且主要对应于来自碳酸盐燃烧的结合水和二氧化碳(CO2)的挥发。这种LOI在LAC中非常重要，因为它们含有大量的石灰石骨料(CaCO3)。为了确定混凝土中剩余的氢的量，考虑了不同LAC的配制剂中使用的水/水泥比。在实践中，混凝土混合过程中使用的一部分水将随着时间而消失，仅留下固化混凝土内的结合水。
将本发明的低活化混凝土类型EI和S1的原子组成与表5中的标准混凝土进行比较。
表5：标准混凝土和LAC的原子组成(重量分数)。
对于标准混凝土，使用了在用于由R.J.McConn Jr.等人的PNNL-15870修订版1(2011)进行辐射输送建模的材料组成数据汇编中提供的波特兰混凝土组合物。
从表5可以看出，与标准混凝土相比，本发明的LAC EI表现出Na、Al和Si浓度的明显降低，而Mg浓度保持在大致相同的水平。由于Na、Al、Si和Mg是导致产生22Na的主要元素，当通过本发明的LACEI替代标准混凝土时，预期22Na产生量的明显减少。
对于本发明的含有高铝水泥的LAC型S1，相对于标准混凝土，Al的量乘以2，而Na、Mg和Si表现出与LAC EI中相似的浓度。因此，与使用LAC EI相比，可预期使用LAC S1时的22Na的稍微更大的产生量。然而，与使用标准混凝土相比，使用LAC S1时，由于Na和Si的量降低，总体22Na产生量仍将较低。
实施例4：医用加速器中的核废物减少
评估使用本发明的低活化混凝土的覆盖大能量范围的四种典型医用加速器中获得的LLW量减少。
更特别地，考虑以下IBA加速器：
-用于(C70)装置的主厅；
-用于系统的S2C2回旋加速器主厅；
-用于系统的C230回旋加速器主厅；和
-用于(C18p)系统的典型主厅。
使用蒙特卡罗(MC)模拟与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)开发的MCNPX2.7.0代码研究这四个系统，使用相同的技术来确定在屏蔽混凝土中产生的不同长寿命的同位素的产生率，即：
-分析开始于将每个主厅的内壁分成体积为50×50×10cm3的小单元，最后的坐标对应于单元深度。然后，确定了穿过这些单元的中子通量并乘以每个所需同位素的中子捕获横截面，给出每个源粒子的同位素产生率。151Eu、153Eu、59Co和133Cs的测量的中子捕获横截面可从IAEA或洛斯阿拉莫斯国家实验室评估的核数据库ENDF/B-VII.0中获得；
-对于散裂产物，需要采用不同的方法，因为产生这些同位素的测量的横截面不可用。它们是由高能粒子与目标核的相互作用产生的，并使用特殊的计数器记录在MCNPX中。在与中子捕获(NC)元素相同的小单元中确定这些残余物的产生率。
一旦确定了长寿命同位素的产生率，就将它们乘以由加速器每单位时间传递的束工作负载(beam workload)(即质子数)，并除以衰变常数λ以获得同位素比活度。考虑同位素随时间的衰变，使用Bateman方程计算不同活度的时间演变。为了简单起见，束工作负载被认为在随后设施完全关闭之前20年的时间内保持不变。
根据主厅内部的位置以及深度值，在设施的寿命终结时确定每种类型的同位素i的比活度Ai。最后，计算Ai/CLi的总和，并将其与核废物极限ΣAi/CLi＝1(CL为清洁解控水平)进行比较。
所有产生的同位素之和ΣAi/CLi被称为清洁解控指数(CI)且应保持小于1，以将活化材料视为非核废物。
对于每种情况，考虑到表2中所示的Eu、Co和Cs平均浓度，使用标准混凝土进行第一次分析。然后使用具有从单个组分测量(也在表2中给出)获得的浓度的LAC类型EI和S1重复分析。
A.C70主厅
使用MCNPX对用于70(C70)装置的主厅进行建模。
混凝土活化的确定是基于其最大束电流为700μA的回旋加速器的24/7连续运行，1个月/年用于维护的关闭除外。考虑到束损耗仅占加速束的5％，获得每年的工作负载为700μA×8000小时/年×11/12×0.05＝256700μA h/年。
认为所有的束损耗发生在70MeV的最大能量下，损耗的质子撞击由铝制成的真空室。
采用用于C70主厅壁的标准混凝土获得的结果绘制在图中。例如，图1(a)和1(b)呈现了采用用于主厅北壁的标准混凝土获得的结果，显示了分别(a)沿着C70主厅的北壁和(b)在该北壁内的清洁解控指数的演变。由于该装置的中子最大能量高于产生散裂同位素的阈值，所以必须考虑到22Na与NC元素一起的产生。在内层(0-10cm)中，对CI的主要贡献来自NC元素，散裂贡献保持低于20％。然而，从对应于30-40cm深度值的层中获得的分布可以看出，散裂贡献随着深度而增加。从图1(b)中绘制的深度曲线可以看出，这种贡献甚至成为大深度值下的最大贡献。不受理论的束缚，这种行为是由于与低能中子相比高能中子的衰减长度更长，从而导致中子能谱随深度的硬化以及高能中子与低能/热中子相比的相对比例的增加。基于图1(b)所示的CI深度曲线，结果表明，对于北壁而言需要100cm的退役层，对于各种C70屏蔽壁，退役层的厚度范围在80cm和120cm之间。使用标准混凝土，在20年的运行后，这导致核废物总体积为381m3。
