DE102008034395B4

DE102008034395B4 - Strahlenschutzbauwerk für einen Teilchenbeschleuniger

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Publication number: DE102008034395B4
Application number: DE102008034395A
Authority: DE
Original assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Current assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: EP2301040B1; EP2301040A1; DE102008034395A1; WO2010009833A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strahlenschutzbauwerk für strahlführende Einrichtungen (28) eines Teilchenbeschleunigers und/oder Bestrahlungsplätze an einem Teilchenbeschleuniger, umfassend: ein tragfähiges Gebäude (23) mit Betonwandungen als Seitenwände (14, 16), Decken (18) und/oder Böden (10), wobei die Betonwandungen eine erste Strahlungs-Abschirmschicht bilden, eine zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) aus einer losen oder kompaktierten Füllmasse, insbesondere Erde, an der Außenseite von zumindest einigen der Betonwandungen, wobei die Füllmasse in gewissem Maße wasserdurchlässig ist, so dass Radionuklide aus der Füllmasse ausschwemmbar wären, wobei die Betonwandungen und die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) aus der losen oder kompaktierten Füllmasse eine zumindest zweischichtige Strahlungsabschirmanordnung bilden, eine Abdichtfolie (24) für die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20), wobei die Abdichtfolie (24) die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) aus der losen oder kompaktierten Füllmasse an der Außenseite der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) umschließt und begrenzt, wobei die lose oder kompaktierte Füllmasse der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) zwischen den Betonwandungen und der Abdichtfolie (24) wasserundurchlässig eingeschlossen ist und somit die Füllmasse hydrogeologisch immobilisiert ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Strahlenschutzbauwerk für einen Teilchenbeschleuniger, und zwar für den Beschleunigertunnel und/oder für Experimentiereinrichtungen an dem Teilchenbeschleuniger, sowie Verfahren zum Bau eines solchen Strahlenschutzbauwerks.
Hintergrund der Erfindung
Die im Bauwesen bis heute weit verbreitete Methode der Strahlungsabschirmung besteht in der Anordnung von Betonbauteilen in Form von Ortbetonkonstruktionen oder Fertigteilen. Je nach Strahlenart und Strahlintensität können durch Variation von Stärke/Dicke und Rezeptur des Betons die erforderlichen Abschirmwirkungen hergestellt werden. Als Zuschlagstoffe eignen sich beispielsweise Eisengranulate, diverse Körnungen von Baryt (Schwerspat), Hämatit und Magnetit etc.
Es ist problematisch, dass Betonbauteile während ihres Aushärtungsvorgangs (Abbindezeit) eine hohe Temperatur entwickeln (Hydratationswärme). Die inneren Spannungen im Betonbauteil aus der Hydratationswärme nehmen mit zunehmender Bauteildicke stark zu, so dass so genannte Hydratationsbewehrungen in die Schalung eingelegt werden, um Verformungen und Spannungsrisse zu verhindern. Ist der Abbindevorgang abgeschlossen, hat diese Bewehrung ihre Aufgabe erfüllt. Eine Entfernung derselben ist nicht möglich und somit stellen sie einen möglichst zu vermeidenden Kostenfaktor dar. Werden durch eine hohe Strahlungsbelastung bzw. Strahlungsintensität sehr dicke Abschirmkonstruktionen notwendig, sind daher monolithische Betonkonstruktion, die Dicken von mehreren Metern aufweisen können, nachteilig.
Typischerweise wird seitens der Bewilligungsbehörden davon ausgegangen, dass am Ende der Nutzungsdauer nach dem Abklingprozess auch die Strahlungsabschirmung rückgebaut und möglichst sortenrein entsorgt wird. Somit kann bei der Wahl der Konstruktion schon im Entwurfsstadium der voraussichtliche Aufwand für Lösen, Trennen und Aufteilen in Entsorgungsanteile und Recycling-Anteile bedacht werden. Hierbei sind insbesondere dicke Betonkostruktionen mit entsprechenden Zuschlagstoffen schwierig zu trennen.
In der DE 103 27 466 A1 wird ein Baukörper für Strahlenschutzbauwerke beschrieben, bei welchem die Gebäudeteile aus Stahlbeton hergestellt sind und eine Schicht des Gebäudeteils aus Strahlenschutzmaterial und eine weitere Schicht aus Beton hergestellt ist. Der in der DE 103 27 466 A1 beschriebene Aufbau wird daher als sandwichartig bezeichnet.
Die Anmelderin plant derzeit einen Teilchenbeschleuniger in Form eines Synchrotrons im Rahmen des FAIR-Projekts (FAIR = Facility for Anti-Proton and Ion Research). Im Doppelsynchrotron SIS 100/300 werden Protonen und Ionen bis Uran auf höchste Energien von bis zu etwa 100 GeV bzw. 35 GeV pro Nukleon beschleunigt. Das Synchrotron hat einen Umfang von etwa 1,1 km. Die Stärke der Abschirmung wird daran orientiert, wie hoch die Strahlverluste in den einzelnen Bereichen des Beschleunigers sind, wie hoch deren Energien sind und welche Grenzwerte der jeweiligen Strahlenschutzgesetzgebung einzuhalten sind. In Bereichen mit erhöhten Strahlverlusten wird hochenergetische Sekundärstrahlung erzeugt. Es handelt sich hierbei insbesondere um Gammastrahlung und Neutronenstrahlung. Mit höherer Energie des Primärstrahls können jedoch auch zunehmend andere Arten der unerwünschten Strahlung, wie z. B. Myonenstrahlung oder Pionenstrahlung auftreten. Diese Sekundärstrahlung muss demnach wirksam abgeschirmt werden. Aufgrund der hohen Strahlungspegel wird der SIS 100/300 wie auch andere Hochenergiebeschleuniger unterirdisch angeordnet. Der Beschleuniger selbst ist dann in einem unterirdischen Tunnel positioniert. Hierbei ist das Strahlenschutzbauwerk so zu wählen, dass die Dosisleistung an zugänglichen Stellen, z. B. an der Erdoberfläche, vorbestimmte, z. B. gesetzliche vorgegebene Grenzen nicht überschreitet (in mSv/a oder μSv/h).
Teilchenbeschleuniger können demnach eine beträchtliche Größe erreichen, so dass Kostenaspekte eine besondere Wichtigkeit erlangen. Mit wachsender Energie des in dem Beschleunigerstrahlrohr umlaufendenden Teilchenstrahls (Primärstrahl) erhöht sich typischerweise die Intensität und Maximalenergie der unerwünschten Sekundärstrahlung, die an die Umwelt abgegeben werden kann.
Die Herstellkosten für Strahlenschutzbauwerke von Hochenergie-Teilchenbeschleunigern sind aufgrund deren Größe ebenfalls beträchtlich und setzen sich aus Material-, Lohn- und Planungsanteilen zusammen. Sind z. B. niedrige Materialkosten mit einer Vielzahl an Arbeitsgängen verbunden, wie sie bei Sandwich-Konstruktionen anfallen können, kann ein möglicherweise vorhandener Vorteil niedriger Materialkosten ggf. überkompensiert werden.
Ferner sind viele Abschirmkonzepte nicht für Beschleunigeranlagen konzipiert und müssen ggf. rückgebaut werden, wenn die Anlage außer Betrieb genommen wird.
Es stellt sich nun das Problem, dass Erde, die nicht hinreichend abgeschirmt ist, aktiviert werden kann. Wenn dann ein Wasseraustausch zwischen aktiviertem Erdreich und der weiteren Umgebung stattfindet, können aktivierte Stoffe (Radionuklide) aus der Erde ausgeschwemmt werden. Auf der anderen Seite darf die Strahlenbelastung des Grundwassers gewisse Grenzwerte nicht überschreiten, da eine Strahlenexposition durch die Nahrungskette, z. B. Transport des radioaktiven Wassers in landwirtschaftlich genutzte Bereiche oder direkt durch Verwendung des Wassers als Trinkwasser zu begrenzen ist.
Grundwasser ist jedoch nicht statisch zu betrachten, sondern unterliegt ebenfalls unterirdischen Strömungen. Die Erfinder haben nun herausgefunden, dass insbesondere bei unterirdischer Bauweise, abhängig von den geologischen Gegebenheiten, die Migration von Radionukliden durch den Grundwasser-Austausch in und aus strahlenbelasteter Erde problematisch sein kann.
Aufgrund der hauptsächlich durch Neutronenstrahlung verursachten Radioaktivität ist zu unterscheiden, welche Radionuklide mit welcher Aktivität erzeugt werden. So wird z. B. die kurzlebige Radioaktivität entsprechend der Aktivierungsgleichung sehr schnell in Sättigungsaktivität erzeugt. Sie stellt jedoch kein relevantes Expositionspotenzial dar, denn die Transportzeiten der Radionuklide sind so hoch, dass diese zerfallen sind bis sie an entsprechende Orte wie z. B. Brunnen gelangen können. Umgekehrt sind sehr langlebige Radionuklide in ihrem Niveau der Aktivierung – aufgrund des langsamen Aufbaus – so gering, dass sie typischerweise in der Bilanz keine Rolle spielen. Einen relevanten Beitrag zur Radioaktivität an den Referenzorten wie z. B. Brunnen bilden vor allem Radionuklide mit mittlerer Halbwertszeit. Beispiele von Radionukliden in der Erde mit mittlerer Halbwertszeit sind 7-Be, 46-Sc, 45-Ca, 54-Mn, 22-Na, 60-Co, 3-H, 152-Eu und 154-Eu.
