DE102008008379A1

DE102008008379A1 - Abschirmmaterial zum Abschirmen von Strahlung

Info

Publication number: DE102008008379A1
Application number: DE102008008379A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Engelmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-02-09
Filing date: 2008-02-09
Publication date: 2009-08-20
Also published as: EP2240940B1; ATE515039T1; EP2240940A1; WO2009097833A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abschirmmaterial zum Abschirmen von Strahlung, insbesondere radioaktiver Strahlung, insbesondere von beta/gamma-Strahlen und Röntgenstrahlung. Das Abschirmmaterial besteht aus einem Schwermetall-Polymer-Gemisch, wobei das Schwermetall vorzugsweise in Form von Pulver eingesetzt wird. Als Schwermetalle werden Wismut und/oder Eisen und/oder Baryt verwendet. Das Schwermetallpulver wird mit einem Bindemittel, insbesondere Epoxidharz oder Silikon, gemischt und kann dann verwendet werden für die Herstellung verschiedenster Produkte und Gegenstände, wie Mauersteine, Trennwände, Beschichtungen, Container, Putzmörtel, Abschirmschürzen, Ummantelungen, Folien etc.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abschirmmaterial zum Abschirmen von Strahlung, insbesondere von radioaktiver Strahlung, insbesondere von β/γ-Strahlen, und Röntgenstrahlung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, als Abschirmmaterial für β/γ-Strahlen und Röntgenstrahlen Blei oder Beton mit unterschiedlichen Zusätzen zur Erhöhung der Abschirmwirkung oder Stahl mit unterschiedlichen Bestandteilen zu verwenden. Diese Abschirmmaterialien weisen Nachteile auf. Blei ist nachteilig wegen seiner Toxizität, Beton wegen seiner wenig flexiblen Einsatzmöglichkeiten und Stahl wegen seiner hohen Korrosionsgefährdung in normaler Umgebung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Abschirmmaterial hoher Abschirmwirkung, insbesondere gegen β/γ-Strahlung und Röntgenstrahlung anzugeben, das die oben angegebenen Nachteile der bisher eingesetzten Abschirmmaterialien nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung schlägt als Abschirmmaterial ein Schwermetall-Polymer-Gemisch hoher Dichte vor.
Vorzugsweise ist das Schwermetall-Polymer-Gemisch ein Schwermetallpulver-Polymer-Gemisch.
Vorteilhaft wird ein Schwermetall mit hoher Dichte und mit einem hohen Einfangquerschnitt für β/γ-Strahlen verwendet, das vorzugsweise Wismut, Eisen oder Baryt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht der Metallanteil des Metall-Polymer-Gemisches aus Wismut-Pulver, Eisenpulver oder Barytpulver oder aus einer Mischung wenigstens zweier dieser Materialien.
Das Polymer ist ein Bindemittel und vorzugsweise Epoxidharz oder Silikon.
Zur Herstellung des Abschirmmaterials werden das Metallpulver oder die Metallpulvermischung und das Bindemittel in einem Rührwerk oder Mischgerät miteinander gemischt, wobei das Mischen bei normaler Temperatur erfolgt.
Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial erhöht durch seine Eigenschaften die Sicherheit beim Strahlenschutz. Weitere Vorteile des Abschirmmaterials bestehen darin, dass es flexibel einsetzbar und korrosionsbeständig ist. Das neue Abschirmmaterial ist umweltfreundlich, da es keine toxischen Eigenschaften aufweist. Es kann daher ohne Schutzmittel hergestellt werden. Es besitzt gute thermische Stabilität. Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial ist leicht herstellbar. Durch herkömmliche Formgebungsverfahren, bspw. Gießverfahren, können aus dem erfindungsgemäßen Abschirmmaterial beliebige Gegenstände und Formen hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial kann ohne Schwierigkeiten vor Ort hergestellt und vor Ort für die verschiedenen gewünschten Produkte, Gegenstände und Formen verarbeitet und installiert bzw. montiert werden.
Nachfolgend sollen die Bestandteile der Abschirmmaterialien Wismutpulver-Polymer-Gemisch, Eisenpulver-Polymer-Gemisch und Barytpulver-Polymer-Gemisch näher beschrieben werden:
1) Wismut, Wismutpulver:
Wismut ist das einzige Schwermetall, das nicht toxisch ist. In der Natur kommt es hauptsächlich als Wismutglanz (Bi₂S₃) und als Trioxid (Wismutocker Bi₂O₃) vor. Kommerziell fällt Wismut vielfach als Nebenprodukt bei der Gewinnung anderer Metalle, wie Kupfer, Blei und Zinn an. Wismut besitzt gegenüber anderen Materialien einen extrem guten Einfangquerschnitt gegenüber β/γ-Strahlen, so dass Wismut gegenüber anderen Schwermetallen ein gutes Abschirmverhalten zeigt.