此外，使用标准混凝土和LAC S1时，在图2中绘制了CI与北壁内的深度的演变，并进行了比较。不幸的是，没有观察到大深度下的CI值的显著降低，因此退役层的厚度没有显著增加。不受理论的约束，这些结果是由于在大的深度值下CI的主要贡献来自于散裂同位素，而不是来自NC元素。然而，考虑到CI值随额外的冷却时间的演变时，观察到CI值的显著降低。事实上，如图2所示，CI值在10年后下降了10倍，20年后变得甚至小于1。对于其他壁也观察到类似的行为。
此外，比较了采用标准混凝土和LAC S1获得的总核废料体积随时间的演变。采用标准混凝土，核废料体积将随着时间非常缓慢地减少，从设备EOL时的381m3下降到20年后的283m3(减少了25％)。相反，采用LAC S1获得的核废料体积将下降得快得多，从设施EOL时的312m3下降到10年后的139m3(下降了55％)和20年后的10m3(下降了97％)。
虽然在C70主厅中使用LAC因而不允许立即消除核废料的产生，但由于与使用标准混凝土时的大约100年相比，所有产生的核废料在20年后才能释放，所以可以降低退役成本。
B.S2C2主厅
使用MCNPX对S2C2的主厅与设备(例如回旋加速器、降能器和束线四极子(beamline quadrupoles))的主要部件一起建模。当从最大能量为230MeV的S2C2提取质子束时，需要降能器来调节患者辐照前的束能量。
对于主厅壁获得的结果绘制在图中。例如，图3(a)和3(b)呈现了使用两种不同类型的混凝土获得的S2C2主厅的西壁中的清洁解控指数值，显示了(a)沿着S2C2主厅的西壁和(b)在该西壁内的清洁解控指数的演变。
在S2C2主厅周围的不同退役层的厚度的评估列于表6中。
使用标准混凝土，20年运行后产生的核废料总量达到88.1m3。在表6中，将其与使用LAC型EI替代标准混凝土进行比较。
表6：采用标准混凝土和LAC EI混凝土获得的S2C2主厅周围的退役层的厚度。
对于围绕S2C2的西、东、南和迷宫壁，使用LAC型EI而不是标准混凝土，在前10cm的混凝土中观察到远低于1的极限的清洁解控指数的显著降低。这在西壁的图3(a)和3(b)中得以证实。使用本发明的LAC，这些壁的低水平活化废物的产生因此消失了。核废料的产生在S2C2主厅的顶部和地板上也消失了。
然而，由于北壁正好位于发射高能中子的能量降能器(degrader)之前，将要考虑随着这些壁的深度而增加的散裂贡献。由于与标准混凝土相比，LAC EI中的Na、Al和Si的浓度较低(参见实施例3的原子组成部分的表5)，使用LAC EI的北壁中22Na的产生已经大大降低。然而，在北壁内仍然存在一个小区域，其中清洁解控指数超过了为1的极限。该区域覆盖围绕束管位置约2×2m2的表面，并延伸到50cm的深度。因此，采用LAC EI获得的剩余核废料的量为2m3的量级，而不是使用标准混凝土的88.1m3。
由于剩余的混凝土活化是由22Na的产生所致，所以在设施关闭之后的一些冷却时间可被认为完全消除了22Na的产生。实际上，可以假设在设施关闭后，结构将不会立即退役。此外，在系统完全关闭之前，最可能存在几年的下降时间。因此，考虑官方设施关闭和退役阶段之间的五年时间。随着这种延期退役，北壁的清除指数的最大值下降到0.76，低于1的极限。
从表6还可以看出，在没有冷却期的情况下，当使用本发明的LAC型EI时，在20年的运行后产生的核废料的量减少到2.0m3，而不是使用标准混凝土时的88.1m3。如果考虑到5年的额外冷却时间，则当使用本发明的LAC EI时，由设施产生的核废料的量甚至降至0m3。因此，通过LAC型EI替代标准混凝土用于S2C2主厅壁内部，可以完全消除核废料的产生(由于NC同位素产生和散裂同位素的产生二者)。
C.C230主厅
将C230回旋加速器的主厅壳体与能量选择系统(ESS)一起建模，并且在四个侧壁、C230顶部和ESS顶部中评估了混凝土活化。
使用标准混凝土或LAC型EI进行混凝土活化分析，其中EU、Co和Cs的浓度列于表2中。所获得的结果(如在A和B部分中的那样)也绘制在图中。
在四个侧壁的0至10cm深度中获得的结果示于图4中。对比使用标准混凝土的结果，在研究的四个侧壁的三个中，CI值略高于1。
此外，对比C230顶部和ESS顶部的结果(图未示出)，ESS顶部可被认为被活化达50cm的深度，然而C230顶部获得的CI值在顶部的前10厘米中高于1。因此，标准混凝土在设施EOL时仍然可以被视为活化的。
从图4可以看出，使用LAC型EI而不是标准混凝土获得的清洁解控指数在所有侧壁中(甚至在最内层中也)急剧下降到低于1。此外，对于ESS顶部和C230顶部两者(图未示出)，CI在10cm的第一层中保持低于1。这些结果意味着在20年的运行之后，在LAC中将不会产生核废料，即混凝土在设施EOL时将不会被视为活化的。