Daher werden die Tunnelröhren aus Beton bislang typischerweise erheblich stärker gebaut, als die reinen statischen Gegebenheiten dies erfordern würden, um die umgebende Erde soweit wie möglich vor einer Belastung durch die Sekundärstrahlung zu schützen, so dass im Wesentlichen eine monolithische Betonabschirmung vorliegt. Dies führt jedoch zu einer Verteuerung des Abschirmkörpers.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein Strahlenschutzbauwerk für einen Teilchenbeschleuniger bereit zu stellen, welches die entstehende Sekundärstrahlung wirksam abschirmt, welches einfach und kostengünstig aufzubauen ist und welches stabil und langlebig ist und ggf. nicht rückgebaut zu werden braucht.
Eine spezifischere Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Strahlenschutzbauwerk bereit zu stellen, welches vor einer überhöhten Strahlenbelastung des Grundwassers auch bei unterirdischen Strömungen im Grundwasser schützt.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Strahlenschutzbauwerk für einen Teilchenbeschleuniger bereit gestellt, welches insbesondere dafür vorgesehen ist, den langgestreckten, z. B. ringförmigen Strahlrohrtunnel eines Beschleunigers, in dem das Strahlrohr des Beschleunigers aufgebaut ist, zu bilden bzw. abzuschirmen. Der Beschleuniger kann selbstverständlich auch ein Speicherring für vorbeschleunigte energetische Teilchen sein. Es ist jedoch ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Bauweise auch für Experimentierplätze, d. h. Bestrahlungsplätze (sogenannte Caves) und Strahlvernichter (sog. ”Beam Dump”) angewendet werden kann. Ggf. wird man sowohl den Strahlrohrtunnel des Beschleunigers und die Experimentierplätze integral mit der erfindungsgemäßen Strahlungsabschirmung versehen, daher wird im Folgenden von einem Gebäude gesprochen.
Das Gebäude besitzt allseitig stabile Betonwandungen, z. B. aus Stahlbeton, als Decken, Seitenwände und/oder Böden, derart dass das Gebäude Last-tragend ist und eine massive Überdeckung z. B. mit Erdmaterial statisch abfangen kann. Auf der anderen Seite ist die Dicke der Betonwandungen so gering, dass sie alleine keine hinreichende Abschirmwirkung besitzen würden, um die zulässigen Grenzwerte einzuhalten. Die Dicke der Betonwandungen orientiert sich also im Wesentlichen lediglich an den statischen Anforderungen. Daher bilden die Betonwandungen des Gebäudes zwar eine erste Strahlungs-Abschirmschicht, die aber lediglich einen Bruchteil der Gesamt-Strahlungsabschirmung des Strahlenschutzbauwerks bewirkt.
Zusätzlich zu den Betonwandungen des Gebäudes ist noch eine zweite Strahlungs-Abschirmschicht vorgesehen, welche das Beton-Gebäude umgibt. Diese zweite Strahlungs-Abschirmschicht wird dadurch erzeugt, dass loses Füllmaterial um das Gebäude herum angefüllt wird. Die Betonwandungen des Gebäudes besitzen demnach einerseits eine Mindestwandstärke, welche hinreichend ist, um tragfähig zu sein, die Wandstärke der Betonwandungen ist jedoch nicht groß genug, um alleine eine hinreichende Abschirmwirkung gegen die von dem Teilchenbeschleuniger ausgehende Sekundärstrahlung zu bewirken, so dass keine vollständig monolithische Betonabschirmung vorliegt. Somit bilden die Betonwandungen und die zweite Strahlungs-Abschirmschicht eine zweischichtige Strahlungsabschirmanordnung.
Es ist allerdings möglich, die Bodenplatte des Gebäudes erheblich dicker als die Seitenwände und die Decke auszuführen, so dass die Bodenplatte im Wesentlichen einer monolithischen Bauweise entspricht und die zweite Strahlungs-Abschirmschicht nur an den Seitenwänden und über der Decke des Gebäudes vorgesehen ist. Somit umfasst das Strahlenschutzbauwerk zumindest im Bereich der Seitenwände und/oder der Decke die erfindungsgemäße zweischichtige Anordnung. Vorzugsweise weist das Gebäude hierfür eine Wandstärke der Beton-Seitenwände und Beton-Decke von etwa 0,5 m bis 2 m, bevorzugt zwischen 1 m und 1,5 m auf. Vorzugsweise bilden die Seitenwände und die Decke ein tragfähiges, aber schlankeres Gewölbe, welches auf der stärkeren Bodenplatte aufsteht.
Die zweite Strahlungs-Abschirmschicht erstreckt sich demnach im Fall eines Tunnelbauwerks als Gebäude entlang der Längsrichtung des Tunnelbauwerks und zwar im Querschnitt zumindest in den Sektoren beidseits seitlich des Tunnelbauwerks und oberhalb des Tunnelbauwerks, so dass die zweite Strahlungs-Abschirmschicht die Form einer sich längs entlang dem Tunnelbauwerk erstreckenden Haube um das Tunnelbauwerk besitzt. Die Füllmasse wird als loses Füllmaterial eingefüllt und optional verdichtet oder kompaktiert. Die Füllmasse besteht also nicht aus zu einem festen Bauteil abgebundenem Baumaterial, wie Beton oder Gips, sondern bleibt lose oder kompaktiert. Die Füllmasse bleibt also dauerhaft eine verfüllbare oder verformbare Masse. Vorzugsweise wird Erde als Füllmasse verwendet, insbesondere diejenige Erde, die vor Ort vorhanden ist, also insbesondere die Erde, die beim Ausschachten des Tunnels anfällt. Die Erde wird vorzugsweise in einem feuchten Zustand verwendet. Zweckmäßig bleibt einfach die in der Erde natürlich vorhandene Feuchtigkeit erhalten. Die Füllmasse ist aber insbesondere nicht unverfüllte, d. h. unbewegte Erde. Die Füllmasse wird also gezielt in den Bereich, der die zweite Strahlungs-Abschirmschicht bildet, eingefüllt. Alternativ zur Erde oder als Zusätze kommen auch Sand, Kies, Kalk, Schluff oder Ton bzw. Tonerde oder Mischungen hieraus, z. B. sandiger Schluff in Betracht.
Die zweite Strahlungs-Abschirmschicht weist nun eine Mindestdicke auf, welche so gewählt ist, dass die zweischichtige Anordnung aus der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht und den Betonwandungen des Gebäudes eine hinreichende Abschirmwirkung für die Sekundärstrahlung aus dem Teilchenbeschleuniger besitzt. Erde bzw. Erdaushub besitzt im verdichteten Zustand (1,8 g/cm³) eine Abschirmwirkung im Bereich von etwa dem 0,8-fachen von Normalbeton (Dichte 2,3 g/cm³). Daher wird die Dicke der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht mindestens etwa mit dem 1,3-fachen einer entsprechenden Betonabschirmung gewählt. Im unverdichteten Zustand muss die Schichtdicke entsprechend vergrößert werden. Vorzugsweise beträgt die Mindestdicke der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 1 m.
Um einen Erdmantel als zweite Strahlungs-Abschirmschicht zu verwenden, wird zunächst eine Charakterisierung von verschiedenem Bohrkernmaterial, möglichst von mehreren Bohrlöchern bis hin zur Elementeverteilung vorgenommen. Anhand der Elementeverteilung wird die Abschirmwirkung und Aktivierbarkeit ermittelt. Ferner wird ermittelt, welche Radionuklide in das Grundwasser übergehen könnten. Hierzu wird auch das vorhandene Grundwasser charakterisiert.
Um die zweite Strahlungs-Abschirmschicht herum ist eine hydrogeologisch immobilisierende Abdichtfolie vorgesehen, welche die zweite Strahlungs-Abschirmschicht bzw. den Erdmantel im Wesentlichen vollständig einschließt und sich entlang der Längsrichtung des Gebäudes erstreckt. Die Abdichtfolie bildet eine wasserundurchlässige dünne Abdichtschicht oder Membran ohne wesentliche statische Funktion, die hauptsächlich dazu dient, die Füllmasse wasserundurchlässig einzuschließen, so dass die Abdichtfolie die Migration von Radionukliden aus der Füllmasse verhindert. Zweckmäßig besteht die Abdichtfolie insbesondere aus einer handelsüblichen Kunststofffolie. Die Dicke der Kunststofffolie ist so gewählt, dass sie den mechanischen Belastungen beim Verfüllen und möglichen geologischen Bewegungen sowie Belastungen durch Flora und Fauna standhalten kann. Dies lässt sich mit herkömmlichen Kunstofffolien mit einer Stärke im Bereich von etwa 0,5 mm bis 10 mm erreichen. Besonders bevorzugt sind hochdichte Polyethylen-Folien, sogenannte PE-HD-Folien mit einer Folienstärke im Bereich von etwa 1 mm bis 3 mm. Derartige Kunststofffolien werden auch auf Mülldeponien verwendet, weshalb diese Folien auch als Deponie-Folien bezeichnet werden. Solche Kunststofffolien sind langzeitbeständig, und unverrottbar bis zu 100 Jahren. Je nach Dicke der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht kann es ferner vorteilhaft sein, ein Folienmaterial zu wählen, welches in gewissem Maße strahlenresistent ist.
Die wasserundurchlässige Kunststofffolie begrenzt somit die zweite Strahlungs-Abschirmschicht nach außen und bildet einen wasserundurchlässigen Dicht-Mantel, der den Erdmantel umgibt, vorzugsweise in Form einer wasserundurchlässigen Haube oder Röhre. Mit anderen Worten wird mittels der Abdichtfolie ein wasserdichtes Kompartiment zumindest teilweise um das Gebäude herum gebildet, in das die Erde, welche die zweite Strahlungs-Abschirmschicht bildet, eingeschlossen ist. Das wasserdichte Kompartiment ist ein mittels der Kunststofffolie wasserdicht abgetrennter Raum.
Die Abdichtung mit der Abdichtfolie kann insbesondere in zwei Ausführungsformen ausgestaltet sein:

1) Die Abdichtfolie bildet eine ringförmig geschlossene Abdichtröhre, welche das Gebäude einschließlich seiner Bodenplatte und die das Gebäude umgebende zweite Strahlungs-Abschirmschicht aus loser oder kompaktierter Füllmasse im Querschnitt vollständig umschließt.
2) Die Abdichtfolie besitzt einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt und umgibt das Gebäude und die das Gebäude umgebende zweite Strahlungs-Abschirmschicht aus loser oder kompaktierter Füllmasse im Querschnitt beidseits seitlich und oberseitig, so dass die Abdichtfolie die Form einer nach unten offenen Abdichthaube oder einer überkopf stehenden Rinne aufweist. Vorzugsweise wird die Abdichthaube entlang dem Tunnelbauwerk mit dem Tunnelbauwerk selbst, z. B. mit dessen Bodenplatte wasserundurchlässig verbunden, so dass Teile des Tunnelbauwerks den unterseitigen Abschluss der Abdichthaube bilden. Hierfür ist die Verwendung von wasserundurchlässigem Beton, sogenanntem WU-Beton für diejenigen Teile des Tunnelbauwerks, die nicht von der Folie umschlossen sind, also z. B. für die Bodenplatte vorteilhaft. Ferner ist es bei dieser Ausführungsform bevorzugt, die Bodenplatte des Tunnelbauwerks erheblich dicker auszuführen als das Tunnelgewölbe, da das Erdreich unter der Bodenplatte nicht hydrogeologisch immobilisiert ist.

Im Querschnitt werden demnach zumindest die Sektoren beidseits an den Seiten und oberseitig der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht wasserundurchlässig umschlossen. Die Abdichtschicht bildet also – gegebenenfalls zusammen mit Teilen des Tunnelbauwerks – ein Kompartiment, in welches die Erde eingefüllt ist, um die zweite Strahlungs-Abschirmschicht bzw. den Erdmantel zu bilden. Das Kompartiment wird nach außen mehrseitig, insbesondere zumindest beidseits und an der Oberseite von der Kunststofffolie begrenzt. An der Innenseite wird das Kompartiment durch das Gebäude begrenzt. Mit anderen Worten umhüllt das Kompartiment mit der hierin eingebrachten Füllmasse das Gebäude an mehreren Seiten. Ferner weist der Strahlenschutzkörper also zumindest eine dreischichtige Anordnung aus i) den Betonwandungen, ii) der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht aus Erde und iii) aus der Abdichtfolie auf, wobei die drei Schichten den abzuschirmenden Raum mit den Bauteilen, von denen die Strahlung ausgeht, im Wesentlichen koaxial umschließen.
Die Abdichtfolie verhindert demnach die Ausschwemmung von ausschwemmbaren Stoffen aus der losen oder kompaktierten Füllmasse in dem wasserundurchlässigen Kompartiment. Dies können z. B. Bestandteile der Füllmasse selbst sein oder Stoffe die z. B. in gelöster Form durch Grund- und/oder Regenwasser in die Füllmasse eingetragen werden könnten, wenn die Abdichtung nicht vorhanden wäre. Insbesondere kann also der Transport von eluierten Radionukliden verhindert werden. Die Abdichtfolie verhindert somit, dass radioaktive Isotope, die in der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht durch die abgeschirmte Strahlung in der Füllmasse erzeugt werden, ins Grundwasser gelangen können.
Die hydrogeologische Immobilisierung kann zusätzlich zu der Abdichtung durch die Kunststofffolie noch durch Beimischung von bestimmten Zusatzstoffen, welche die Migration von Radionukliden in der Füllmasse erschweren, verbessert werden.
Grundsätzlich weist das Strahlenschutzbauwerk somit eine mehrschichtige Strahlungsabschirmung auf, wobei die erste Strahlungs-Abschirmschicht von den Betonwandungen des Tunnelbauwerks und die zweite Strahlungs-Abschirmschicht von der Erdschicht um das Tunnelbauwerk herum gebildet wird, wobei die Erdschicht der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht einen Mantel bildet, der nach außen von der Abdichtfolie begrenzt wird. Die radiale Schichtfolge der Abschirmanordnung ist demnach von innen nach außen: Erste Abschirmschicht, gebildet von den Betonwandungen; Erdmantel; und Kunststofffolie zur hydrogeologischen Abdichtung. Vorzugsweise ist die Strahlungsabschirmwirkung der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht größer als die der ersten Strahlungs-Abschirmschicht. Mit anderen Worten ist die zweite Strahlungs-Abschirmschicht umgerechnet in Beton-Äquivalent dicker (vorzugsweise mindestens um einen Faktor 2) als die erste Strahlungs-Abschirmschicht, das heißt die Betonwandungen.
Im Gegensatz zu den in der Einleitung beschriebenen bekannten Abschirmkonzepten, nämlich monolithische Bauweise oder Sandwichbauweise, benötigt das erfindungsgemäße Strahlenschutzbauwerk lediglich eine einzige Schicht von Last-tragenden Wandungen mit einer Wandstärke, die im Wesentlichen lediglich durch statische Randbedingungen festgelegt ist. Die Betonwandungen besitzen daher eine Dicke, die im Wesentlichen nicht größer ist, als dies ausschließlich aufgrund der statischen Anforderungen notwendig ist. Ein wesentlicher Teil der Abschirmwirkung wird folglich durch die zweite Strahlungs-Abschirmschicht aus loser oder kompaktierter, aber nicht statisch tragender Füllmasse, erzielt.
Es ist ein Vorteil dieser Anordnung, dass der Aufbau einfach ist und dass die Dicke der Betonwandungen gegenüber einer vollständig monolithischen Bauweise reduziert werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass die Einbringung von Fremd-Material für die Abschirmung, welches bei den bisher bekannten Konzepten teilweise unter hohem Aufwand produziert und transportiert werden muss, verringert werden kann. Füllmasse in Form von Erde ist am Standort vorhanden bzw. wird im Rahmen der Baumaßnahmen durch die Errichtung von Gebäuden ohnehin frei verfügbar, so dass diese Erde als Abschirmmaterial verwendet werden kann. Da ohnehin Aufwand betrieben werden muss, um die radiologischen Auswirkungen des Betriebs der Beschleunigeranlage (Aktivierungen) zu untersuchen, erspart man sich zudem die zusätzlichen Aktivierungsanalysen des einzubringenden Fremd-Materials, so dass unter Umständen der Aufwand für Material-Untersuchungen reduziert werden kann.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Strahlenschutzbauwerks besteht darin, dass ein großer Teil der Abschirmanordnung, nämlich die Erde der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht, nach Beendigung der Nutzung der Anlage nicht aufwändig abgebaut werden muss. Es genügt zu überprüfen (z. B. jährlich), ob außerhalb der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht die Aktivierung auf einem niedrigen Niveau bleibt. Es muss lediglich der radioaktive Zerfall abgewartet werden. Die längste Halbwertszeit für die vorstehend genannten Radionuklide beträgt 12,3 Jahre für 3-H und 13,3 Jahre für 152-Eu.
Die Art und Intensität der abzuschirmenden Sekundärstrahlung kann von Ort zu Ort am Beschleuniger variieren. Darauf kann bei der Erfindung dadurch reagiert werden, dass sehr einfach die Dicke der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht lokal an die Art und Intensität der Sekundärstrahlung angepasst werden kann. Somit ist die Dicke der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht an unterschiedlichen Stellen des Gebäudes, insbesondere entlang der Längsachse des Tunnelbauwerks ggf. unterschiedlich. Die diesbezügliche Variablilität des Strahlenschutzbauwerks ist demnach ebenfalls von Vorteil.
Vorzugsweise ist die Abdichtfolie vollständig mit einer Überdeckungsschicht ebenfalls aus Erde überdeckt. Dadurch ist die Abdichtfolie z. B. vor Sonnenstrahlung und ungewollter Beschädigung beim Betreten/Befahren der Fläche über dem Strahlenschutzbauwerk geschützt. Insbesondere bei der Verwendung für ein unterirdisches Strahlenschutzbauwerk ist es vorteilhaft, die Überdeckungsschicht ihrerseits mit einer Warn- und Schutzschicht zu überdecken. Dies kann z. B. eine farbig auffällige Folie oder eine Estrichschicht sein, die weiter außen oder oben in einem gewissen Abstand zur Abdichtfolie verläuft. Dies verhindert, dass die Abdichtfolie bei Bauarbeiten versehentlich verletzt wird, da vorher auf die Warn- und Schutzschicht gestoßen wird.
Insbesondere bei einem langen Tunnelbauwerk ist es vorteilhaft, mehrere sich entlang der Längsrichtung der Tunnelröhre erstreckende Folienbahnen zu verwenden, die vor Ort wasserundurchlässig verschweißt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 einen Querschnitt senkrecht zur Strahlachse eines unterirdischen Strahlenschutzbauwerks gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
1a)–1d) schematische Querschnitte zur Darstellung der Verbindung der Kunstststofffolie mit der Beton-Bodenplatte bei dem Strahlenschutzbauwerk gemäß 1.
2 einen Querschnitt senkrecht zur Strahlachse eines unterirdischen Strahlenschutzbauwerks gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
3 einen Querschnitt senkrecht zur Strahlachse eines unterirdischen Strahlenschutzbauwerks gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
4 einen Querschnitt senkrecht zur Strahlachse eines oberirdischen Strahlenschutzbauwerks gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
5 einen vergrößerten Horizontalschnitt im Bereich der Spundwand,
5a)–5d) schematische Horizontalschnitte zur Darstellung des Aufbaus entlang der Spundwand,
6 einen Querschnitt senkrecht zur Strahlachse durch ein Strahlenschutzbauwerk für einen Experimentierplatz,
7 einen schematischen Querschnitt durch ein Strahlenschutzbauwerk mit Ausschnittsvergrößerung des Strahlrohres,
8a) einen schematischen Horizontalschnitt durch ein Strahlenschutzbauwerk mit einem gekrümmten Strahlrohrtunnel,
8b) Isodosislinien gemäß einer Simulationsrechnung zu dem Beispiel aus 8a).
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt zwei Spundwände 2, 4, welche zunächst senkrecht in einem Abstand von 10 m in den Erdboden getrieben werden. Anschließend wird die Grube 6 zwischen den beiden Spundwänden 2, 4 bis zu dem Grundniveau 8 vollständig ausgeschachtet. Auf dem Grundniveau 8 wird eine 2 m dicke Beton-Bodenplatte 10 aus WU-Beton auf den Boden des Grundniveaus 8 betoniert, wie nachstehend anhand der 1a) bis 1d) noch detaillierter erläutert wird.
Auf der Bodenplatte ist ein Betongewölbe 12, welches aus zwei Seitenwänden 14, 16 und einer Decke 18 besteht, aufgesetzt. Die Beton-Bodenplatte 10 ist mit einer Dicke von 2 m gegenüber den Wandungen 14, 16, 18 des Beton-Gewölbes 12 (in diesem Beispiel: Dicke 0,5 m) verstärkt. Die Beton-Bodenplatte 10 ist an den beiden Seiten 10A, 10B auf eine Dicke von etwa 1 m abgestuft.
Das Beton-Gewölbe 12 ist mit einer Abschirmschicht 20 aus Erde jeweils links und rechts seitlich und oberhalb des Beton-Gewölbes 12 umgeben. Die Stärke dieses Erdmantels 20 beträgt in diesem Beispiel links und rechts des Beton- Gewölbes 12 2 m und oberhalb des Beton-Gewölbes 12 3 m. Das Beton-Gewölbe 12 und die hieran angrenzende Erdschicht 20 bilden in Bezug auf die aus dem Innenraum 22 des Tunnelbauwerks 23 austretende Sekundärstrahlung eine zweischichtige Abschirmanordnung, wenngleich die Wandungen des Beton-Gewölbes 12 im Wesentlichen auf ihre statische Funktion hin optimiert sind. Der Erdmantel, welcher die zweite Strahlungs-Abschirmschicht 20 bildet, wird beidseits an den Seiten links und rechts sowie oberseitig von einer Kunststofffolie begrenzt und wasserundurchlässig eingeschlossen. Die Kunststofffolie 24 bildet demnach eine im Wesentlichen umgekehrte U-förmige Abdichthaube 26. Die Abdichthaube 26, bestehend aus der Kunststofffolie 24, ist in diesem Beispiel mit ihrer offenen Unterseite an den beiden Seiten 10A, 10B der Beton-Bodenplatte 10 wasserundurchlässig verbunden, z. B. wie nachfolgend in 1d) dargestellt. Demnach bildet die Abdichthaube 26 gemeinsam mit dem Gebäude 23 eine sich quer zur Zeichen-Ebene, das heißt entlang des Strahlrohrs 28 erstreckende wasserundurchlässige U-förmige Röhre als Kompartiment 19 für die Erde der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 20. Mit anderen Worten entsteht im Wesentlichen eine koaxiale Anordnung des Strahlrohrs 28 in dem Tunnelinnenraum 22, dem Beton-Gewölbe 12, der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 20 und der Abdichthaube 26 in dieser Reihenfolge.
Sekundärstrahlung, die aus dem Strahlrohr 28 in die obere Hemisphäre austritt, wird zunächst von den relativ dünnen Betonwandungen 14, 16, 18 etwas abgeschirmt. Diese Abschirmung alleine genügt jedoch noch nicht, um die Strahlenschutz-Anforderungen zu erfüllen. Die Hauptabschirmwirkung, zumindest aber ein erheblicher Teil der Abschirmungwirkung wird durch die zweite Strahlungs-Abschirmschicht 20 aus Erde erzielt. Die Abdichthaube 26 beziehungsweise Kunststofffolie 24, welche die Erdschicht 20 im Wesentlichen wasserundurchlässig einschließt, verhindert aber, dass aktivierte Bestandteile oder Stoffe aus der Erde ausgeschwemmt werden können.
Der Aufbau des Strahlenschutz-Bauwerkes in diesem Beispiel wird wie folgt durchgeführt. Zunächst werden die Spundwände 2, 4 in den Boden gerammt. Nachfolgend wird die Grube 6 bis zum Grundniveau 8 ausgeschachtet. Nachfolgend werden seitliche Kunststofffolienbahnen 24A, 24B an den zugehörigen Spundwänden 2, 4 befestigt. Nach dem Aufbau des Gebäudes 23 und der Verbindung mit der Kunststofffolie 24 (vgl. 1a) bis 1d)) wird Erde in die Grube 6 zwischen den Kunststofffolienbahnen 24A, 24B eingefüllt, das heißt jeweils zwischen den Kunststofffolienbahnen 24A und der Seitenwand 14 sowie der Kunststofffolienbahn 24B und der Seitenwand 16 und weiter oberhalb der Decke 18 des Beton-Gewölbes bis zu dem Niveau 29 der Oberseite der hierbei erzeugten zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 20. Anschließend wird mit einer weiteren Kunststofffolienbahn 24C die Oberseite der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 20 an dem Niveau 29 abgedeckt. Anschließend werden die Kunststofffolienbahnen 24A, 24B, 24C an den jeweiligen Kanten 24D, 24E entlang der Längsrichtung wasserundurchlässig miteinander verschweißt, so dass die wasserundurchlässige Abdichthaube 26 entsteht. Alternativ können die beiden Kunststofffolienbahnen 24A und 24B auch mit einer hinreichenden Breite vorgesehen sein, dass diese auf die Oberseite der Erdschicht 20 an dem Niveau 29 umgeklappt, aufgelegt und miteinander verschweißt werden können. Ggf. können Mehrfachverschweißungen von Vorteil sein. Die Abdichtfolie 24 wird im verschweißten Zustand also auf der einen Seite von der Bodenplatte 10 hochgeführt und auf der anderen Seite wieder bis an die Bodenplatte zurückgeführt.
Anschließend wird die Kunststofffolie 24, in diesem Beispiel lediglich oberseitig, mit einer Überdeckungsschicht 30 aus Erde überdeckt. Auf die Überdeckungsschicht 30 wird wiederum eine Warn- und Schutzschicht 32 aufgelegt. Dieser Zwischenzustand ist in 1 dargestellt.
Anschließend wird der verbleibende Teil der Grube 6 bis zum Bodenniveau 34 mit Erde aufgefüllt. Vorher werden noch die Zuganker 3, 5 gelöst, damit nach der vollständigen Auffüllung die Spundwände 2, 4 wieder herausgezogen werden können.
Die 1a) bis 1d) zeigen den Aufbau und Anschluss der Kunststofffolie 24 an die Bodenplatte 10 des Gebäudes 23. Bezug nehmend auf 1a) wird zunächst nach dem Ausheben der Grube 6 im herkömmlicher Weise eine Schutz- und Sauberkeitsschicht 52 auf den Boden 6a der Grube 6 aufgebracht, auf welcher später die Bodenplatte 10 gegossen werden kann.
Bezug nehmend auf 1b) wird auf der Oberseite der Schutz- und Sauberkeitsschicht 52 eine Stirnschalung 54 zum Gießen der Bodenplatte 10 sowie innenliegend beabstandet von der Stirnschalung 54 eine Befestigungsleiste 56, z. B. aus Kunststoff zum Befestigen der Kunststofffolie 24 befestigt. In diesem Beispiel beträgt der Abstand zwischen der Stirnschalung 54 und der Kunststoffleiste 56 etwa 30 cm.
Bezug nehmend auf 1c) wird nachfolgend die Kunststofffolie 24, bzw. eine Bahn hiervon, auf die Schutz- und Sauberkeitsschicht 52 aufgelegt und L-förmig an die Stirnschalung 54 angelegt. Insbesondere wird die Kunststofffolie 24 an der Kunststoffleiste 56 befestigt, z. B angeklebt. Die Kunststofffolie 24 wird optional, ggf. beidseits, mit einer temporären Schutzfolie 58 vor Beschädigungen beim späteren Vergießen mit Beton geschützt.
Bezug nehmend auf 1d) wird nachfolgend die Beton-Bodenplatte 10 in die durch die Schutz- und Sauberkeitsschicht und Stirnschalung gebildete und mit der Kunststofffolie 24 zumindest teilweise ausgeschlagene Schalungswanne vor Ort gegossen (Die Abstufung der Bodenplatte ist der Einfachheit halber in 1d) nicht dargestellt). Nachfolgend wird die Stirnschalung entfernt und der freigewordene senkrechte Teil der Kunststofffolie 24 kann umgeklappt werden, um mit weiteren Bahnen der Kunststofffolie 24 verbunden zu werden. Somit reicht die Kunststofffolie 24 bis unter die Bodenplatte 10 und ist sicher und wasserdicht mit dieser verbunden.
Ein Vorteil der Erfindung liegt also darin begründet, dass das Betongebäude oder Tunnelbauwerk 23 unabhängig von der benötigten Abschirmwirkung im Extremfall lediglich nach statischen Gesichtspunkten hin dimensioniert zu werden braucht. Dadurch können die Betonwandungen 14, 16, 18 auch bei intensiver und hochenergetischer Strahlung relativ dünn mit geringem Schalungs- und Bewehrungsaufwand hergestellt werden. Ggf. wird jedoch eine Mindestmasse des Betongebäudes oder eine entsprechende geotechnische Verankerung des Betongebäudes im Erdreich vorgesehen sein, um eine unterirdische Verschiebung des Betongebäudes zu begrenzen. Falls es die Nutzung erlaubt, kann auch vom üblichen Rechteckquerschnitt abgewichen werden und die Querschnittsform an günstigere Modelle der Lastabtragung, z. B. ein im Querschnitt rundes Tunnelbauwerk, angepasst werden.
Das Betongebäude 23 kann also mit so dünnen Wandungsstärken ausgeführt werden, dass die Strahlenbelastung unmittelbar an der Außenwand des Betongebäudes die zulässigen Grenzwerte für die spezifische Aktivität des Wassers überschreiten. Bei einem derartigen Strahlenschutzbauwerk ist besonderes Augenmerk auf die Isotope 55-Fe, 54-Mn und 22-Na zu richten. Es können also bei dem erfindungsgemäßen Strahlenschutzbauwerk im Betrieb unmittelbar an der Außenwand des Betongebäudes folgende Grenzwerte für die spezifische Aktivität des Wassers überschritten werden:

55-Fe: > 1 × 10⁵ Bq/cbm,

54-Mn: > 2 × 10⁵ Bq/cbm, und/oder

22-Na: > 4 × 10⁴ Bq/cbm.
Erste Berechnungen haben ergeben, dass bei einem Szenario mit 10% Primärstrahlverlust unmittelbar an der Außenwand des Betongebäudes 23 die spezifische Aktivität des Wassers sogar folgende Werte erreichen könnte:

55-Fe: > 1 × 10⁶ Bq/cbm,

54-Mn: > 2 × 10⁶ Bq/cbm,

22-Na: > 4 × 10⁵ Bq/cbm.
An der strahlenschutzrechtlich relevanten Stelle, nämlich unmittelbar an der Außenseite der Abdichtfolie 24 werden die zulässigen Grenzwerte aber eingehalten, dadurch dass die Erdschicht 20 eine Abschirmwirkung von mindestens ein, zwei oder mehr Größenordnungen besitzt. An dieser Stelle sollten zumindest die folgenden Grenzwerte unterschritten werden:

55-Fe: < 3 × 10⁴ Bq/cbm,

54-Mn: < 5 × 10⁴ Bq/cbm, und/oder

22-Na: < 1 × 10⁴ Bq/cbm.
Im Falle eines oberirdischen Strahlenschutzbauwerks (4) werden zusätzlich die Grenzwerte für die Dosisleistung eingehalten. An der Außenseite des Strahlenschutzbauwerks wird demnach eine Dosisleistung von < 0,7 mSv/a erreicht, wohingegen an der Außenseite des Betongebäudes 23 noch eine Dosisleistung von > 10 mSv/a oder > 1 Sv/a vorliegen kann. An dieser Stelle kann die Dosisleistung je nach Ausführung sogar > 1 Sv/h betragen.
Die zweite Strahlungs-Abschirmschicht 20 besteht hauptsächlich aus dem ausgeschachteten Erdboden, wobei eine übliche Position aus den Leistungsbeschreibungen des Gewerks Erdarbeiten herangezogen werden kann. Zu kontrollieren sind im Wesentlichen lediglich der Feuchtegehalt und das Maß der Verdichtung. Sind die Wiedereinbaueigenschaften des beim Baugrubenaushub gelösten und seitlich zwischengelagerten Bodens unzureichend, können Vergütungen, Beimischungen anderer Bodenarten wie Kies und/oder Sand mit herkömmlichen Verfahren durchgeführt werden.
Die allseitige wasserundurchlässige Umhüllung des Abschirmkörpers verhindert den Austausch von Ionen von innen nach außen und von fließendem Umgebungswasser von außen nach innen. Die Abdichtfolie 24 stellt sicher, dass aktivierte Stoffe in der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 20 hydrogeologisch immobilisiert sind. Die außerhalb der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 20 befindliche Erde wird mittels der Abdichtfolie 24 von der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 20 hydrogeologisch getrennt. Die Abdichtfolie 24 bildet ggf. unter Einbeziehung der Betonwandungen somit ein im Wesentlichen geschlossenes Kompartiment 19, in welchem die lose oder kompaktierte Füllmasse wasserundurchlässig oder hydrogeologisch immobilisiert eingeschlossen ist, so dass erzeugte Radioaktivität nicht nur von Regenwasser, sondern auch vom Grundwasser nicht ausgeschwemmt wird, d. h. nicht weiter transportiert wird.
Die bevorzugten Materialien (PE-HD-Kunststofffolien) und Methoden (Maschinengeschweißte Folien mit überlappten Fugen, doppelt geschweißt und mit Kontrollkanal) sind im Deponiebau bereits bauaufsichtlich zugelassen und weisen dort Haltbarkeiten von mehr als 100 Jahren auf. Der Einbau der Abdichtfolie 24 erfolgt rundum auf einer Zwischenschicht 42, um Verletzungen der Folie 24 z. B. beim Ziehen der Baugrubenumspundung zu verhindern (vgl. 5 und 5a)–5d)).
Die Technik des Schweißens erlaubt es, abschnittsweise vorzugehen und kann auch verwendet werden, wenn die Bauerstellung im Taktverfahren erfolgt.
Die Abdichtfolie 24 selbst kann, muss aber nicht, gegen Strahlenbelastung resistent sein. Die Anforderung an die Strahlenresistenz der Abdichtfolie 24 richtet sich nach dem Einbauort. Wird die Abdichtfolie 24 in die strahlentechnische ”Null-Zone” gelegt, das heißt, dorthin, wo selbst im Havariefall keine signifikante ionisierende Strahlung mehr ankommt, brauchen auch keine Anforderungen hinsichtlich der Strahlenresistenz erhoben werden. Wird die Abdichtfolie 24 hingegen in der Grenzwertzone verlegt, also dort, wo ein zulässiger Grenzwert noch an die Umwelt abgegeben werden darf, ist die Schädigung der Abdichtfolie 24 als Minderungswert in die erwartete Lebensdauer der Konstruktion einzubeziehen.
Die Erde der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 20 ist bevorzugt verdichtet, vorzugsweise mit einer Dichte von größer als 1,8 g/cm³. Die Überdeckungsschicht 30 und/oder die übrige Verfüllung 35 (vgl. 2) bis zur Oberfläche 34 können ebenfalls verdichtet sein.
Die Schichtdicke der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht oder des Erdmantels 20 ist an folgenden Kriterien orientiert:

1) Begrenzung der Aufaktivierung der Erde und des Grundwassers außerhalb des eingeschlossenen Erdmantels 20.2
2) Die Abdichtfolie 24 selbst soll vor der Strahlung geschützt werden, d. h. die Dosis darf während der beabsichtigten Betriebszeit vorbestimmte Werte nicht überschreiten. Erste Berechnungen deuten darauf hin, dass die Abdichtfolie 24 bei einer Dicke des Erdmantels 20 von 1 m bis 3 m zwischen den Betonwandungen 14, 16, 18 und der Abdichtfolie 24 noch eine nicht vernachlässigbare Dosis in der Abdichtfolie 24 deponiert wird. Daher werden ggf. Folien wie PE-Folie oder Mylar bevorzugt, die in gewissem Maße strahlenresistent sind. Gegenwärtig werden PE-HD-Folien bevorzugt.

2 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform gegenüber der 1 im vollständig verfüllten Zustand, bevor die Spundwände 2, 4 entfernt werden. Bei der Ausführungsform der 2 ist die Beton-Bodenplatte 10 erheblich dünner ausgebildet als in der 1. Daher wird unter der Beton-Bodenplatte 10 bei dieser Ausführungsform ebenfalls eine hydrogeologisch immobilisierte Erdschicht zur Strahlungsabschirmung benötigt. Somit erstreckt sich hier die zweite Strahlungs-Abschirmschicht 20 aus Erde röhrenartig im Querschnitt vollständig um das Tunnelbauwerk 23. Aus diesem Grund erstreckt sich auch die Kunststofffolie 24 unterhalb der Beton-Bodenplatte 10, um auch dort ein Ausschwemmen von aktivierten Stoffen aus der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 20 zu verhindern. Mit anderen Worten bildet die Kunststofffolie 24 eine geschlossene Röhre 36, welche die ihrerseits röhrenartige zweite Strahlungs-Abschirmschicht 20 röhrenartig einschließt.
Die Herstellung wird wie folgt durchgeführt. Zunächst wird die Grube bis zum Grundniveau 8 ausgeschachtet. Auf dem Grundniveau 8 wird dann eine Kunststofffolienbahn 24F ausgelegt und der untere Teil der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 20 mit Erde verfüllt, bis das Niveau 9 erreicht wird, auf dem dann die Beton-Bodenplatte ggf. unter Einbeziehung von bautechnisch erforderlichen Zwischenlagern aufgebaut wird.
Dann werden die seitlichen Kunststofffolienbahnen 24A, 24B an die Spundwände 2, 4 angebracht und an den unteren Kanten 24G, 24H mit der unteren Kunststofffolie 24F verschweißt.
Dann wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel in 1 vorgegangen, wobei in 2 auch die fertige Verfüllung 35 des oberen Bereichs der Grube 6 über der Warn- und Schutzschicht 32 dargestellt ist.
Es ist ferner möglich, die Abdichtschicht, welche von der Abdichtfolie 24 gebildet wird, mehrlagig aufzuführen (nicht dargestellt). Hierzu werden mehrere Lagen der Kunststofffolie um das Betongebäude 23 herum angeordnet.
Dadurch können auch dünnere Kunststofffolien eingesetzt werden, weil aufgrund Mehrlagigkeit die Verletzungsanfälligkeit der Folie herabgesetzt wird. Ferner bleibt die Abdichtwirkung erhalten, wenn nur eine Folie verletzt ist (Redundanzeffekt). Die mehreren radial geschichteten Folien können radial unmittelbar aneinander anliegen oder mit einer dazwischenliegenden Erdschicht voneinander beabstandet sein. Bei der Ausführungsform der 2 wird die mehrlagige Abdichtschicht dann von einer Mehrzahl von koaxial ineinander verlaufenden Abdichtröhren gebildet. Bei der Ausführungsform der 1 sollten die mehreren Lagen der Kunststofffolie an der Betonbodenplatte 10 zusammengeführt und dort wasserundurchlässig miteinander verbunden sein. Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Varianten der 1 und 2 auch kombiniert werden können, z. B. indem um die in 1 dargestellte Ausführungsform herum eine geschlossene Abdichtröhre angeordnet wird.
3 zeigt eine Ausführungsform, die ohne Spundwände auskommt. Hierzu wird eine trapezförmige Grube 6 mit einem stabilen Böschungswinkel α ausgehoben. Die seitlichen Folienbahnen 24A, 24B werden an der Grubenböschung angelegt. Ansonsten wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 2 vorgegangen.
4 zeigt ein oberirdisches Tunnelbauwerk. Zu dessen Herstellung wird zunächst die untere Kunststofffolienbahn 24F auf den Erdboden aufgelegt. Anschließend wird das Tunnelbauwerk auf der Kunststofffolienbahn 24F aufgebaut. Nach Verfüllung der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht 20 mit Erde wird die Abdichtröhre 36 aus Kunststofffolie rundherum um die zweite Strahlungs-Abschirmschicht 20 geschlossen. Dann wird eine im Wesentlichen trapezförmige Überdeckschicht 30 über die gesamte Anordnung aufgeschüttet, so dass die Kunststofffolien 24 vollständig überdeckt sind. In diesem Beispiel wird auf eine Warn- und Schutzschicht 32 verzichtet, da das gesamte Strahlenschutzbauwerk oberirdisch angelegt ist.
In analoger Weise wie bei unterirdischen Tunnelbauwerken kann die Abdichtfolie 24 also für oberirdische Strahlenschutzbauwerke verwendet werden. Hier ist die zweite Strahlungs-Abschirmschicht 20 hauptsächlich gegen einsickerndes Niederschlagswasser geschützt. Es ist bevorzugt, das Niederschlagswasser möglichst vollständig um die zweite Strahlungs-Abschirmschicht 20 herumzuleiten und der natürlichen Versickerung zuzuführen.
5 zeigt eine Detaildarstellung der Spundwand 2. An der Spundwand 2 ist eine Gleitschicht 40, z. B. aus Sand angebracht. Die Gleitschicht 40 erleichtert das Herausziehen der Spundwand nach der vollständigen Verfüllung der Grube 6. Ferner ist zwischen der Gleitschicht 40 und der Kunststofffolie 24 eine Zwischenschicht 42 angeordnet, welche die wabenartige Form der Spundwand 2 ausgleicht, um eine glatte Oberfläche 44 für die Kunststofffolie 24 bereitzustellen.
Bezug nehmend auf die 5a) bis 5d) ist eine alternative Ausgestaltung für den Aufbau mit der Gleitschicht dargestellt. Zunächst wird die Spundwand 2 mit einer doppelten Kunststofffolie verkleidet, welche eine Gleitschicht 40' bildet (5a)). Dann wird die ausgleichende Zwischenschicht 42 ohne wesentliche tragende Funktion an die Gleitschicht 40' angebracht (5b)). Nachfolgend wird die Abdichtfolie 24 an die Zwischen- und Ausgleichsschicht 42 angebracht, z. B. angeklebt (5c)). Optional wird nachfolgend auf die der Grube zugewandte Innenseite der Abdichtfolie 24 eine temporäre Schutzschicht 46, z. B. eine temporäre Schutzfolie aufgebracht (5d)), um eine Beschädigung der Abdichtfolie 24 zu verhindern.
Bezugnehmend auf 6 ist ein Strahlenschutzbauwerk gezeigt, welches das erfindungsgemäße Abschirmkonzept lediglich an der Decke 18 verwirklicht. Die abzuschirmende Sekundärstrahlung geht von dem Strahlrohr 28 aus. Die Beton-Bodenplatte 10 sowie die Seitenwände 14 und 16 zur Abschirmung der Sekundärstrahlung aus dem Strahlrohr 28 sind in konventioneller monolithischer Betonbauweise hergestellt. Die Decke 18 weist hingegen eine verringerte Stärke auf. Als zweite Strahlungs-Abschirmschicht 20 dient wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen eine Erdschicht, die in diesem Beispiel etwa 4 m Dicke besitzt. Die Erdschicht 20 wird durch eine Kunststofffolie 24 gegen das Eindringen von Wasser geschützt. Die Kunststofffolie 24 ist an den Seiten wasserundurchlässig mit Seitenwänden 50A, 50B verbunden, so dass ein geschlossenes Kompartiment 19 für die Erde gebildet wird und kein Regenwasser in die Erdschicht 20 eindringen kann. Um mögliches Regenwasser aus der Überdeckschicht 30 über der Kunststofffolie 24 abzuführen, sollten entsprechende Abflüsse vorgesehen sein.
7 zeigt einen exemplarischen schematischen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Strahlenschutzbauwerk für eine Simulationsrechnung. Im Zentrum ist schematisch das Strahlrohr 28 dargestellt, welches in der 7 unten rechts vergrößert ist. Das Tunnelinnere 22 besitzt in diesem Beispiel einen Querschnitt von 5 m × 4 m und wird allseitig begrenzt durch eine 1,5 m dicke Beton-Tunnelwandung. Die zweite Strahlungs-Abschirmschicht 20 aus Erde besitzt eine Dicke von allseitig 3 m und wird allseitig begrenzt durch die Abdichtfolie 24.
Beim Entwurf und Bau des Tunnels oder eines Abschirmbunkers sind zwei Effekte relevant: 1) Dosisleistungen am Ort mit möglichen Personenaufenthalt und 2) Aufaktivierung von Bereichen, die sich z. B. radioökologisch auswirken.
Beim Tunnel wird z. B. von einer Dosisleistung von etwa 100 Sv/h bei 10% Strahlverlust eines Primärstrahls aus Uran-Ionen mit einer Energie von 1,5 GeV/u und einer Intensität von 10¹² Teilchen/s ausgegangen. Diese Dosisleistung wird auf ein Niveau im öffentlichen Bereich von etwa 0,1 μSv/h reduziert. Demnach sollen die Strahlenpegel nach außen um neun Größenordnungen reduziert werden. Die Zehntelwertschichtdicke beträgt für Beton etwa 1 m und für Erde etwa 1,3 m. Daraus wird der Abschirmbedarf für verschiedene Beton-Erde-Schichtungen abgeleitet. Ist z. B. eine Betondicke von 1,5 m vorgesehen, sind von der Erde bis zu 7,5 Zehntelwertdicken zu leisten, was fast 10 m Dicke entspricht. Allerdings muss nicht die vollständige Abschirmung innerhalb des Kompartiments 19 geleistet werden, da die Folie nur den Bereich zu begrenzen braucht, in dem die Ausschwemmung der Radionuklide ein Problem darstellt. D. h. dass die zweite Strahlungsabschirmschicht von einer weiteren Erdschicht umgeben ist, die eine dritte Strahlungsabschirmschicht repräsentiert, welche aufgrund der reduzierten Strahlenbelastung nicht zwingend hydrogeologisch immobilisiert zu sein braucht. 8a) zeigt einen Ausschnitt des Verlaufes des Strahlrohrtunnels und 8b) die zugehörige berechnete Dosisleistung in Sv/h.

Im Folgenden sind die Ergebnisse einer Aktivierungsrechnung mit dem Programm FLUKA für ein weiteres Beispiel angegeben. Die Tunnelwanddicke beträgt in diesem Beispiel 50 cm. Es wird ein lokaler Strahlverlust von 10% eines Uran-Primärstrahls mit 2,7 GeV/u berechnet für eine Bestrahlungszeit von 5000 Tagen und einer Abklingzeit von 50 Tagen. Die erzeugte Aktivierung ist dominiert durch die Radionuklide 22-Na, 55-Fe, 54-Mn, 7-Be und 3-H. In Spalte 3 der folgenden Tabelle sind die Überschreitungen der Grenzwerte nach der deutschen Strahlenschutzverordnung gegeben unter der Annahme, dass die volle Aktivität in gleichvolumiges Wasser übergeht. Es ist deutlich zu erkennen, dass bis zu einer Erdschicht von 250 cm zusätzlich zur Betonwand eine Grenzwertüberschreitung vorkommen kann. Die Kunststofffolie 24 verhindert hier aber die Migration der Radioaktivität aus dem Kompartiment 19. Die außerhalb dieser Schicht erzeugte Radioaktivität bewirkt keine Grenzwertüberschreitungen mehr. Es ist sogar möglich, bei einer großen erzeugten Menge an 3-H (Tritium), einen Gasabführung an das Kompartiment anzuschließen, um das Tritium abzuführen.

Material	Schichten (cm) von innen nach außen	Ausschöpfung des Grenzwerts
Beton	0–50	–
Erde	50–100	110
Erde	100–150	31,6
Erde	150–200	10,8
Erde	200–250	3,9
Erde	250–300	1,48
Trennung durch Kunststofffolie
Erde	300–350	0,58
Erde	350–400	0,23
Erde	400–450	0,09

Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne die Erfindung zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, auch dann wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.

Claims

Strahlenschutzbauwerk für strahlführende Einrichtungen (28) eines Teilchenbeschleunigers und/oder Bestrahlungsplätze an einem Teilchenbeschleuniger, umfassend: ein tragfähiges Gebäude (23) mit Betonwandungen als Seitenwände (14, 16), Decken (18) und/oder Böden (10), wobei die Betonwandungen eine erste Strahlungs-Abschirmschicht bilden, eine zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) aus einer losen oder kompaktierten Füllmasse an der Außenseite von zumindest einigen der Betonwandungen, wobei die Füllmasse in gewissem Maße wasserdurchlässig ist, so dass Radionuklide aus der Füllmasse ausschwemmbar wären, wobei die Betonwandungen und die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) aus der losen oder kompaktierten Füllmasse eine zumindest zweischichtige Strahlungsabschirmanordnung bilden, eine Abdichtfolie (24) für die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20), wobei die Abdichtfolie (24) die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) aus der losen oder kompaktierten Füllmasse an der Außenseite der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) umschließt und begrenzt, wobei die lose oder kompaktierte Füllmasse der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) zwischen den Betonwandungen und der Abdichtfolie (24) wasserundurchlässig eingeschlossen ist und somit die Füllmasse hydrogeologisch immobilisiert ist.
Strahlenschutzbauwerk nach Anspruch 1, wobei der Hauptbestandteil der Füllmasse Erde ist.
Strahlenschutzbauwerk nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abdichtfolie (24) von einer Überdeckungsschicht (30) aus loser oder kompaktierter Füllmasse überdeckt ist.
Strahlenschutzbauwerk nach Anspruch 3, wobei eine Warn- und Schutzschicht (32) umfasst ist, welche die Überdeckungsschicht (30) überdeckt und welche wiederum von loser oder kompaktierter Füllmasse überdeckt ist, derart dass beim Aufgraben der Füllmasse die Warn- und Schutzschicht (32) optisch sichtbar wird, bevor die Überdeckungsschicht (30) beim Aufgraben erreicht wird.
Strahlenschutzbauwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei durch den Primärstrahl des Teilchenbeschleunigers eine Längsachse des Gebäudes (23) definiert wird, und wobei die dreischichtige Anordnung aus i) den entsprechenden Betonwandungen (14, 16, 18), ii) der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) aus loser oder kompaktierter Füllmasse und iii) der Abdichtfolie (24) sich in der Ebene quer zur Längsachse zumindest im Wesentlichen U-förmig beidseits seitlich und oberseitig und entlang der Längsachse des Gebäudes (23) länglich erstreckt.
Strahlenschutzbauwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei durch den Primärstrahl des Teilchenbeschleunigers eine Längsachse des Gebäudes (23) definiert wird, und wobei die Abdichtfolie (24) eine Abdeckhaube (26) mit einem in der Ebene quer zur Längsachse im Wesentlichen umgekehrt U-förmigen Querschnitt bildet und die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) aus loser oder kompaktierter Füllmasse und das innerhalb der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) angeordnete Gebäude (23) beidseits seitlich und oberseitig haubenartig abdeckt und die Abdichtfolie (24) mit Gebäudewandungen wasserundurchlässig verbunden ist, so dass die Abdichtfolie (24) gemeinsam mit den Gebäudewandungen eine äußere wasserundurchlässig abdichtende Begrenzung für die lose oder kompaktierte Füllmasse der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) bilden, oder wobei die Abdichtfolie (24) eine ringförmig geschlossene Abdichtröhre (36) bildet, welche sich entlang der Längsachse erstreckt und die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) aus loser oder kompaktierter Füllmasse und das innerhalb der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) angeordnete Gebäude. (23) im Querschnitt röhrenartig vollständig umschließt.
Strahlenschutzbauwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei durch den Primärstrahl des Teilchenbeschleunigers eine Längsachse des Gebäudes (23) definiert wird und sich mehrere Folienbahnen (24A, 24B, 24C, 24F) entlang der Längsachse des Gebäudes (23) erstrecken und entlang der Längsachse zu einer Röhre (36) oder umgekehrt U-förmigen Haube (26) miteinander verschweißt sind.
Strahlenschutzbauwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bodenplatte (10) eine erheblich größere Dicke aufweist als die Seitenwände (14, 16) und die Decke (18) des Gebäudes (23).
Strahlenschutzbauwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gebäude (23) ein unterirdisches Tunnelbauwerk für das Strahlrohr (28) des Teilchenbeschleunigers ist und sich die Seitenwände (14, 16), die Decke (18) und die Bodenplatte (10) sowie die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) und die Abdichtfolie (24) entlang der Längsachse des Strahlrohres (28) erstrecken.
Strahlenschutzbauwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere Lagen Abdichtfolie verwendet werden, derart dass die Abdichtfolien eine mehrlagige Abdichtschicht bilden.
Verfahren zum Bau eines unterirdischen Strahlenschutzbauwerks mit einer mehrschichtigen Strahlungsabschirmung für einen Teilchenbeschleuniger mit folgenden Schritten: a) Ausschachten einer Grube (6), in der das Strahlenschutzbauwerk errichtet werden soll, b) Aufbauen eines tragfähigen Gebäudes (23) mit Betonwandungen als Seitenwände (14, 16), Decken (18) und/oder Böden (10) am Boden (8) der Grube (6), wobei die Betonwandungen eine erste Strahlungs-Abschirmschicht bilden, c) Anbringen jeweils einer Abdichtfolienbahn (24A, 24B) entlang der seitlichen Grubenwände beidseits des Gebäudes (23), wobei die Grubenwände in einem Mindestabstand zu dem Gebäude (23) verlaufen und der Mindestabstand hinreichend groß ist, um jeweils zwischen den beiden Abdichtfolienbahnen (24A, 24B) und dem Gebäude (23) eine Füllmasse mit hinreichender Schichtdicke zur Strahlungsabschirmung einbringen zu können, d) Verfüllen des Zwischenraums zwischen den beiden beidseits des Gebäudes (23) angeordneten Abdichtfolienbahnen (24A, 24B) und dem Gebäude (23) sowie oberhalb des Gebäudes (23) mit einer losen Füllmasse, um eine zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) um das Gebäude (23) zu bilden, dadurch dass das Gebäude (23) in die Füllmasse eingebettet wird, wobei die Füllmasse in gewissem Maße wasserdurchlässig ist, so dass Stoffe aus der Füllmasse ausschwemmbar wären, und wobei die Schichtdicke der Füllmasse beidseits seitlich und oberhalb des Gebäudes (23) hinreichend groß ist, um eine signifikante Strahlungsabschirmung mittels der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) zu bewirken, e) oberseitiges Abdecken der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) mit Abdichtfolie (24) und wasserundurchlässiges Verbinden der Abdichtfolienbahnen, so dass zwischen der Abdichtfolie (24) und dem Gebäude (23) ein wasserundurchlässiges Kompartiment (19) gebildet wird, in welches die Füllmasse der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) eingeschlossen ist, derart dass eine Ausschwemmung von ausschwemmbaren Bestandteilen aus der Füllmasse der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) verhindert wird, f) Einbauen von strahlführenden Einrichtungen (28) des Teilchenbeschleunigers und/oder Experimentiereinrichtungen an dem Teilchenbeschleuniger in das Innere (22) des Gebäudes (23).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei vor dem Schritt a) beidseits des aufzubauenden Gebäudes jeweils eine Spundwand (2, 4) in den Boden getrieben wird und das Erdreich zwischen den beiden Spundwänden ausgeschachtet wird, um die Grube (6) zu erzeugen, zumindest bis zu einer Tiefe (8, 9), in der die Bodenplatte (10) des Gebäudes (23) hergestellt werden soll, wobei die Spundwände (2, 4) die seitlichen Grubenwände bilden, unterirdisch in der Grube (6) das Gebäude (23) gemäß Schritt b) gebaut wird, die Abdichtfolienbahnen (24A, 24B) an den beiden Spundwänden befestigt wird, die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) durch Verfüllung des Raumes zwischen den Abdichtfolienbahnen (24A, 24B) an den Spundwänden (2, 4) und dem Gebäude (23) sowie der Grube (6) bis zu einer vordefinierten Höhe über dem Gebäude (23) mit der Füllmasse hergestellt wird, nachfolgend der Schritt e) durchgeführt wird, und nach dem Schritt e) der Bereich oberhalb der oberseitigen Abdichtfolie mit Füllmasse verfüllt wird, um eine Überdeckung (30) der Abdichtfolie herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei zwischen den Spundwänden (2, 4) und den Abdichtfolienbahnen (24A, 24B) eine Gleitschicht (40) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als die Füllmasse für die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) und/oder für die Überdeckung (30) der Abdichtfolie das beim Ausschachten der Grube (6) ausgehobene Erdreich verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Füllmasse der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) vor dem oberseitigen Abdecken mit Abdichtfolie gemäß Schritt e) verdichtet wird.
Verfahren zum Bau eines oberirdischen Strahlenschutzbauwerks für einen Teilchenbeschleuniger, mit folgenden Schritten: a) Aufbauen eines tragfähigen Gebäudes (23) mit Betonwandungen als Seitenwände (14, 16), Decken (18) und/oder Böden (10), auf dem Untergrund, wobei die Betonwandungen eine erste Strahlungs-Abschirmschicht bilden, b) Auslegen von Abdichtfolie (24) auf dem Untergrund, und zwar entweder seitlich angrenzend an das Gebäude, wobei die Abdichtfolie (24) mit dem Gebäude wasserundurchlässig verbunden wird oder vor dem Schritt a) unter dem Gebäude (23), c) vollständiges beidseitiges und oberseitiges Überfüllen des Gebäudes mit einer losen Füllmasse, um die zweite Strahlungs-Abschirmschicht (20) zu bilden, wobei die Füllmasse in gewissem Maße wasserdurchlässig ist, so dass Stoffe aus der Füllmasse ausschwemmbar wären, und wobei die Schichtdicke der Füllmasse der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) beidseits seitlich und oberhalb des Gebäudes (23) hinreichend groß ist, um eine signifikante Strahlungsabschirmung mittels der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) zu bewirken, d) Abdecken der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) mit Abdichtfolie (24), so dass die Abdichtfolie (24) und das Gebäude (23) ein wasserundurchlässiges Kompartiment (19) für die Füllmasse der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht bilden, derart dass eine Ausschwemmung von ausschwemmbaren Bestandteilen aus der Füllmasse der zweiten Strahlungs-Abschirmschicht (20) verhindert wird, e) Überfüllen der Abdichtfolie (24) mit Füllmasse, um eine Überdeckung (30) der Abdichtfolie (24) herzustellen, f) Einbauen von strahlführenden Einrichtungen (28) des Teilchenbeschleunigers und/oder Experimentiereinrichtungen an dem Teilchenbeschleuniger in das Innere (22) des Gebäudes (23).