2) Eisen, Eisenpulver:
Eisen ist dasjenige Schwermetall, das unter allen Schwermetallen in der Erdrinde am häufigsten vorkommt. Durch seine hohe Affinität zum Sauerstoff ist es in der Erdkruste nicht in elementarer Form vorhanden, sondern vor allem in Form von Oxiden, Carbonaten und Sulfaten. Eisenpulver kann durch Zerstäuben von flüssigem Metall über eine Düse hergestellt werden. Es kann auch aus Eisenoxid durch gasförmige Reduktionsmittel erzeugt werden. Außerdem kann Eisenpulver durch thermische Zersetzung gewonnen werden.
3) Baryt, Barytpulver:
Baryt, auch als Schwerspat oder Bariumsulfat (BaSO₄) bekannt, ist ein häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der wasserfreien Sulfate ohne fremde Anionen. Es bildet sich aus hydrothermalen Lösungen oder auch sedimentär, teilweise unter Mitwirkung biologischer Prozesse. Submarine Sediment-Lagerstätten sind bei der Mischung aufsteigender bariumreicher Hydrothermallösungen mit sulfathaltigem Meerwasser entstanden. Dieser Lagerstättentyp kann einige Millionen bis Milliarden Tonnen Baryt enthalten. Ein Beispiel dafür ist die Lagerstätte Meggen in Deutschland. Baryt wird bei Tiefbohrungen der Bohrspülung, wegen des hohen spezifischen Gewichts von 4,3–4,7 g/cm³, zugesetzt. Des Weiteren wird Baryt zur Herstellung von weißen Pigmenten und von fotografischem Papier verwendet. Es ist ebenso Bestandteil von Schwerbeton wie von Kontrastmitteln bei Röntgenuntersuchungen.
4) Bindemittel, Epoxidharz:
Als Bindemittel ist Epoxidharz hervorragend geeignet. Epoxidharze werden durch Kondensation von Epichlorhydrin und Bisphenol hergestellt. Epoxidharze bilden flüssige bis viskose, glasige Stoffe. Je nach Vernetzungsgrad mit entsprechenden Härtern, wie Polyamine ergibt sich ein flüssiges bis festes Produkt. Die Haftung an Metallen ist außerordentlich gut und das entstehende Produkt ist äußerst widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse, auch gegen Korrosion. Feste Epoxidharze zeigen keine Reizwirkungen, keine toxischen und auch keine karzinogenen Eigenschaften – auch nicht bei länger andauernder beruflicher Belastung.
5) Bindemittel, Silikon:
Silikon ist ein Polymerwerkstoff Polysiloxan, ein Material auf Basis von Silizium und Sauerstoff mit organischen Substituenten und weist physikalische Eigenschaften auf, die für die Herstellung von flexiblen Abschirmprodukten, wie Abschirmschürzen gut geeignet ist. Das Material ist unter dem handelsüblichen Namen „Silikon" bekannt, wobei es eine Vielzahl verschiedener Silikonarten gibt. Polysiloxane sind hydrophobe Werkstoffe, die im Gegensatz zu anderen Elastomeren eine gute chemische Stabilität gegen Wasser, Säuren und Laugen besitzen. Der Hauptvorteil bei der Verwendung von Polysiloxanen besteht darin, dass sie sich leicht dem jeweiligen Anwendungsfall anpassen lassen. Durch Zugabe von Zusatz- oder Modifizierungsstoffen kann dieses leicht erreicht werden. Des Weiteren bestehen Polysiloxane aus umweltverträglichen Materialien, die nach dem Gebrauch ohne Auflagen einfach entsorgt werden können.