用标准混凝土和LAC EI混凝土获得的C230主厅周围的不同退役层的厚度在表7中给出。
表7：采用标准混凝土和LAC EI混凝土获得的C230主厅周围的退役层的厚度
从结果可以看出，当使用标准混凝土时，在设施EOL时产生的核废料的总量可以估计为30.3m3。此外，不能预期随着时间推移的显著体积减少，因为大多数活化是由152Eu的存在所致。
然而，当使用LAC型E1代替标准混凝土时，在运行20年后，在侧壁、C230顶部和ESS顶部中将不会产生核废料。因此，采用LAC型EI，甚至在设备刚EOL之后，核废料的量也因而可以降低到0.0m3。
D.C18p主厅
使用MCNPX对C18p回旋加速器的主厅外壳进行建模。实施的C18p型号包含自身装备有局部屏蔽门和由两米厚的混凝土壁制成的主厅的机器以双束模式运行，且两个18F靶材以背对背配置布置。
对于年度束工作负载，考虑了束使用的三种场景，分别对应于设施的轻度、标准和重度使用：
a)70μA/靶材×2小时/天×250天/年＝2×35000μA h/年；
b)100μA/靶材×2小时/天×350天/年＝2×70000μA h/年；和
c)100μA/靶材×4小时/天×350天/年＝2×140000μA h/年。
在使用标准场景时沿着面对18F靶材之一的C18p主厅的东壁和在该东壁内获得的结果显示在图5中。
在图5(a)中绘制了沿着使用标准混凝土的东壁和在该东壁内部的清洁解控指数(CI)的演变，并且显示在对应于0-10cm的深度值的内层中，CI达到约500的最大值。该值在对应于30-40cm深度值的层中减小了10倍，但仍然保持远大于1的极限。如图5(b)所示，必须达到70cm的深度值，以获得低于1的CI值。对于其他壁以及顶部，获得了类似的结果。应该注意的是，在C18p壁上只产生了NC同位素，最大的中子能量太低以至于不能产生散裂同位素。
这些结果转化为下表8中所示的核废料的量，其在采用三种不同场景使用标准混凝土运行20年后获得。从这些结果可以看出，甚至在轻度使用的情况下，以43.8m3的核废料结束。分别以标准和重度使用获得了22％和28％的进一步增长。
此外，还比较了随着用于标准混凝土和两种不同的LAC的东壁内的深度的CI演化。结果如图6所示。
在图6(a)中，在设施关闭之后立即计算CI，而在图6(b)中，考虑了在设施寿命终结(EOL)和退役阶段之间的5年的额外冷却时间。结果表明，使用本发明的LAC，对于LAC型EI和S1，活化层的厚度分别降低了2或4倍。随着额外的冷却时间，由于使用本发明的LAC型S1，活化的混凝土层甚至完全消失。
对于使用本发明的LAC的不同场景，剩余的核废料体积也在表8中呈现。采用LAC型EI，与标准混凝土相比，体积除以2。采用LAC S1型，完全消除轻度和标准使用的核废料产生问题变得可能。在重度使用的情况下，剩下少量的12.3m3。
混凝土类型 轻度使用 标准使用 重度使用
标准 43.8m3 53.3m3 56.2m3
LAC EI 19.2m3 26.8m3 26.8m3
LAC S1 0m3 12.3m3 19.2m3
LAC S1+5年冷却 0m3 0m3 12.3m3
表8：考虑不同类型混凝土的三种使用场景中获得的核废料量。
E.退役成本
低活化混凝土的使用将在施工时引入一些额外的成本，因为这些LAC比标准混凝土稍贵。然而，这种额外的成本绝对不会权重达到在退役阶段由于低水平放射性废物的剩余量(如果有的话，仍然要处置)(如前面A至D部分所示)的强烈减少而获得的相当大的成本降低。
从上述实施例和结果来看，使用蒙特卡罗模拟评估了在四种典型的IBA回旋加速器主厅中产生的低水平核废料的潜在减少。使用标准混凝土，在20年的密集使用后产生的活化混凝土的体积在30m3和380m3之间。当通过本发明的低活化混凝土替代内壁中的标准混凝土时，可减少或甚至完全消除混凝土活化。为了获得这些结果，考虑了在设施关闭后推迟5年时间的拆除场景。这种推迟退役在核电站拆除的框架内被核机构普遍接受。例如就而言，需要20年的冷却时间来完全消除活化的混凝土，这与消除采用标准混凝土产生的核废料的大约100年或更长的时间形成对比。
从上述描述和实施例来看，本发明因此提供了低活化混凝土组合物，当与本领域已知的标准混凝土组合物和用于低活化混凝土的组合物相比时，其(进一步)降低了导致采用低能中子产生长寿命同位素的元素例如铕、钴和铯的含量。
特别地，在根据本发明的低活化混凝土组合物中，与本领域已知的用于低活化混凝土的组合物相比，铕的浓度降低到预料不到的程度。
此外，本发明因此提供了低活化混凝土组合物，其在减少元素例如铕、钴和铯的含量之后，同时还降低了导致采用高能中子产生22Na的元素例如Al、Na和Mg的含量。当与本领域已知的标准混凝土组合物和用于低活化混凝土的组合物相比时，总体混凝土活化，即由在混凝土中的低能中子和高能中子两者的捕获引起的活化因此降低。
