DE102005057428B3

DE102005057428B3 - Strahlenresistentes und -abschirmendes Beschichtungssystem und Verfahren seiner Auftragung auf Bauteile und Bauwerke

Info

Publication number: DE102005057428B3
Application number: DE102005057428A
Authority: DE
Inventors: Peter Wriedt
Original assignee: KREBS BESCHICHTUNGSSYSTEME GMB; KREBS BESCHICHTUNGSSYSTEME GmbH
Current assignee: KREBS BESCHICHTUNGSSYSTEME GMB; KREBS BESCHICHTUNGSSYSTEME GmbH
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2025-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein strahlenresistentes und -abschirmendes Beschichtungssystem, das es ermöglicht, einen effektiven Strahlenschutz auf Dauer zu gewährleisten. Aufgabe der Erfindung ist es, ein strahlenresistentes Beschichtungssystem und einen hierauf fußenden Strahlenschutz auf der Grundlage eines spritzfähigen, gummiverstärkten Urethans anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein strahlenresistentes und strahlenabschirmendes Beschichtungssystem für Bauteile und Bauwerke gelöst, das aus einem spritzbaren Gummi auf der Grundlage einer aus einem isocyanathärtbaren Polymer und aus Gummipartikeln gebildeten Zusammensetzung besteht. Der Schichtenaufbau des Beschichtungssystems besteht aus einer ersten durch den spritzbaren Gummi auf das Bauteil oder das Bauwerk aufgebrachten Trägerschicht, einer zweiten aus granuliertem Absorbtionsmaterial gebildeten Schicht und einer dritten aus dem spritzbaren Gummi gebildeten Abdeckschicht. Das Absorbtionsmaterial mit einer Teilchengröße von 0,4 bis 0,8 mm und einer in Abhängigkeit der Strahlungsart und der Strahlungsintensität definierten Schichtdicke wird vor dem Aushärten des spritzbaren Gummis in die Trägerschicht eingestreut.

Description

Die Erfindung betrifft ein strahlenresistentes und -abschirmendes Beschichtungssystem, das es ermöglicht, einen effektiven Strahlenschutz auf Dauer zu gewährleisten.

Gemäß dem Stand der Technik kommen unterschiedliche Strahlenschutzsysteme zur Anwendung, wobei bei der Abschirmung radioaktiver Strahlen grundsätzlich Wechselwirkungen der Strahlungsteilchen und Quanten mit dem Abschirmmaterial entstehen, die die Art des Strahlenschutzsystems bestimmen.

Nachfolgend werden die bisher bekannten Strahlenschutzsysteme für die einzelnen Strahlungsarten beschrieben.

Abschirmung von Alphastrahlen

Alphateilchen geben ihre Energie im Wesentlichen dadurch ab, daß sie Atome oder Moleküle der durchstrahlten Materie ionisieren oder anregen. Da Ionen in sehr großer Dichte erzeugt werden, verlieren Alphateilchen ihre Energie bereits auf sehr kurzer Strecke. So beträgt die Reichweite in Luft nur wenige Zentimeter, in Materialien einfacher Dichte weniger als 0,1 mm.

Damit wird eine vollständige Abschirmung von Alphastrahlen bereits mit einem Blatt Papier erreicht. Die Abschirmung von Alphastrahlung ist also problemlos.

Abschirmung von Betastrahlen

Treffen Betateilchen auf Materie, so verlieren sie ihre Energie durch Ionisationen, durch Anregung, durch Streuung oder durch Erzeugung von Bremsstrahlung. Ionisation und die Erzeugung von Bremsstrahlung sind die wichtigsten Wechselwirkungsprozesse.

Betateilchen verlieren ihre Energie auf desto kürzeren Strecken, je größer Dichte und Ordnungszahl des Abschirmungsmaterials sind. In der Praxis werden aber zur Abschirmung von Betastrahlen keine Materialien höherer Ordnungszahl verwendet, weil die Energie der auf tretenden Bremsstrahlung mit der Ordnungszahl wächst und diese "härtere" Bremsstrahlung müßte dann ihrerseits durch zusätzliche Materialschichten abgeschirmt werden.

Die Energie der Betateilchen, die von den meisten Radionukliden ausgesendet wird, kann bereits mit einem 4 mm dicken Aluminiumblech vollständig abgeschirmt werden. Neben Aluminium werden auch Kunststoffe zur Abschirmung eingesetzt.