6) Herstellungsformen:
Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial kann in verschiedene Formen gegossen werden, die dem jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden können. Es ist einsetzbar für Isotopennadeln, Handschuhboxen, Elektronenbeschleuniger, Radongeneratoren, bei der Isotopenherstellung und anderen Anwendungen. Es kann in Form von Mauer- und Systembausteinen, als Platten, Mörtelputz oder Material für Container, Abschirmbehälter, Rohrumhüllungen und Folien eingesetzt werden. Die Herstellung der verschiedenen Erzeugnisse erfolgt bei normaler Temperatur, wobei die benötigten Komponenten in einem Rührwerk oder Mischwerk miteinander vermischt und danach in die entsprechenden Formen gegossen werden. Die Aushärtezeit kann durch Wärme verkürzt werden. Nach dem Aushärten ist eine mechanische Bearbeitung möglich, um bspw. bestimmte Formgenauigkeiten einzustellen. Durch unterschiedliche Bindungs- und Metallpulverzusammensetzungen kann die Dichte der Metallpulver-Polymer-Abschirmmaterialien eingestellt werden, wobei für Wismutpulver-Epoxid-Gemisch eine Dichte von 6,0 g/cm³, für Eisenpulver-Epoxid-Gemisch eine Dichte von 4,1 g/cm³ und für Barytpulver-Epoxid-Gemisch eine Dichte von 2,8 g/cm³ erreicht werden kann.
7) Radiologische Untersuchungen:
Die Messung der γ-Abschirmung mit ₆₀Co- und ₁₃₇-Cs-Quellen ergab die aus anliegenden Bildern 1 und 2 ersichtlichen Schwächungsfaktoren in Abhängigkeit von der Schichtdicke in cm.
Mit Wismutpulver werden bessere Ergebnisse erzielt als mit Stahl. Trotz eines fast fünfzig Prozent leichteren spezifischen Gewichts weist eine Wismutplatte gegenüber einer gleich dicken Stahlplatte um 2–5% bessere Abschirmwerte auf. Mit Eisenpulver ergaben sich allerdings schlechtere Abschirmwirkungen. Bei ausreichenden Platzverhältnissen für die notwendige Abschirmung kann man mit Eisenpulver-Polymer-Platten die gleiche Abschirmwirkung erzielen, wenn man die Stärke der Platten verdoppelt. Da die Herstellung von Eisenpulver-Polymer-Platten wesentlich preisgünstiger ist, bilden solche Platten als γ-Abschirmung durchaus eine Alternative aus radiologischer Sicht.
Ein Vergleich der Schwächungsfaktoren in Abhängigkeit von der Schichtdicke der erfindungsgemäßen Abschirmmaterialien Eisen-Epoxid-Mischung, Wismut-Epoxid-Mischung, Baryt-Epoxid-Mischung und Eisen/Baryt-Epoxid-Mischung ist in Bild 3 dargestellt.
Der Grafik gemäß Bild 3 ist deutlich entnehmbar, dass mit dem Abschirmmaterial Wismut-Epoxidharz-Mischung die besten Abschirmergebnisse erzielt werden und mit Baryt-Epoxid-Mischung die schlechtesten.
8) Homogenität des erfindungsgemäßen Abschirmmaterials:
Für die meisten Anwendungszwecke ist es wichtig, dass das Metallpulver sich mit dem Polymer homogen verbindet. Die Untersuchungen der Homogenität des erfindungsgemäßen Abschirmmaterials wurden mit einer ₆₀Co-Quelle durchgeführt, mit der kreisförmige Platten aus Wismutpulver-Epoxid und aus Eisenpulver-Epoxid bestrahlt wurden.
Das Bild 4 zeigt die Anordnung der Messpunkte auf den Probeplatten aus Wismutpulver-Epoxid-Gemisch und Eisenpulver-Epoxid-Gemisch. Die Probeplatten hatten einen Durchmesser von 150 mm und eine Wandstärke von 30 mm und wurden wie aus der 4 ersichtlich in 55 Felder aufgeteilt. Für jedes der 55 Felder wurde die Schwächung mit der γ-Strahlung gemessen. Für jedes Feld wurden zwei Messungen durchgeführt, so dass die Homogenität einer Platte mit 110 Messungen ermittelt wurde.
Untersuchung der Homogenität der gegossenen Platten:
Die 5 und 6 geben die Messergebnisse bei Wismutpulver-Epoxid-Platten und Eisenpulver-Epoxid-Platten wieder.
In beiden Abbildungen ist die Dichteinhomogenität dargestellt; sie erfolgte über die Ermittlung des mittleren Schwächungsfaktors I/I₀ und der lokalen Abweichung von diesem Mittelwert. Die Schwächung der γ-Strahlung wurde mit einer mittleren Energielinie E_γ = 1,25 MeV ermittelt.
Die Dichteinhomogenität wurde ermittelt durch die Anzeige der Abweichung vom Plattenmittelwert des Schwächungsfaktors I/I₀. Durch eine Zweifachmessung jedes einzelnen Messpunktes konnte der Messfehler auf einen Wert von ca. 4% reduziert werden. An den Randmesspunkten sind deutliche Abweichungen vom Mittelwert der Dichteinhomogenität festzustellen. Dieses liegt jedoch nicht an der Inhomogenität der Probeplatte, sondern ist zum größten Teil auf Streuungen der γ-Strahlung im Randbereich der Probeplatten zurückzuführen. Die Untersuchungen ergaben sowohl für Wismutpulver-Epoxid-Platten als auch für Eisenpulver-Epoxid-Platten eine herstellungsbedingte Dichteinhomogenität von nur 8%. Dieses Ergebnis bedeutet, dass mit einem Metallpulver sowohl aus Wismut als auch aus Eisen das Polymer (Epoxid) eine dichte Verbindung ohne Lunker eingeht.
9) Mechanische Untersuchungen:

Die mechanisch-technischen Untersuchungen umfassten Druck- und Zugversuche. Die Untersuchungen wurden gemäß DIN ISO 527 und DIN ISO 604 durchgeführt und die Ergebnisse mit Blei, Stahl und Beton verglichen. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben. Druck- und Zugtests

Material	Druckspannung N/mm²	Zugspannung N/mm²
Wismutpulver-Epoxid-Gemisch	67	25
Eisenpulver-Epoxid-Gemisch	122	37
Barytpulver-Epoxid-Gemisch	135	31
Eisen/Barytpulver-Epoxid-Gemisch	129	33
Beton	25–37	2,6–3,3
Blei	–	12
Stahl	250–1200	340–630

10) Einsatzmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Metallpulver-Polymer-Abschirmmaterial:
Das erfindungsgemäße Metallpulver-Polymer-Gemisch ist kaltgießfähig und kann daher sehr flexibel und unterschiedlich eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial besitzt durch die Ummantelung der Metallpulverteilchen durch das Polymer (Bindemittel Epoxidharz oder Silikon) eine wesentlich bessere Korrosionsbeständigkeit als die herkömmlichen Abschirmmaterialien Stahl und Blei. Nachteilig wirkt sich allenfalls der relativ hohe Preis für Wismutpulver aus, so dass dieses Material für große und schwere Abschirm-Transportbehälter möglicherweise nicht wirtschaftlich erscheint. Es bieten sich aber Anwendungen für kleinere, leichtere Bauelemente an, wie nachfolgend beschrieben. Das Wismutpulver-Polymer- und das Eisenpulver-Polymer-Abschirmmaterial kann zu handlichen Steinen, wie Mauersteinen mit Schwalbenschwanzprofil gegossen werden, so dass die Steine zu Abschirmwänden oder flexiblen Abschirmungen aufgebaut werden können. Die bisher gebräuchlichen Bleisteine können durch Steine aus Wismutpulver-Epoxid- oder Eisenpulver-Epoxid-Gemischmaterial ersetzt werden. Dadurch kann die Handhabung mit dem toxischen Material Blei vermieden werden. Mit den Bausteinen aus dem erfindungsgemäßen Abschirmmaterial kann ein System mit Normalsteinen, Ecksteinen, Halbsteinen und Sondersteinen sowie Rahmensteinen für Bleiglasfenster, für Fernbedienungsgreifeinrichtungen und Manipulatoren oder für Schleusensysteme hergestellt werden.
Es ist bekannt, Baryt-Beton-Steine als Abschirmung einzusetzen. Diese Steine müssen aber aufwendig mit einem Haken für Hebezeuge und müssen mit einem Dekontaminationsanstrich versehen werden. Sie besitzen ein spezifisches Gewicht von 4,1 g/cm³. Eisenpulver-Epoxidharz-Steine können mit etwa dem gleichen spezifischen Gewicht von 4,3 g/cm³ wesentlich einfacher hergestellt werden, da sie keinen Dekontaminationsanstrich benötigen und außerdem wesentlich korrosionsbeständiger sind. Haken für Hebezeuge können in die Steine einfach eingeschraubt werden. Im Bereich von Kernkraftwerken können für Instandhaltungs- und Wartungsarbeiten vorzüglich flexible Abschirmungen aus Wismutpulver-Polymer- und/oder Eisenpulver-Polymersteinen eingesetzt werden. Auch bei Rückbauarbeiten von kerntechnischen Anlagen wären solche flexiblen und schnell veränderbaren Abschirmungen von Vorteil.
In Krankenhäusern werden in der Nuklearmedizin und bei der Röntgendiagnose Abschirmwände benötigt, die hervorragend hergestellt werden können aus Wismutpulver- und/oder Barytpulver- und/oder Eisenpulver-Epoxidsteinen. Insbesondere auch Abschirmschürzen sind mit dem erfindungsgemäßen Abschirmmaterial wesentlich handlicher für das medizinische Personal zu tragen, wobei die Verwendung von Silikon als Bindemittel besonders vorteilhaft ist wegen der erzielbaren sehr guten Flexibilität des Produktes.
Zurzeit sind unzählige Abschirmbehälter für Isotope mit β/γ-Strahlung für Forschungszwecke, für Krankenhäuser, für Messeinrichtungen und viele andere Anwendungen auf dem Markt. Diese Abschirmbehälter werden meistens aus Blei gefertigt und müssen mit Kraftfahrzeugen transportiert werden. Sie sind durch die Bleiabschirmung unhandlich und schwer. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Abschirmmaterials, insbesondere des erfindungsgemäßen Wismutpulver-Epoxid-Materials als Material für Behälter können diese bei gleicher Abschirmwirkung um ca. 10% leichter sein.
Besonders bei Bauteilen, wie Türen oder Abschlussdeckel ist es oft erforderlich Gewicht einzusparen, um Handhabungsabläufe einfacher zu gestalten. Auch Doppeldeckelsysteme zum Ein- und Ausschleusen können gewichtsparend erstellt werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass bei Verwendung des erfindungsgemäßen Abschirmmaterials ein zusätzlicher Korrosionsschutz nicht erforderlich ist. Bisher mussten daher Schleusensysteme, wie Doppeldeckelschleusen kostenträchtig aus Edelstahl gefertigt werden. Bekanntlich werden Flugzeugkabinen mit Bleimatten versehen, um das Flugpersonal gegen die kosmische Strahlung abzuschirmen. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Abschirmmaterials, insbesondere von Wismutpulver-Epoxidharz-Gemisch-Material oder Wismutpulver-Silikon-Gemisch-Material kann Gewicht eingespart werden.
In Kernkraftwerken oder anderen kerntechnischen Anlagen müssen oft bestehende Wände durch den Umgang mit höherer Aktivität in ihrer Abschirmwirkung verstärkt werden. Stand der Technik ist es, vor die gemauerten Wände eine Stahlkonstruktion aufzubauen und diese fest mit dem Mauerwerk zu verbinden. Dadurch kann die Abschirmwirkung des Systems örtlich durch Befestigungsbolzen oder Schrauben im Mauerwerk geschwächt werden. Dieser Nachteil wird vermieden, wenn das erfindungsgemäße Abschirmmaterial in Form von Mörtelputz auf die bestehende Wand aufgetragen wird. Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial verbindet sich mit dem Mauerwerk zu einer Einheit. Dadurch können erhebliche Kosten und Montagezeiten eingespart werden. Das Montagepersonal wird bei laufendem aktiven Betrieb weniger belastet und insgesamt können Dosisleistungsstunden in mSv- eingespart werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass auch hier korrosionsschützende Maßnahmen entfallen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN ISO 527 [0028]
- DIN ISO 604 [0028]

Claims

Abschirmmaterial zum Abschirmen von Strahlung, insbesondere von radioaktiver Strahlung, insbesondere von β/γ-Strahlen, und Röntgenstrahlung, gekennzeichnet durch ein Schwermetall-Polymer-Gemisch.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwermetall-Polymer-Gemisch ein Schwermetallpulver-Polymer-Gemisch ist.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwermetall Wismut, Eisen oder Baryt ist.
Abschirmmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallanteil des Metall-Polymer-Gemisches aus Wismutpulver, Eisenpulver oder Barytpulver oder aus einer Mischung wenigstens zweier dieser Materialien besteht.
Abschirmmaterial nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein Bindemittel ist.
Abschirmmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel Epoxidharz oder Silikon ist.
Abschirmmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Herstellung verschiedenster, dem jeweiligen Verwendungs- und Einsatzzweck angepasster Produkte und Gegenstände, wie Mauersteine für Abschirmwände, Trennwände, Platten, Systembausteine, Abschirmschürzen, Container, Abschirmbehälter verwendet wird unter Verwendung formgebender Verfahren, insbesondere Gießverfahren, sowie für die Herstellung von Beschichtungen, Putzmörtel, Rohrumhüllungen und Folien.
Abschirmmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Abschirmmaterial hergestellten Produkte und Gegenstände zur Verkürzung der Aushärtezeit einer Wärmebehandlung ausgesetzt werden.
Abschirmmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Abschirmmaterials das Schwermetallpulver (Wismutpulver und/oder Eisenpulver und/oder Barytpulver) und das Bindemittel (Epoxidharz oder Silikon) in einem Rührwerk oder Mischgerät gemischt werden.
Abschirmmaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischen bei normaler Temperatur, insbesondere Raumtemperatur erfolgt.