已经表明，对于基于回旋加速器的系统来说，仔细选择组分，更特别是用于形成低活化屏蔽混凝土的骨料和水泥，以减少或甚至完全消除导致通过中子捕获而产生长寿命同位素即Eu、Co和Cs的元素，是有利的。此外，另外仔细选择还贫Na、Mg和Al(和/或甚至Si)的骨料和水泥也减少了22Na的产生。
以这种方式，使用本发明的LAC在辐射防护结构(例如在粒子加速器中)的内壁中，与使用本领域已知的标准混凝土或低活化混凝土组合物相比，可以进一步降低或甚至消除所产生的低水平放射性废物的量。因此，需要较少的特定储存区域，并且在所涉及的设施的寿命终结时对应的废物处理的相关成本(拆除成本)也可以显著地(进一步)减少。
采用本发明的低活化混凝土组合物，当与本领域可获得的标准混凝土组合物和用于低活化混凝土的组合物相比时，保持混凝土的品质。
使用本发明的低活化混凝土的医用加速器所致的核废料产生的重要减少将对生态足迹具有重要的影响，与现有技术中可获得的混凝土组合物相比，其显著降低。
对于质子治疗市场，与可变能量同步加速器相比，本发明的低活化混凝土甚至消除了由使用固定能量回旋加速器所致的混凝土活化问题。

Claims (14)

1.低活化混凝土，其包含高纯度石灰石骨料和白水泥，或高纯度石灰石骨料和铝酸盐水泥，
高纯度石灰石骨料包含大于97.0重量％的CaCO3，
其中，在包含高纯度石灰石骨料和白水泥的低活化混凝土中，Eu含量小于0.04ppm，Co含量小于0.80ppm，且Cs含量小于0.1ppm，并且
其中，在包含高纯度石灰石骨料和铝酸盐水泥的低活化混凝土中，Eu含量小于0.01ppm，Co含量小于0.26ppm，且Cs含量小于0.03ppm。
2.根据权利要求1所述的低活化混凝土，其中所述混凝土包含75重量％至95重量％的高纯度石灰石骨料。
3.根据权利要求1或2所述的低活化混凝土，其中所述混凝土包含75重量％至85重量％的高纯度石灰石骨料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的低活化混凝土，其中高纯度石灰石骨料包含在97.0重量％和98.5重量％之间的CaCO3。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的低活化混凝土，其中高纯度石灰石骨料包含在54.3重量％和55.2重量％之间的CaO、在0.8重量％和1.0重量％之间的MgO、在0.2重量％和0.6重量％之间的SiO2、在0.05重量％和0.1重量％之间的Fe2O3、小于0.3重量％的Al2O3和小于0.1重量％的Na2O。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的低活化混凝土，其包含高纯度石灰石骨料和白水泥，其中白水泥包含60重量％至68重量％的CaO、15重量％至22重量％的SiO2、2重量％至6重量％的Al2O3、0.1重量％至0.18重量％的Na2O和1重量％至3重量％的MgO。
7.根据权利要求6所述的低活化混凝土，其中白水泥包含63重量％至66重量％的CaO、19重量％至21.5重量％的SiO2、3重量％至5重量％的Al2O3、0.14重量％至0.17重量％的Na2O和1.5重量％至2.5重量％的MgO。
8.根据权利要求1所述的低活化混凝土，其中Eu含量小于0.025ppm，Co含量小于0.25ppm，且Cs含量小于0.07ppm。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的低活化混凝土，其包含高纯度石灰石骨料和铝酸盐水泥，其中铝酸盐水泥包含大于68.5重量％的Al2O3。
10.根据权利要求9所述的低活化混凝土，其中Eu含量小于0.009ppm，Co含量小于0.15ppm，且Cs含量小于0.03ppm。
11.根据前述权利要求中任一项所述的低活化混凝土的用途，用于形成粒子加速器主厅的内壁。
12.根据权利要求11所述的低活化混凝土的用途，用于包含物理分隔的多层壁中。
13.根据权利要求12所述的低活化混凝土的用途，用于双层壁中，其中所述壁的内层包含低活化混凝土，并且所述壁的其余部分包含标准混凝土。
14.根据权利要求12或13所述的低活化混凝土的用途，其中层之间的物理分隔包含塑料片。
CN201710548765.2A 2016-07-07 2017-07-07 低活化混凝土组合物及其用途 Pending CN107586079A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16178315.4A EP3266754A1 (en) 2016-07-07 2016-07-07 Compositions of low activation concrete and use thereof