Abschirmung von Gammastrahlen

Durchdringt Gammastrahlung Materie, wird sie durch eine Reihe von Wechselwirkungsprozessen, die mit den Atomkernen stattfinden, geschwächt.

Es läßt sich daher immer nur ein bestimmter Teil der Strahlung abschirmen, also nicht die gesamte Strahlung. Einzelne Gammaquanten können beliebig dicke Materialschichten durchdringen. Die vollständige Abschirmung der Gammastrahlung ist somit schwieriger, als die der Alpha- und Betastrahlung. Durch Absorbermaterialien erreicht man lediglich eine Schwächung der Strahlungsintensität auf einen bestimmten Bruchteil. Dabei hängt die Stärke der Schwächung von der Energie der Strahlung und dem verwendeten Absorbermaterial ab.

Höhere Energie der Gammaquanten bedeutet ein größeres Durchdringungsvermögen, und eine höhere Ordnungszahl des Wechselwirkungsmaterials führt zu einer größeren Abschirmung.

Für den Schutz vor Gammastrahlung ist Blei ein geeignetes Abschirmmaterial. In der heutigen Praxis wird in der Form von Bleiziegeln bis zur Dicke von 20 cm eine Gammastrahlenabschirmung hergestellt. Steht für den Strahlenschutz ausreichend Raum zur Strahlenquelle zur Verfügung, werden aus Kostengründen auch andere Materialien verwendet, wie z.B. Eisen in einer Wandstärke von 50 bis 80 cm oder Beton in einer Materialschicht von 1,00 bis 1,50 m.

Abschirmung von Neutronenstrahlen

Bei Neutronenstrahlen ist die Dosierung desto höher, je größer die Energie der Neutronen ist. In einem ersten Schritt wird deshalb bei einer Abschirmung die Geschwindigkeit der Teilchen herabgesetzt. Hierzu werden wasserstoffhaltige Materialien verwendet, wie z.B. Polyethylen, Paraffin oder Wasser, da die Masse von Neutron und Proton (Wasserstoffkern) gleich groß ist und bei Stößen der Kerne gegeneinander besonders hohe Energiebeträge übertragen werden können.

Auch Neutronen mit thermischen Geschwindigkeiten können vom Atomkern des Abschirmmaterials eingefangen werden und dabei eine Strahlung aussenden oder zuvor nicht radioaktive Kerne in radioaktiv strahlende Kerne umwandeln. Deshalb müssen in einem zweiten Abschirmschritt die thermischen Neutronen eingefangen werden. Hierfür eignen sich die Materialelemente Bor oder Cadmium.

Beim Einfang der Neutronen entstehen jedoch noch zusätzlich Gammastrahlen als Sekundärstrahlung, die nur mit Materialien großer Ordnungszahl (z.B. Blei) absorbiert werden können.

Ein klassisches Neutronenschild besteht also aus drei Materialschichten bei folgendem Aufbau:

a.) zur Abbremsung der Neutronen z.B. Polyethylen ab 20 cm Dicke,
b.) zum Neutroneneinfang z.B. eine 6,5 cm dicke Boralschicht (Aluminium + Borcarbid),
c.) zur Abschirmung der Gammastrahlen z.B. eine 20 cm dicke Bleischicht.

Da ein entsprechend mehrschichtiger Neutronenstrahlenschutz aus wirtschaftlichen Gründen in der Praxis (z.B. Betrieb von Kernkraftwerken) kaum eingesetzt wird, kann diese Neutronenabschirmung auch mit einem Spezialbeton sicher gewährleistet werden. Dieses Betonschild wird in einer Aufbaustärke von 2,00 bis 3,00 m hergestellt.

Aus DE 36 12 971 C2 ist eine elastomeres Neutronenschutzmaterial auf der Grundlage einer Zusammensetzung aus einem isocyanathärtbaren Polymer und einem fein verteilten Absorbermaterial als Füllstoff bekannt. Die Verarbeitungsmöglichkeit dieses Materials ist nicht näher erläutert.

Gemäß EP 0 223 820 B1 ist ein Material zum Beschichten, Füllen, Binden und Schützen von Bauteilen mit einem isocyanathärtbaren Polymer und Gummi bekannt, in der einzelne, im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebene Komponenten vermischt werden, die nach dem Härten der Polymergrundlage die elastischen und adhäsiven Eigenschaften des Materials signifikant verbessern.