EP16178315.4 2016-07-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107586079A true CN107586079A (zh) 2018-01-16

Family

ID=56403966

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710548765.2A Pending CN107586079A (zh) 2016-07-07 2017-07-07 低活化混凝土组合物及其用途

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20180009711A1 (zh)
EP (1) EP3266754A1 (zh)
JP (1) JP2018004648A (zh)
CN (1) CN107586079A (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7272891B2 (ja) * 2019-07-26 2023-05-12 清水建設株式会社 空間線量率分布の計算方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6235295A (ja) * 1985-08-09 1987-02-16 株式会社フジタ 放射線遮蔽用コンクリ−ト
JP4310883B2 (ja) 2000-04-26 2009-08-12 株式会社Ｉｈｉ 低放射化遮蔽容器
JP2004256376A (ja) 2003-02-27 2004-09-16 Taiheiyo Cement Corp 低放射化コンクリート
JP2006038467A (ja) 2004-07-22 2006-02-09 Kumagai Gumi Co Ltd 低放射化コンクリート組成物
JP2007269516A (ja) 2006-03-30 2007-10-18 Central Res Inst Of Electric Power Ind 低放射化コンクリート
JP5388411B2 (ja) 2006-06-05 2014-01-15 電気化学工業株式会社 低放射化セメント及びその製造方法
JP2008157801A (ja) 2006-12-25 2008-07-10 Fujita Corp 中性子遮蔽低放射化コンクリートおよびモルタル
JP4730976B2 (ja) 2007-03-16 2011-07-20 電気化学工業株式会社 低放射化水硬性組成物、低放射化セメント、及びそれら製造方法
JP2008239362A (ja) 2007-03-26 2008-10-09 Taiheiyo Cement Corp 低放射化セメント及びその製造方法、低放射化コンクリート

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018004648A (ja) 2018-01-11
US20180009711A1 (en) 2018-01-11
EP3266754A1 (en) 2018-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shams et al. Investigation of gamma radiation attenuation in heavy concrete shields containing hematite and barite aggregates in multi-layered and mixed forms
Ban et al. Modern heavyweight concrete shielding: Principles, industrial applications and future challenges; review
Piotrowski et al. Monte Carlo simulations for optimization of neutron shielding concrete
Oto et al. Determination of gamma and fast neutron shielding parameters of magnetite concretes
Chen et al. Attenuation efficiency of X-ray and comparison to gamma ray and neutrons in composite metal foams
Zayed et al. Influence of heavyweight aggregates on the physico-mechanical and radiation attenuation properties of serpentine-based concrete