Dieses Überzugssystem hat sich aufgrund seiner universellen Schutzeigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungen bewährt.

Der Einsatz dieses Systems als strahlenresistentes und -abschirmendes Beschichtungssystem bei Bauteilen oder Bauwerken ist nicht bekannt und aus der gegebenen Zusammensetzung nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein strahlenresistentes Beschichtungssystem und einen hierauf fußenden Strahlenschutz auf der Grundlage eines spritzfähigen, gummiverstärkten Urethans anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein strahlenresistentes und strahlenabschirmendes Beschichtungssystem für Bauteile und Bauwerke gelöst, das aus einem spritzbaren Gummi auf der Grundlage einer aus einem isocyanathärtbaren Polymer und aus Gummipartikeln gebildeten Zusammensetzung besteht. Der Schichtenaufbau des Beschichtungssystems besteht aus einer ersten durch den spritzbaren Gummi auf das Bauteil oder das Bauwerk aufgebrachten Trägerschicht, einer zweiten aus granuliertem Absorbtionsmaterial gebildeten Schicht und einer dritten aus dem spritzbaren Gummi gebildeten Abdeckschicht,
Das Absorbtionsmaterial mit einer Teilchengröße von 0,4 bis 0,8 mm und einer in Abhängigkeit der Strahlungsart und der Strahlungsintensität definierten Schichtdicke wird vor dem Aushärten des spritzbaren Gummis in die Trägerschicht eingestreut.

Konkrete Weiterbildungen, die sich auf spezielle Arten von radioaktiver Strahlung beziehen, sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben, die sich auf die unterschiedlichen radioaktiven Strahlungen beziehen, die unterschiedliche Strahlungseigenschaften aufweisen.
Beispiel 1
Abschirmung von Betastrahlen
Für die optimale Abschirmung von Betastrahlen wird eine Kombination zweier verschiedener Materialien unterschiedlicher Ordnungszahl verwendet. Der Strahlenquelle zugewandt wird ein Absorbtionsmaterial mit einer niedrigen Ordnungszahl eingesetzt, wobei die Materialdicke sich nach der Eindringungsweite der Betateilchen in diesem Material richtet. Nur dann kann die Bestrahlung vollständig absorbiert werden. Die hierbei entstehende sog. Bremsstrahlung wird durch das zusätzliche Material einer höheren Ordnungszahl vollkommen abgeschwächt.
Der Aufbau dieser Abschirmung ist wie folgt darzustellen:
Unabhängig, ob als Wandschirm, Schürze, Vorhang oder Abdeckung wird das Strahlenschutzsystem zur Abschirmung von Betastrahlen aus einem gespritzten Gummi als Trägermaterial in der Schichtdicke von ca. 5000 μm bis 6000 μm für das einzustreuende Aluminiumgranulat (Material niedriger Ordnungszahl) mit einer Schichtdicke von ca. 4000 μm und einer weiteren gespritzten Gummideckschicht (Schichtdicke ca. 5000 μm), die gleichzeitig als Trägerschicht für das zusätzlich einzustreuende Bleigranulat (Material höherer Ordnungszahl) in einer Schichtdicke von ca. 800 μm bis 1000 μm dient, hergestellt.
Der Gesamtaufbau dieses Strahlenschutzsystems weist somit eine Schichtdicke von ca. 16000 μm auf.
Beispiel 2
Abschirmung von Gammastrahlen
Für den Schutz vor Gammastrahlung wird unter Berücksichtigung der Praxisabwägung hinsichtlich einer definierten Halbwertschicht bzw. Zehntelwertschicht die Materialdicke des Schutzschildes bestimmt. Durch diese Schichten wird die Intensität der Strahlung auf die Hälfte bzw. ein Zehntel reduziert.
Das zur Verarbeitung und Herstellung eines Gammastrahlenschutzes bestimmte Bleimaterial wird als Feingranulat in einem Mehrschichtensystem mit dem gespritzten Gummi zu einem Wandschirm, zu einer Schürze, zu einem Sicherheitsvorhang oder als direkter Überzug eingesetzt.
Schon ein 5-lagiger Schichtenaufbau, d.h.
ca. 5000–6000 μm gespritztes Gummi, als Trägerschicht,
ca. 400–800 μm eingestreutes Blei-Feinschrot – in der Körnung 0,4–0,8 mm,
ca. 5000–6000 μm gespritztes Gummi, als Deck- und Trägerschicht,
ca. 400–800 μm eingestreutes Blei-Feinschrot – in der Körnung 0,4–0,8 mm,
ca. 5000–6000 μm gespritztes Gummi, als Deckschicht,
führt bereits mit einer Gesamtschichtdicke von ca. 19600 μm zu einer Abschwächung der Gammastrahlung bis zu ca. 23 % (durchschnittlicher Schirmfaktor) bei einer vorgenommenen Kurzzeitbestrahlung mit der Strahlenquelle Nuklid Caesium 137, bei einer Dosisleistung von 100000 μSv/h und in einem Strahlungsabstand von 90 cm.
Beispiel 3
Abschirmung von Neutronenstrahlen
Für die Abschirmung der besonders tückischen Neutronenstrahlung ist der Aufbau eines Strahlenschutzschildes dadurch hervorhebend gekennzeichnet, daß die Mehrschichtenverarbeitung der spritzbaren Gummibeschichtung mit Materialien unterschiedlicher Ordnung in einfacher Form vorgenommen werden kann.
Da die Absorbtion von Neutronen und damit die Abschirmung nur bei geringen Neutronenenergien (Geschwindigkeiten) optimal möglich ist, wird zunächst ein Polyethylen-Granulat auf die gummigespritzte Trägerschicht aufgebracht und mit einer weiteren Gummischicht abgedeckt, die aber gleichzeitig für z.B. einzustreuendes Borcarbid zum Neutroneneinfang dient.
Eine dritte gespritzte Gummibeschichtung auf dem Bormaterial ist gleichzeitig Trägerschicht für ein einzustreuendes Bleigranulat, das die neu entstandene Gammastrahlung abschwächen soll. Auch diese Bleischicht wird mit dem spritzbaren Gummi versiegelt.
Die Schichtdicke der einzelnen Gummi- und Absorbtionsmaterialschichten sind abhängig von der Energiegröße, d.h. von der Neutronengeschwindigkeit und der entstehenden Gammaquanten, definiert durch die Halbwert- oder Zehntelwertschichten der eingesetzten Materialien.
Das erfindungsgemäße Strahlenschutzsystem weist gegenüber herkömmlichen Strahlenschutzsystemen erhebliche Vorteile auf.
Der wesentliche Vorteil besteht in der Bereitstellung eines strahlenresistenten und -abschirmenden Beschichtungssystems, das mittels bekannter Hochdruck-Spritzanlagen und Einstreuung des Absorbtionsmaterials in beliebiger Schichtdicke auf die zu behandelnden Bauteile aufgetragen werden kann.
Durch die Spritzfähigkeit des Deck- oder Trägermaterials können Bauteile oder Bauwerke unmittelbar auf ihrer Oberfläche mit einer entsprechenden Schutzbeschichtung versehen werden.
Dieses Beschichtungssystem bietet neben der Abschirmung von radioaktiven Strahlen und einer dauerhaften Strahlenresistenz durch seine Diffusionsbeständigkeit gegenüber Sauerstoff hervorragenden Schutz gegen Korrosion und durch seine Widerstandsfähigkeit gegen mechanischen Abrieb einen sehr guten Verschleissschutz.
Diese Vorteile wirken sich insbesondere beim Rückbau radioaktiv kontaminierter Bauwerke aus.
Einerseits wird die beim Rückbau zum Einsatz kommende Technik durch das erfindungsgemäße Beschichtungssystem vor der Kontamination mit radioaktiver Strahlung geschützt, andererseits werden die zur Endlagerung vorgesehenen, radioaktiv kontaminierten Bauteile oder Sektionen durch das Beschichtungssystem versiegelt und dadurch daran gehindert, radioaktive Strahlen überhaupt oder in gefährlicher Dosierung an die Umwelt abzugeben.

Claims

Strahlenresistentes und strahlenabschirmendes Beschichtungssystem für. Bauteile und Bauwerke aus einem spritzbaren Gummi auf der Grundlage einer aus einem isocyanathärtbaren Polymer und aus Gummipartikeln gebildeten Zusammensetzung, bei welchem mindestens eine aus granuliertem Absorbermaterial mit einer Teilchengröße von 0,4 bis 0,8 mm gebildete Schicht zwischen mindestens einer Träger- und einer Abdeckschicht angeordnet ist, die wiederum aus jeweils spritzbarem Gummi gebildet wird, wobei das Absorbermaterial in einer in Abhängigkeit von der Strahlungsart und der Strahlungsintensität definierten Schichtdicke vor dem Aushärten des spritzbaren Gummis in die Trägerschicht einstreubar ist.
Beschichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem aus mehreren Schichten aus spritzbarem Gummi besteht, zwischen denen jeweils Schichten aus gleichem oder unterschiedlichem Absorptionsmaterial mit gleicher oder unterschiedlicher Schichtdicke eingelagert sind.
Beschichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorptionsmaterial Aluminiumgranulat einsetzbar ist.
Beschichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorptionsmaterial Bleigranulat einsetzbar ist.
Beschichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorptionsmaterial Polyethylengranulat einsetzbar ist. oder
Beschichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorptionsmaterial Borcarbidgranulat einsetzbar ist.
Schichtaufbau für das Beschichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschirmung von Betastrahlen die der Strahlenquelle zugewandte Seite des Beschichtungssystems aus einer ersten Schicht aus aufspritzbarem Gummi mit eingelagertem Aluminiumgranulat mit einer Schichtdicke von ca. 4000 μm und einer zweiten Schicht aus aufspritzbarem Gummi besteht, die auf die erste Schicht auf deren der Strahlungsquelle abgewandten Seite aufgetragen wird, wobei in den aufgespritzten Gummi der zweiten Schicht Bleigranulat mit einer Schichtdicke von ca. 800 bis 1000 μm eingelagert ist.
Schichtaufbau für das Beschichtungssytem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschirmung von Gammastrahlen die Abschirmung einen mehrlagigen, vorzugsweise fünflagigen Aufbau aufweist, der bei einem fünflagigen Aufbau, beginnend auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite, aus a.) einer Trägerschicht aus spritzbarem Gummi mit einer Schichtdicke von ca. 5000 bis 6000 μm, b.) einer auf a.) eingestreuten Schicht Bleigranulat mit einer Teilchengröße von 0,4 bis 0,8 mm und einer Schichtdicke von ca. 400 bis 800 μm, c.) einer auf b.) aufgespritzten Deck- und Trägerschicht aus spritzbarem Gummi mit einer Schichtdicke von ca. 5000 bis 6000 μm, d.) einer auf c.) eingestreuten Schicht Bleigranulat mit einer Teilchengröße von 0,4 bis 0,8 mm und einer Schichtdicke von ca. 400 bis 800 μm und e.) einer auf d.) aufgespritzten Deckschicht aus spritzbarem Gummi mit einer Schichtdicke von ca. 5000 bis 6000 μm besteht.
Schichtaufbau für das Beschichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschirmung von Neutronenstrahlen die Abschirmung einen mehrlagigen Aufbau aufweist, der, beginnend auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite, aus a.) einer Schicht aus spritzbarem Gummi mit eingelagertem Polyethylengranulat, b.) einer auf a.) aufgespritzten Schicht aus spritzbarem Gummi mit eingelagertem Borcarbid und c.) einer auf b.) aufgespritzten Schicht aus spritzbarem Gummi mit eingelagertem Bleigranulat besteht.
Verfahren zum Auftragen eines strahlenresistenten und strahlenabschirmenden Beschichtungssystems auf Bauteile und Bauwerke nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf Gummipartikel basierende Komponente und die auf dem Härter basierende Komponente in einer Zweikomponenten-Hochdruck-Spritzanlage gemischt und als spritzbarer Gummi auf die zu behandelnden Bauteile und Bauwerke als Trägerschicht gespritzt werden, dass vor dem Aushärten der Trägerschicht granulatförmiges Absorptionsmaterial in die Trägerschicht eingelagert wird, wobei durch Aushärten der Trägerschicht das Absorptionsmaterial unlösbar in die Trägerschicht eingebunden wird, und dass die Trägerschicht durch eine Deckschicht aus spritzbarem Gummi versiegelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem durch Wiederholung der technologischen Schritte zur Bildung der Trägerschicht und zur Einlagerung von Absorptionsmaterial entsprechend den vorliegenden Strahlungsparametern und damit ein vielschichtiger Strahlenschutz erreicht wird.