JP2008039453A (ja) 中性子遮蔽用コンクリート
Mesbahi et al. A new barite–colemanite concrete with lower neutron production in radiation therapy bunkers
Chidiac et al. Mechanical and radiation shielding properties of concrete containing commercial boron carbide powder
Al-Tersawy et al. Experimental gamma-ray attenuation and theoretical optimization of barite concrete mixtures with nanomaterials against neutrons and gamma rays
Singh et al. Gamma exposure buildup factors and neutron total cross section of ceramic hosts for high level radioactive wastes
Çağlar et al. Na2Si3O7/BaO composites for the gamma-ray shielding in medical applications: Experimental, MCNP5, and WinXCom studies
Santhakumar et al. Effect of heat treatment on neutron attenuation characteristics of high density concretes (HDC)
Jaha et al. Ionizing radiation shielding efficacy of common mortar and concrete used in Bangladeshi dwellings
Sidhu et al. On the use of flyash-lime-gypsum (FaLG) bricks in the storage facilities for low level nuclear waste
Kilicoglu et al. Investigation of the effect of cement type on nuclear shield performance of heavy concrete
Singh et al. Gamma radiation shielding and health physics characteristics of diaspore-flyash concretes
CN107586079A (zh) 低活化混凝土组合物及其用途
Sayenko et al. Radioactive waste immobilization of Hanford sludge in magnesium potassium phosphate ceramic forms
Laverov et al. Glasses for immobilization of low-and intermediate-level radioactive waste
JP2007303953A (ja) 放射線遮蔽用コンクリート
Abrefah et al. Effectiveness of serpentine concrete as shielding material for neutron source facility using Monte Carlo code
Gyawali Development of heavyweight concrete with 2n mixing theory for shielding application
Ouda Estimation of radiation properties of high-performance concrete for use in nuclear installations
Gardner Assessment of magnesium potassium phosphate cements for radioactive waste encapsulation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180116

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication