DE102016105720B4

DE102016105720B4 - Abschirmung für Beschleunigeranlage

Info

Publication number: DE102016105720B4
Application number: DE102016105720.7A
Authority: DE
Inventors: Georg Fehrenbacher; Torsten Radon; Rupert Lang; Alexey Sokolov; Matthias Kluge
Original assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Current assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: DE102016105720A1

Abstract

Es wird ein Abschirmmaterial zur Herstellung einer Schicht einer Strahlenschutzabschirmung einer Beschleunigeranlage vorgestellt, wobei das Abschirmmaterial aus Splitt besteht mit einer Korngröße von 0 bis 32 Millimetern. Das Abschirmmaterial ist schüttbar hergerichtet, so dass es insbesondere zwischen zwei Betonwände als Schüttung eingebracht werden kann. Das Abschirmmaterial weist in der Elementzusammensetzung die folgenden Anteile in Massenprozent auf: einen Sauerstoffanteil von zumindest 35 m%, einen Siliziumanteil von zumindest 10 m%, einen Metallanteil insbesondere der Elemente Calzium, Aluminium, Magnesium und Eisen von zusammen mindestens 10 m% und höchstens 40 m%.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Abschirmmaterial sowie eine mit dem Abschirmmaterial ausgestattete Beschleunigeranlage, sowie ein Verfahren zum Abschirmen einer Beschleunigeranlage.
Hintergrund und allgemeine Beschreibung der Erfindung
In einer Beschleunigeranlage wird ein Teilchenstrahl bzw. Partikelstrahl typischerweise aus einer Strahlquelle geformt, auf eine Extraktionsenergie beschleunigt und zu einem Target geführt.
Als Teilchen werden insbesondere geladene Teilchen, d. h. Ionen, eingesetzt. Prinzipiell sind Hadronen, Pionen, Ionen bevorzugt.
Zum Beispiel bei der Erzeugung, Beschleunigung, Ladungsänderung und/oder der Ablenkung der Teilchen aus der Strahlrichtung entsteht Strahlung, die zur Umgebung hin abzuschirmen ist, um insbesondere eine Ionisation der Umgebung zu vermeiden, aber auch das Austreten der Strahlung und somit eine Strahlungsbelastung der Umgebung zu verhindern.
Quellen ionisierender Strahlung, die erhebliche räumliche Dimensionen annehmen können, wie insbesondere Ionenbeschleuniger, müssen effektiv abgeschirmt werden, um das Austreten von Strahlung zu verringern bzw. soweit möglich zu verhindern. Beispiele solcher Strahlenquellen sind Teilchenbeschleuniger für hohe Energien, wie die vorhandenen und geplanten Beschleunigeranlagen der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH oder auch die bekannten Einrichtungen des CERN/Genf.
Es ist von besonderem Interesse, Neutronenstrahlung und Gammastrahlung abzuschirmen. Aber auch andere Strahlungsarten sind ggf. abzuschirmen, wie z. B. Pionen oder Myonen.
Bekannte Abschirmmaterialien sind Normalbeton oder Schwerbeton oder, sofern die Strahlenquelle in der Erde eingebaut ist, auch das die Strahlenquelle umgebende Erdreich selbst. Den bekannten Abschirmmaterialien ist gemein, dass diese möglichst preisgünstig beschafft werden können und diese dennoch eine brauchbare Strahlenschutzwirkung aufweisen sowie nur gering zu einer Aufaktivierung neigen. Als Erde kommt dabei zumeist der vor Ort anfallende Erdaushub im Zuge der Baumaßnahme der Strahlenquelle zur Anwendung.
Vollbeton-Abschirmkörper, die meist als gegossene Stahlbetoneinheiten sowohl Abschirmfunktion als auch statische Funktion innehaben, sind bekannt. Die bauliche Realisierung ist in Form von technischen Regeln gut etabliert (vgl. z. B. DIN 25413 Teil 1/2). Auch sind verschiedene Varianten von Zuschlagstoffen realisierbar. Beispielsweise ist Schwerbeton als Barytbeton oder Hämatitbeton verwendbar, wenn eine erhöhte Abschirmwirkung bei begrenzten Raumverhältnissen gewünscht ist.
Erde kann als Abschirmmaterial verwendet werden, wenn keine statischen Anforderungen an die Abschirmmasse gestellt werden und wenn eine gewisse Variation der Elementzusammensetzung, des Wassergehalts und der Dichte toleriert werden können. Erde kann üblicherweise mit einer Dichte von 1,5 g/cm³ verbaut werden. Wenn größere Anstrengungen für eine Verdichtung der Erde vorgenommen werden, kann auch eine Dichte von 1,8 g/cm³ erreicht werden. Hierzu kann ggf. eine Veredelung der vorliegenden Erde notwendig sein wie insbesondere die Zusetzung von Kalk, die die Verdichtung erleichtert. Die Verwendung von Erde als Abschirmmaterial – auch zwischen zwei Betonwänden positioniert – ist spätestens seit den 1970er Jahren bekannt und gängige Praxis für Teilchenbeschleunigeranlagen wie z. B. im Bereich des SIS-18-Schwerionensynchrotrons der GSI-Beschleunigeranlage.
Erde hat den Nachteil, dass aufgrund der geringeren Strahlungsabsorption im Vergleich zu anderen Materialien sehr dicke Materialstärken eingesetzt werden müssen, d. h. z. B. mehrere Dekameter. Mit anderen Worten wird ein großer Bauraum beansprucht Darüber hinaus können erhebliche Dichteschwankungen und Schwankungen der Zusammensetzung des Erdreichs auftreten, die auch zu einer Schwankung der Abschirmwirkung führen können, so dass das Erdreich typischerweise mit noch einer zusätzlichen Materialstärke als Sicherheitsmarge einzusetzen ist. Auch der Wassergehalt von Erde – ein bekanntes Maß für die Eignung als Absorber von Neutronenstrahlung – kann bei Erde stark schwanken, sogar während des Einsatzes der Erde, da die Erde typischerweise der Witterung ausgesetzt ist und je nach Regenmenge mehr oder weniger Wasser im Erdreich gespeichert ist.
Beim zusätzlichen Verdichten von Erde kann z. B. mittels Kalk das Korngerüst des Bodens „verklebt” werden, um eine höhere Verdichtung zu erreichen und eine spätere Auflockerung des Bodens zu vermeiden. Beispielsweise im Straßenbau werden hierfür besondere Walzen bzw. Fräsen eingesetzt, die bis zu 50 cm tief Kalk in den Boden einfräßen können. Diese Tiefe mag für den Straßenbau ausreichen und dort die benötigte Festigkeit erzeugen. Für zukünftige Anwendungen, bei denen Materialhöhen von bis zu 10 Metern möglich sind, wäre mit solchen Maschinen keine Aufarbeitung mehr möglich. Für solche Materialhöhen wäre es notwendig, den Boden auszubaggern und in einer Mischanlage mit Kalk zu mischen. Beim späteren Wiedereinbau müsste dann z. B. das Material lageweise, z. B. alle 50 cm, mit schwerem Gerät verdichtet werden. Dies wäre daher mit erheblichen Zeit- und Kostenaufschlägen verbunden, insbesondere auch deswegen, weil entsprechende Mischanlagen gar nicht in großer Menge zur Verfügung stehen.
Schließlich ist Erde noch nachteilig, dass sie nur da sinnvoll eingesetzt werden kann, wo qualitativ brauchbare Erde auch als Aushub anfällt oder aus der unmittelbaren Nähe erhaltbar ist, da ein längerer Transportweg für Erde unverhältnismäßig hohe Kosten erzeugt. Jedoch weist Erde bzw. Erdreich andererseits den Vorteil auf, dass es – sofern in der Nähe erhaltbar – sehr kostengünstig hergestellt werden kann, es zum Beispiel auch einfach als Schüttgut eingebracht werden kann.
Beton als Abschirmmaterial weist demgegenüber den bekannten Vorteil auf, dass es zusätzlich zur Herstellung von statisch beanspruchten Bauteilen – d. h. zur Herstellung von Bauwerken – eingesetzt werden kann, es also eine Doppelfunktion erfüllen kann. Der kombinierte Einsatz von Beton mit Erdreich, sei es eine Einfüllung des Erdreichs zwischen zwei Betonwände oder das Erdreich außen angrenzend an eine Betonwand, ist bekannt.
Auch der Einsatz von Gips in vornehmlich abgebundener Form als Material eines Abschirmelements zur Abschirmung gegen Neutronenstrahlung oder Gammastrahlung ist bekannt, vgl. z. B. DE 103 12 271 A1 . Die EP 1 584 092 B1 beschreibt eine Art Sandwich-Bautechnik, wobei zwischen zwei Betonschichten Strahlenschutzmaterial, vorzugsweise in Form von Gips, eingefüllt wird.
Vor diesem Hintergrund hat die Anmelderin ein Abschirmmaterial entwickelt, welches als Schüttgut vorliegen kann, also auf einfache Weise an der Beschleunigeranlage eingebracht werden kann.
Darüber hinaus ist ein weiterer Aspekt der Erfindung, dass das neue Abschirmmaterial geringere Dichteschwankungen im Abschirmkörper aufweist, so dass die Gesamtdicke des einzusetzenden Abschirmmaterials bereits in der Planungsphase reduziert werden kann, wodurch – je nach baulicher Situation der Beschleunigeranlage – Kosten beispielsweise durch einzusetzende Gebäudegrößen und vereinfachte Bauweisen eingespart werden können.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, ein Abschirmmaterial bereitzustellen, welches eine vergleichsweise gute Abschirmwirkung gegenüber ionisierender Strahlung aufweist.
Weitere Aufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bzw. den besonderen Vorteilen die mit bestimmten Ausführungsformen erzielt werden.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial zur Herstellung einer Schicht einer Strahlenschutzabschirmung einer Beschleunigeranlage, welches die vorgenannten Nachteile löst oder mindert, umfasst Splitt einer Korngröße von 0 bis 32 Millimetern. Der Splitt kann beispielsweise aus Bruchstein natürlicher Herkunft hergestellt sein. Der Splitt kann auch aus künstlich gebrochenen Mineralstoffen in Korngrößen von > 0 bis 32 mm bereitgestellt werden.
Das Abschirmmaterial ist schüttbar hergerichtet, beispielsweise kann es zwischen zwei Betonwände als Schüttung eingebracht werden kann. Es ist daher im Sinne einer statischen Belastbarkeit instabil, es ist nicht zur Herstellung von tragenden Strukturen geeignet.
Um ionisierende Strahlung der Strahlungsquelle bzw. der Beschleunigereinrichtung besonders gut abzuschirmen, hat es sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn das Abschirmmaterial eine Elementzusammensetzung aufweist, die die folgenden Anteile in Massenprozent umfasst: einen Sauerstoffanteil von zumindest 35 m%, einen Siliziumanteil von zumindest 10 m% sowie einen Metallanteil insbesondere der Elemente Calzium, Aluminium, Magnesium und Eisen von zusammen mindestens 10 m% und höchstens 40 m%.
Die vorliegende Elementzusammensetzung erweist sich dahingehend als vorteilhaft, dass ionisierende Strahlung abgeschirmt werden kann. Darüber hinaus gibt es natürliche Vorkommen, bei denen die gesuchte Elementzusammensetzung bereits in natürlicher Weise gefunden werden kann, so dass die Herstellung des Abschirmmaterials ggf. erheblich vereinfacht wird. Beispielsweise kann eine solche Elementzusammensetzung in Basalt, Diabas, Gneis und/oder Granit gefunden werden.
Das Abschirmmaterial weist vorzugsweise einen Sauerstoffanteil der Elementzusammensetzung von zumindest 40 m% oder mehr auf. Weiter bevorzugt liegt der Sauerstoffanteil der Elementzusammensetzung bei zumindest 44 m% oder mehr.
Der Sauerstoffanteil der Elementzusammensetzung des Abschirmmaterials beträgt in einer Ausführungsform bevorzugt höchstens 55 m% oder weniger, weiter bevorzugt höchstens 50 m% oder weniger.
Der Siliziumanteil der Elementzusammensetzung beträgt in einer Ausführungsform zumindest 15 m%, bevorzugt zumindest 19 m%. In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Siliziumanteil der Elementzusammensetzung höchstens 40 m%, bevorzugt höchstens 35 m%.
In der Elementzusammensetzung betragen in einer weiteren Ausführungsform die Anteile von Sauerstoff und Silizium zusammen mehr als 50 m%. In noch einer Ausführungsform der Elementzusammensetzung betragen die Anteile von Sauerstoff, Silizium und Kalzium zusammen mehr als 50 m%.
Bevorzugt betragen in der Elementzusammensetzung die Anteile von Metallen mehr als 15 m% betragen und/oder weniger als 40 m%, bevorzugt weniger als 35 m%.
Die Elementzusammensetzung des Abschirmmaterials enthält bevorzugt keinen oder im Wesentlichen keinen Wasserstoff.
Typischerweise können die Elemente der Elementzusammensetzung überwiegend in den chemischen Verbindungen SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO und MgO vorliegen.
Der Anteil SiO₂ an der Gesamtmasse des Abschirmmaterials kann dabei in einer Ausführung mindestens 20 m% betragen. In einer weiteren Ausführung kann der Anteil SiO₂ an der Gesamtmasse des Abschirmmaterials mindestens 30 m% oder mindestens 40 m% betragen.
Der Anteil Al₂O₃ an der Gesamtmasse des Abschirmmaterials kann in einer weiteren Ausführungsform mindestens 5 m% betragen.
In noch einer Ausführungsform können die Anteile FeO, CaO und MgO zusammen zumindest 15 m% oder mehr betragen.
Das Abschirmmaterial besteht in einer bevorzugten Ausführungsform im Wesentlichen aus den chemischen Verbindungen SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO und MgO. Die chemischen Verbindungen SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO und MgO können zusammen beispielsweise einen Massenanteil an der Gesamtmasse des Abschirmmaterials von zumindest 85 m%, bevorzugt zumindest 89 m%, aufweisen.
Das Abschirmmaterial wird in der Korngröße zwischen 2 und 32 mm, bevorzugt zwischen 2 und 5 mm, bereitgestellt. Mit anderen Worten wird oder ist das Abschirmmaterial derart hergerichtet, in einer Körnung mit Einzelkorndurchmessern zwischen 2 mm und 32 mm eingesetzt werden zu können. Die eingesetzte Korngröße hat einen Einfluss auf die Schüttbarkeit des Abschirmmaterials, wobei die Korngröße des Splitts so eingestellt werden kann, dass die Körner beispielsweise in Hohlräume um Einbauten herum gut eingelagert werden können, wobei Lufteinschlüsse im eingebrachten Abschirmmaterial möglichst verhindert werden können.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Abschirmmaterial im eingebauten Zustand eine Dichte im Bereich zwischen 2,0 g/cm³ bis 2,5 g/cm³ auf. Mit anderen Worten kann das Abschirmmaterial derart hergerichtet werden, dass es im eingebauten Zustand, das heißt nach der Einbringung insbesondere zwischen zwei gegenüberliegende Betonwände, die vorgenannte Dichte aufweist. Hierfür kann gegebenenfalls eine Verdichtung des Abschirmmaterials durchgeführt werden.
Das vorgenannte Abschirmmaterials kann in einer Ausführung Verwendung finden zur Herstellung eines Strahlenschutzbauwerks für eine Beschleunigeranlage zum Abschirmen von in der Beschleunigeranlage entstehender Strahlung. Mit anderen Worten ist das vorbezeichnete Abschirmmaterial geeignet, für den Bau, die Errichtung und den Betrieb eines Strahlenschutzbauwerks insbesondere als dessen Kernmaterial verwendet zu werden.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird ein Strahlenschutzbauwerk für eine Beschleunigeranlage, zum Abschirmen von in der Beschleunigeranlage entstehender Strahlung, vorgestellt. Das Strahlenschutzbauwerk umfasst eine erste Schicht aus Beton, insbesondere aus Stahlbeton. Die erste Schicht ist der Beschleunigeranlage zugewandt. Mit anderen Worten ist die erste Schicht so angeordnet, dass sie die zu der Strahlungsquelle nächstliegende Schicht darstellt. Die erste Schicht des Strahlenschutzbauwerks kann in vorteilhafter Weise zugleich als tragende Struktur bzw. als Gebäudeteil der Beschleunigeranlage eingesetzt werden.
Die Strahlungsquelle kann dabei beispielsweise ein Strahlrohr der Beschleunigeranlage oder ein Raum, der ein Strahlziel (target) umfasst, sein. Allgemein kann jeder Teil der Beschleunigeranlage Strahlungsquelle sein.
Die Beschleunigeranlage umfasst bevorzugt einen Ionenbeschleuniger, beispielsweise einen Ionenlinearbeschleuniger und/oder ein Synchrotron oder Zyklotron.
Das Strahlenschutzbauwerk umfasst ferner eine zweite Schicht, die flächig an die erste Schicht angrenzt, wobei die zweite Schicht ein Abschirmmaterial umfasst. In einem einfachen Beispiel wird die zweite Schicht dadurch gebildet, dass das Abschirmmaterial neben die erste Schicht geschüttet und dort ggf. verdichtet wird.
Das Strahlenschutzbauwerk umfasst darüber hinaus eine dritte Schicht, die flächig an die zweite Schicht angrenzt. Die dritte Schicht ist aus Beton, insbesondere aus Stahlbeton, hergestellt. Diese dritte Schicht kann bevorzugt Wasser umfassen, da hierdurch die durch die dritte Schicht bereitgestellte Abschirmwirkung weiter erhöht werden kann.
Die zweite Schicht des Strahlenschutzbauwerks ist zwischen der ersten und der dritten Schicht angeordnet. Die dritte Schicht ist, von der Beschleunigeranlage aus betrachtet, hinter der ersten und zweiten Schicht angeordnet.
Das Abschirmmaterial des Strahlenschutzbauwerks, also das Material der zweiten Schicht, besteht im Wesentlichen oder ausschließlich aus Splitt mit einer Korngröße von > 0 bis 32 Millimetern. Das Abschirmmaterial ist schüttbar hergerichtet, so dass das Abschirmmaterial auf einfache Weise in den Bereich der zweiten Schicht eingebracht werden kann und hierdurch die zweite Schicht erzeugt wird.
In einem einfachen Beispiel wird die Herstellung des Strahlenschutzbauwerks die folgenden Schritte umfassen:
In einem ersten Teilschritt Herstellen einer ersten Schicht aus Beton sowie Herstellen einer dritten Schicht aus Beton, wobei die erste und die dritte Schicht mit einem definierten Abstand voneinander hergestellt werden, so dass zwischen der ersten und der dritten Schicht ein Einfüllbereich entsteht zum Einfüllen von Abschirmmaterial zur Herstellung der zweiten Schicht.
Gegebenenfalls umfasst der erste Teilschritt ferner noch Herstellen einer Verbindungsschicht aus Beton. Die Verbindungsschicht kann beispielsweise einen Boden darstellen, auf den die erste und dritte Schicht als Wände gestellt werden. Der Einfüllbereich ist dann von der ersten und dritten Schicht sowie der Verbindungsschicht dreiseits umschlossen. Mit anderen Worten bilden erste und dritte Schicht sowie Verbindungsschicht einen Trog mit der Verbindungsschicht als Trogboden, in welchen das Abschirmmaterial eingefüllt werden kann.
Die Verbindungsschicht kann in einem anderen Beispiel einen Rahmen umfassen, der auf der ersten Schicht aufliegt und der die erste Schicht von der dritten Schicht so beabstandet, dass zwischen der ersten Schicht und der dritten Schicht der Einfüllbereich entsteht. In diesem Fall kann beispielsweise die erste Schicht die Decke eines darunterliegenden Raumes bilden, die beispielsweise auf Stahlbetontragwände aufliegt. Darüber liegt die Verbindungsschicht, auf der wiederum die dritte Schicht aufliegt. Zwischen erste und dritte Schicht und umschlossen von der Verbindungsschicht kann das Abschirmmaterial eingefüllt werden.
In einem zweiten Teilschritt erfolgt das Einfüllen des Abschirmmaterials zwischen erste Schicht und dritte Schicht und somit Herstellen der zweiten Schicht des Strahlenschutzbauwerks.
Die erste Schicht des Strahlenschutzbauwerks kann einen über die Dicke der Schicht im Wesentlichen homogenen Aufbau aufweisen. Mit anderen Worten kann die erste Schicht also aus Vollbeton hergestellt sein, also insbesondere einstückig, d. h. monolithisch gegossen.
Das Strahlenschutzbauwerk ist bevorzugt mit der ersten, zweiten und dritten Schicht sandwichartig aufgebaut, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten und dritten Schicht angeordnet ist.
Schließlich ist erfindungsgemäß eine Beschleunigeranlage vorgestellt, die ein wie vorstehend beschriebenes Strahlenschutzbauwerk umfasst.
Mit anderen Worten ist zusammenfassend also ein Abschirmmaterial zur Herstellung eines Strahlenschutzbauwerks entwickelt worden, das als Schüttgut vorliegt und welches mit einer geeigneten Elementzusammensetzung eine vergleichsweise hohe Dichte aufweist, wobei zu große Variationen der Elementzusammensetzung – z. B. mit gut bekannten Abweichungen der Elementzusammensetzung innerhalb erkennbarer Grenzen – sowie Schwankungen der Dichte innerhalb des Abschirmkörpers vermieden werden. Wenn also die Möglichkeit besteht, die statischen Funktionen des Abschirmmaterials von der eigentlichen Abschirmfunktion eines Gebäudeteils zu trennen, kann für die Realisierung der Abschirmfunktion des Gebäudes z. B. ein solches Füllmaterial eingesetzt werden, welches gut und wirtschaftlich in großen Mengen bereitgestellt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, ein Abschirmmaterial bereitzustellen, welches in einfacher Weise beim Einbau Einbauten wie z. B. durch das Abschirmmaterial führende Rohrdurchführungen so zu umschließen, dass eine ausreichende Abschirmwirkung auch in diesen Bereichen erzielt wird.
Dieser bauliche Strahlenschutz ist insbesondere für Anlagen zur Erzeugung ionisierender Strahlung von Interesse, die große bauliche Ausmaße annehmen. Die Beschleunigeranlage umfasst bevorzugt einen Teilchenbeschleuniger, insbesondere einen Ionen-Linearbeschleuniger und/oder ein Ionensynchrotron. Die Beschleunigeranlage kann auch einen Elektronenbeschleuniger umfassen.
Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung in überraschender Weise gezeigt, dass sich Splitt und insbesondere Basaltsplitt besonders gut als Abschirmmaterial eignen, insbesondere für ionisierende Strahlung, primär für Neutronen- und/oder Gammastrahlung. Auch Splitt aus Diabas, Gneis und/oder Granit können als Abschirmmaterial insbesondere für ionisierende Strahlung, primär für Neutronen- und/oder Gammastrahlung, verwendet werden. Der Splitt kann künstlich hergestellt werden. Dem Grunde nach kann auch Kalksplitt verwendet werden. Besonders bevorzugt ist allerdings Basaltsplitt, da dieser meist kostengünstig und in großen Mengen an vielen Orten verfügbar ist.
Mit diesem Abschirmmaterial kann ferner ein Abschirmkörper hergestellt werden, der das Abschirmmaterial umfasst. Der Abschirmkörper ist geeignet, die Abschirmfunktion für die Beschleunigereinrichtung wahrzunehmen. Der Abschirmkörper umfasst hierfür zum Beispiel in Schichtanordnung eine erste Wand, daran angrenzend einen Bereich zum Verfüllen mit dem Abschirmmaterial bzw. einen mit dem Abschirmmaterial verfüllten Bereich, sowie wiederum daran angrenzend eine zweite Wand. Die erste Wand und/oder die zweite Wand sind insbesondere als Betonwände hergestellt. Erste und/oder zweite Wand sind ferner als Vollbeton-Wände bzw. als Stahlbeton-Konstruktion hergestellt. Der Abschirmkörper kann auch in Schichtanordnung eine erste Wand, daran angrenzend den Bereich zum Verfüllen bzw. verfüllt mit dem Abschirmmaterial sowie daran angrenzend ein umgebendes Erdreich aufweisen.
Aufgrund ähnlicher bzw. homogener Elementzusammensetzungen, die bei dem vorgenannten Abschirmmaterial in Form von Splitt auf einfache Weise festgestellt und gleichbleibend bereitgestellt werden kann, weist das Abschirmmaterial auch homogene Abschirmeigenschaften auf.
Im verdichteten Zustand weist der Splitt bevorzugt eine Dichte im Bereich von 2,0 bis 2,5 g/cm³ auf.
Bezüglich der Korngröße des Splitts kann der Splitt so ausgewählt werden, dass je nach Einbausituation ggf. vorhandene Hohlräume um Einbauten herum gut ausgefüllt werden können. Es hat sich gezeigt, dass hierfür Korngrößen typischerweise zwischen 2 bis 5 mm geeignet sind. Bei diesen Korngrößen weist Splitt aufgrund des fehlenden Anteils von Feinkornanteilen ein Fließverhalten auf, so dass es beim Verfüllen nicht stockt bzw. klumpt. Vielmehr fließt Abschirmmaterial mit Korngrößen im Bereich von bevorzugt 2 bis 5 mm oder ferner bevorzugt 2 bis 8 mm ein Verhalten, bei dem die Körner des Abschirmmaterials übereinander rollen und selbständig fließen und somit z. B. vorhandene Hohlräume sicher ausfüllen. Hohlräume, die Fehlstellen in der Abschirmung bzw. der Strahlenschutzwirkung darstellen würden, können somit ausgeschlossen bzw. verringert werden. Das beschriebene Fließverhalten führt somit zu einer Erhöhung der Verfahrenssicherheit, so dass z. B. auch gering geschultes Personal eingesetzt werden kann und somit eine höhere Sicherheit bei der Herstellung des Strahlenschutzmaterials erzielt und im gleichen Zuge weitere Kosten auch beim Personal eingespart werden können.
Im direkten Vergleich zu gekalkter Erde oder Beton ist der Einsatz von Splitt überaus kostengünstig, so dass Einsparungen im Bereich von 50% und mehr möglich sind.
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 eine erste Phase eines Herstellungsverfahrens eines Strahlenschutzbauwerks,
2 eine zweite Phase eines Herstellungsverfahrens eines Strahlenschutzbauwerks,
3 eine dritte Phase eines Herstellungsverfahrens eines Strahlenschutzbauwerks,
4 eine vierte Phase eines Herstellungsverfahrens eines Strahlenschutzbauwerks,
5 eine fünfte Phase eines Herstellungsverfahrens eines Strahlenschutzbauwerks,
6 eine sechste Phase eines Herstellungsverfahrens eines Strahlenschutzbauwerks,
7 eine siebte Phase eines Herstellungsverfahrens eines Strahlenschutzbauwerks,
8 eine achte Phase eines Herstellungsverfahrens eines Strahlenschutzbauwerks,
9 eine neunte Abschlussphase eines Herstellungsverfahrens eines Strahlenschutzbauwerks,
10 die Strahlungsabschwächung über die Bauwerksdicke für trockene Erde,
11 die Strahlungsabschwächung über die Bauwerksdicke für feuchte Erde (18% Wasser),
12 die Strahlungsabschwächung über die Bauwerksdicke für Splitt 2,0,
13 die Strahlungsabschwächung über die Bauwerksdicke für Splitt 2,5,
14 Abschwächungskoeffizient verschiedener Elemente,
15 Abschwächungskoeffizient über Kernladung,
16 Tabellarische Aufstellung der Elementanteile von erfindungsgemäßen Splittmaterialien,
17 graphische Aufbereitung der Elementzusammensetzung erfindungsgemäßer Splittmaterialien,
18 Abschwächungskoeffizient von erfindungsgemäßen Splittmaterialien der Ausführungsbeispiele S1 bis S6,
19 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strahlenschutzbauwerks,
20 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Strahlenschutzbauwerks im Rohbau,
21 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Strahlenschutzbauwerks,
22 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Strahlenschutzbauwerks,
23 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Strahlenschutzbauwerks im Rohbau,
24 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Strahlenschutzbauwerks.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 bis 9 zeigen zunächst ein mögliches Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Strahlenschutzbauwerks.
In einem ersten Schritt wird, wie in 1 zu sehen, zunächst eine erste Schicht 22 und eine dritte Schicht 26 aus Beton hergestellt, die quasi die Umrandung bzw. die Seitenwände eines Trogs bilden, in welchen das Strahlenschutzmaterial 30 (vgl. z. B. 2) einfüllbar ist. Zwischen der ersten Schicht 22 und der dritten Schicht 26 ist die zweite Schicht 24 gebildet, die in dieser ersten Phase des Herstellungsvorgangs als Einfüllbereich 24 offengehalten wird zum späteren Einfüllen des Abschirmmaterials 30. Zudem ist auch eine Verbindungsschicht 28 in dem ersten Schritt hergestellt, wobei die Verbindungsschicht 28 in dieser Ausführungsform als Bodenplatte ausgebildet ist, wobei die erste Schicht 22 und die dritte Schicht 26 auf der Bodenplatte 28 aufstehen.
In der zweiten Phase des Herstellungsvorgangs des Strahlenschutzbauwerks 10 ist in 2 eine erste Lage des Abschirmmaterials 30 in die zweite Schicht 24 eingefüllt. Beispielsweise kann das Abschirmmaterial 30 in Lagen von 50 cm Höhe eingebracht und maschinell verdichtet werden, wobei bekannte Verdichtungsverfahren z. B. mittels Rüttelplatte oder Walze eingesetzt werden können. Es ist bereits eine geplante Rohrdurchführung 32 eingezeichnet, die im späteren Verlauf mit verbaut werden kann.
In einer dritten Phase des Herstellungsvorgangs des Strahlenschutzbauwerks 10 sind in 3 mehrere Lagen des Abschirmmaterials in die zweite Schicht 24 eingebracht und verdichtet worden. Das Abschirmmaterial 30 besteht aus Splitt der Korngrößen > 0 bis 32 mm.
In einer vierten Phase des Herstellungsvorgangs des Strahlenschutzbauwerks 10 ist in 4 die zweite Schicht 24 soweit mit Splitt 30 aufgefüllt, dass auf das Abschirmmaterial 30 ein Verbau 34 aufgesetzt werden kann zur Schalung für eine Rohrdurchführung 36 durch das Abschirmmaterial 30. Hierfür können ggf. feinere oder andere Splittarten eingesetzt werden, wenn es vorteilhaft ist. Beispielsweise ist an dieser Stelle ggf. vorteilhaft, ein Bettungsmaterial aus Splitt 30 mit einer Korngroße von 0 bis 8 mm für die Rohrdurchführung 36 einzusetzen. Die Abschirmeigenschaften des feineren Splittmaterials 30 unterscheiden sich nur unwesentlich bzw. nicht von den Abschirmeigenschaften des groberen Splittmaterials.
In einer fünften Phase des Herstellungsvorgangs des Strahlenschutzbauwerks 10 ist in 5 die Rohrdurchführung 36 eingesetzt und in das Bettungsmaterial, d. h. den feineren Splitt 30, gebettet. Auch beispielsweise der Zwickel unterhalb des Rohres kann durch diese lageweise Herstellung der zweiten Schicht 24 vollständig mit Strahlenschutzmaterial 30 gefüllt werden, so dass Hohlräumen, die die Strahlenschutzwirkung des Strahlenschutzbauwerks 10 insgesamt herabsetzen würden, vorgebeugt werden kann.
In einer sechsten Phase des Herstellungsvorgangs des Strahlenschutzbauwerks 10 ist in 6 die zweite Schicht 24 mit einer weiteren Lage Splitt 30 aufgefüllt. Innerhalb des Verbaus 34 wird in dieser Ausführung ein feinerer Splitt 30 mit einem Korndurchmesser von 2 bis 8 Millimetern eingesetzt. Aufgrund des fehlenden Anteils von > 0 bis 2 mm, also des fehlenden Mehlkorns, weist der Splitt eine Fließeigenschaft auf und verklebt bzw. klumpt nicht. Mit anderen Worten ist der Splitt der Korngröße 2 bis 8 mm besonders dafür geeignet, Hohlräumen vorzubeugen und in diese selbständig einzufließen.
In einer siebten Phase des Herstellungsvorgangs des Strahlenschutzbauwerks 10 ist in 7 noch eine weitere Lage Splitt 30 in die zweite Schicht 24 eingefüllt, so dass der Verbau 34 vollständig bedeckt ist. Nun können in einem achten Schritt mit 8 die Seitenwände des Verbaus 34 entnommen werden, um somit die Strahlenschutzwirkung des Abschirmmaterials 30 der zweiten Schicht 24 weiter zu homogenisieren.
In einem neunten Abschlussschritt ist mit 9 eine vollständig mit Splitt 30 gefüllte zweite Schicht 24 gezeigt. Das Strahlenschutzbauwerk 10 ist fertig gestellt.
Die 10, 11, 12 und 13 zeigen Rechenergebnisse eines Strahlungsdosisverlaufs über die Dicke des Strahlenschutzbauwerks 10. Es wurde angenommen, dass zunächst eine 3 Meter starke Betonwand (unterer Teil der Abbildung) als erste Schicht 22 unmittelbar der Strahlung ausgesetzt ist. Daran angrenzend ist die zweite Schicht mit unterschiedlichen Materialien gefüllt.
Der Aufbau entlang der Vertikalachse (y-Achse) zeigt die Eindringtiefe der Strahlung senkrecht zu einem angenommenen Strahlverlauf. Die Bezeichnung der y-Achse der 10, 11, 12, 13 ist in Millimetern dargestellt, wobei dies und die dargestellten Abstände und Dicken nur beispielhaft zu verstehen ist.
In einem Bereich von –400 bis +650 befindet sich ein Strahltunnel 40, in welchem ein Strahlrohr 42 der Beschleunigereinrichtung 1 angeordnet ist. Das Strahlrohr 42 ist ungefähr im Bereich zwischen +280 bis +320 eingezeichnet.
Ab einem Bereich von +650 bis +950 ist eine 3,0 Meter dicke Betonwand als erste Schicht 22 des Strahlenschutzbauwerks 10 in der Grundlage des Berechnungsmodells angenommen (vgl. Einzeichnung in 13). Die Schichtdicke der ersten Schicht 22, die in dem vorliegenden Beispiel zu 3,0 Metern gewählt bzw. berechnet wurde, beeinflusst wesentlich die Aufaktivierung der zweiten Schicht 24. Je dicker die erste Schicht 22 gewählt wird, desto geringer fällt die Aufaktivierung der zweiten Schicht 24 aus. Die Aufaktivierung wiederum bestimmt, ob das Splittmaterial 30 nach seiner Verwendung im Strahlenschutzbauwerk 10 ohne weiteres – d. h. unbeschränkt – freigabefähig sein wird, oder ob es nach Beendigung des Betriebs der Beschleunigeranlage 1 zunächst über einen Zeitraum abklingen muss.
An die erste Schicht angrenzend zwischen +950 bis +1500 ist eine 5,5 Meter fassende zweite Schicht 24 vorhanden. Wiederum daran anschließend eine dritte Schicht 26 von +1500 bis +1620, welche aus Stahlbeton einer Dicke von 1,2 Metern gebildet ist.
Die in den 10 bis 13 gezeigte horizontale z-Achse zeigt den Verlauf entlang des Strahlrohres 42 (Einheit Millimeter), wobei die Strahlungsquelle 2 sich zwar entlang des gesamten Strahlrohres 42 erstreckt, jedoch ein Maximum im Bereich um +600 herum aufweist. Solche Maxima können an bekannten Strahlmanipulationsstellen auftreten, wie beispielsweise an einer Strahlextraktion, an Magneten, an Strahltargets. Jedoch kann aus Sicherheitsgründen das Strahlenschutzbauwerk 10 so gestaltet werden, dass es entlang der gesamten Beschleunigereinrichtung 1 eine gleichbleibende Strahlenschutzwirkung aufweist, um an allen möglichen Stellen der Beschleunigereinrichtung 1 dem Austritt von Strahlung beispielsweise im Falle einer Störung vorzubeugen.
Zum Zwecke des Vergleichs ist im Beispiel der 10 angenommen, ein trockenes Erdpaket mit einer Dicke von 5,5 Metern vorliegen zu haben. In dem Beispiel der 11 wurde ein feuchtes Erdpaket mit einer Dicke von 5,5 Metern berechnet.
Im Beispiel der 12 wurde das Abschirmmaterial 30 in Form von Basaltsplitt eingesetzt, abermals mit einer Schichtdicke von 5,5 Metern, wobei eine Dichte von 2,0 g/cm³ angenommen wurde. Demgegenüber wurde mit 13 ebenfalls Abschirmmaterial 30 in Form von Basaltsplitt mit einer Schichtdicke von 5,5 Metern eingesetzt, wobei eine Dichte von 2,5 g/cm³ angenommen wurde.
Die Dichte des Abschirmmaterials kann einstellbar gewählt werden. Die Kornzusammensetzung des Abschirmmaterials 30 beeinflusst die Packungsdichte und damit den Hohlraumgehalt. Durch geeignete Auswahl, Vorhaltung vorberechneter, angepasster Menge, Kornform und Kornverteilung des Abschirmmaterials kann der Hohlraumgehalt verringert werden. Dies ist insbesondere für die Erfüllung der Abschirmwirkung des Abschirmmaterial besonders vorteilhaft, da ein möglichst vollständiges Ausfüllen von Hohlräumen zwischen den Körnern des Splitts die Abschirmwirkung weiter verbessern kann.
Durch eine gezielte Auswahl der Korngröße und der Korngrößenverteilung des Abschirmmaterials kann die Packungsdichte erhöht und der verbleibende Hohlraum verringert werden.
Bereits ganz allgemein kann eine Verringerung der Korngröße und somit eine Auswahl von nur kleinsten Korngrößen bspw. bis hin zu Mehlkorn bzw. Schlupfkorn die Dichte des eingebauten und ggf. verdichteten Abschirmmaterials erhöhen. Eine Erhöhung der Dichte des Abschirmmaterials erhöht wiederum die Abschirmwirkung des Abschirmmaterials.
Jedoch hat eine Verteilung von Korngrößen über einen weiten Bereich, wie in den Beispielen angegeben z. B. zwischen 2 bis 32 mm den Vorteil, dass die Herstellung des Abschirmmaterials günstiger ist. Darüber hinaus kann durch die Auswahl der Korngrößenverteilung auch die Fließfähigkeit des Abschirmmaterials eingestellt werden, was beispielsweise zur Verfüllung von Bereichen unterhalb und/oder neben Rohrdurchführungen von Bedeutung ist. Gerade bei solchen Verfüllungen können Agglomerationen Hohlräume verursachen, die die Abschirmwirkung verschlechtern.
Ganz allgemein kann durch die Einstellung der Korngrößen und deren Verteilung die Verarbeitbarkeit des Abschirmmaterials beeinflusst werden, wodurch ebenfalls ggf. Kosten beim Einbau des Materials eingespart werden können und ggf. eine Verbesserung des Abschirmmaterials hinsichtlich der Abschirmwirkung erzielt werden kann.
Eine gewünschte Verteilung und Zusammensetzung der Korngrößen kann beispielsweise durch geeignete Schritte eines Siebeverfahrens erreicht werden. Anhand der bekannten, experimentell ermittelten Fuller-Kurve und der allgemeinen Dinger-Funk-Gleichung kann eine gewünschte Packungsdichte berechnet werden. Hierbei können beispielsweise unregelmäßige, natürliche Kornformen berücksichtigt werden.
In den 10 bis 13 sind ferner zwei Referenzpunkte RP1 und RP2 dargestellt, die bei allen Figuren an denselben Eindringtiefen der Strahlung positioniert sind. RP1 befindet sich innerhalb der dritten Schicht bei etwa +1560, RP2 in der daran angrenzenden angenommenen Räumlichkeit bei etwa +1800, d. h. in einem Abstand von etwa 1,8 Metern von der dritten Schicht. Für diese Positionen wurde zusätzlich die Strahlungsdosisleistung berechnet und in der folgenden Tabelle wiedergegeben.

RP1 [μSv/h] RP2 [nSv/h]

Erde ohne Wasser 2,2 110

Erde mit Wasser 1,5 85

Basalt 2,0 1,3 74

Basalt 2,5 0,19 16
14 zeigt den Schwächungsparameter λ für einige Bestandteile von Splitt (C bis Fe). Zum Vergleich ist auch der Parameter für Wasser mit angegeben, wobei Wasser kein Bestandteil des einzusetzenden Splitts ist. Bezogen auf die gleiche Dichte der Elemente haben die unterschiedlichen Elemente verschiedene Absorptionseigenschaften für hochenergetische Neutronenstrahlung. Unterschiedliche materialabhängige Schwächungsparameter λ [g/cm²] werden für das Schwächungsgesetz angegeben:
Wobei in dem Schwächungsgesetz d für die Schichtdicke und ρ für dessen Dichte steht. Kleinere λ-Werte bringen gute Abschirmeigenschaften mit sich. Tendenziell nimmt der Wert des λ-Parameters mit zunehmender Kernzahl zu (vgl. 15) λ = A / Nσ wobei σ = 42·A^0,7·10^–27 [cm²] mit A als Atomgewicht und N als Avogadrokonstante.
Der gesamte Schwächungseffekt wirkt jedoch oft mit zunehmender Kernzahl stärker, da Stoffe mit kleinem λ-Wert mit geringeren Dichten verknüpft sind, so dass oft die schwereren Stoffe mit höherem Z-Wert und höherer Dichte eine bessere Abschirmeigenschaft haben. Bei Stoffgemischen ist nicht mehr eindeutig, ob die schwereren Anteile mit hohem Z wirksam genug sind. Dies hängt damit zusammen, dass die Dichte und damit die für die Wechselwirkungsrate entscheidende Atomdichte nicht immer ausreichend hoch genug ist.
Für die häufigsten Elementarteilchen von Splitt und anderen Stoffen wie z. B. Normalbeton sind die in 14 gezeigten λ-Parameter maßgebend. Zusätzlich ist in der 14 zum Vergleich auch der Wert für Wasser angegeben. Wasser hat den kleinsten λ-Wert mit ca. 85 g/cm².
16 zeigt Elementzusammensetzungen von sechs Splitt-Proben, wobei eine Verteilung der Anteile der verschiedenen Elemente deutlich wird. Die Splittproben wurden aus Steinbrüchen der Umgebung des Beschleunigerzentrums der Anmelderin entwickelt. Die Ergebnisse können geringfügigen Fehlern unterliegen, so dass eine Abweichung der Summe von 100 Massenprozent (m%) um zumindest ±1 m% Berücksichtigung finden kann.
Aus den Daten der 16 ergeben sich ferner auch die Anteile [in m%], die sich beispielsweise für den jeweiligen Metallanteil ergeben. Der Metallanteil setzt sich zusammen aus der Summe aller metallischen Anteile der Proben, d. h. in diesen Beispielen die Summe über Kalzium (Ca), Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Kalium (K) und Natrium (Na). Diese Summen ergeben Metallanteile M der jeweiligen Probe S1 ... S6 für:
M(S1) = 33,80
M(S2) = 34,41
M(S3) = 30,74
M(S4) = 34,53
M(S5) = 24,28
M(S6) = 19,56

Typischerweise liegen die Elemente in Verbindungen vor, wobei die chemischen Verbindungen typischerweise aus einer Bindung mit Sauerstoff besteht. Die Massenanteile der in der Verbindung vorliegenden Elemente wird im Folgenden für die Proben im jeweiligen wiedergegeben, wobei zunächst der Massenanteil des Elements allein angegeben ist und danebenstehend der Massenanteil der jeweiligen chemischen Verbindung.

	FeO		CaO		MgO		Summe
S1	8,85	11,38	7,49	10,48	8,32	13,79	35,65
S2	8,67	11,15	7,54	10,55	9,41	15,60	37,30
S3	0,67	0,86	7,23	10,11	7,81	12,95	23,92
S4	8,78	11,29	7,78	10,88	8,72	14,46	36,63
S5	5,59	7,19	3,59	5,02	2,11	3,50	15,71
S6	6,69	8,60	4,60	6,44	1,27	2,11	17,15

	SiO₂		Al₂O₃		Summe aller 5 Verbind.
S1	20,41	43,66	6,60	12,47	91,78
S2	19,43	41,57	6,02	11,37	90,24
S3	22,53	48,20	9,78	18,48	90,6
S4	20,71	44,31	6,27	11,85	92,79
S5	27,11	58,00	9,59	18,12	91,83
S6	31,27	66,90	3,07	5,80	89,85

Die Verteilung der Anteile der Elemente ist mit 17 graphisch aufbereitet. In 17 sind zusätzlich die Elementanteile von Normalbeton der Typen N1 bis N4 nach DIN 25413/1 dargestellt. Bezogen auf die gleiche Masse der Elemente haben die unterschiedlichen Elemente verschiedene Absorptionseigenschaften für hochenergetische Neutronenstrahlung. Der gesamte Schwächungseffekt wirkt jedoch typischerweise mit zunehmender Kernzahl stärker, da die Dichte entsprechend größer wird (vgl. Ausführungen zu 14 und 15).
18 zeigt die Berechnung des Schwächungsparameters λ für die Splittproben S1 bis S6. Die Werte liegen dabei im Bereich zwischen 103 und 105 g/cm². Die Proben lassen sich im Wesentlichen aufgrund des Eisenanteils aufteilen in zwei Gruppen, wobei die Proben S1, S2, S4 einen Fe-Anteil von mehr als 5% aufweisen, wohingegen die Proben S3, S5 und S6 einen Fe-Anteil von weniger als 5% aufweisen. Bei einer angenommenen, beispielhaften Schichtdicke von 100 cm sowie einer Dichte von 2 g/cm³ des Abschirmmaterials kann dann ein Schwächungsfaktor für die Abschirmung von hochenergetischer Neutronenstrahlung anhand des Schwächungsgesetzes berechnet werden, wobei der Schwächungsfaktor das Verhältnis zwischen abgeschwächtem und ursprünglichem Strahlungspegel darstellt. Es ergibt sich ein Schwächungsfaktor für:
S1 0,148
S2 0,148
S3 0,144
S4 0,149
S5 0,145
S6 0,146
Die Aufaktivierung des Abschirmmaterials 30, d. h. die ”Ablagerung” bzw. Entstehung von Eigenstrahlern im Abschirmmaterial 30, die selbst nach Beendigung des Strahlbetriebs Strahlung produzieren, ist hinsichtlich der späteren möglichen Entfernung des Abschirmmaterials 30 von Interesse. Aktivierungsrechnungen für einen Teilchenstrahl umfassend Uran-238 mit einer Teilchenenergie bzw. Strahlenergie von 2,7 GeV/u haben für Basalt als Splittmaterial gezeigt, dass mit einer ähnlichen Aufaktivierung wie bei Einsatz von Erdreich gerechnet werden kann.
Derartige Aktivierungen sind vor allem für einen Rückbau der Anlage und damit verbunden der möglichen Freigabe der verwendeten Baumaterialien aus der Zuständigkeit des Atomgesetzes von Bedeutung. Als Berechnungsbeispiel wurde eine Bestrahlungszeit von 30 Jahren Strahlbetrieb sowie eine daran anschließende Abklingzeit von 10 Jahren einberechnet.
Die Aktivierung des Basaltsplitts 30 wurde mit den Werten aus der Strahlenschutzverordnung (StrlSchV, Anlage III, Tabelle 1, Spalte 6) für die ”uneingeschränkte Freigabe von Bauschutt, Bodenaushub von mehr als 1000 t/a in Bq/g” verglichen. Die Aktivierungsrechnungen ergaben, dass nach der genannten Bestrahlungszeit von 30 Jahren sowie der anschließenden Abklingzeit von 10 Jahren die sich aus der StrlSchV ergebenden Grenzwerte nur zu ca. 1–4% ausgeschöpft werden. Bei der Verwendung mineralischer Baustoffe in einem Strahlungsfeld mit hohem Neutronenanteil ist eine Kontrolle der Spurenelemente Kobalt (Ca), Cäsium (Cs) und Europium (Eu) vorteilhaft, um ein Maß für dessen Aufaktivierung zu definieren.

Ausschöpfungswerte können beispielsweise wie folgt dargestellt werden, wobei in dem folgenden Beispiel gemäß Tabelle die angegebenen Werte für Basalt mit einer Dichte von 2,0 bis 2,5 g/cm³, diejenigen für Erde mit einer Dichte von 1,8 g/cm³ angenommen werden:

	Spalte 6	Fehler	Isotop
Basalt	2,03E–02	1,85E–03	Co-60
Basalt	8,89E–03	7,88E–05	Na-22
Basalt	7,54E–03	8,29E–04	Eu-152
Basalt	2,39E–04	1,68E-06	H-3
Erde	4,87E–03	5,01E–05	Na-22
Erde	2,79E–03	5,06E–04	Eu-152
Erde	9,33E–04	5,20E–04	Co-60
Erde	2,64E–04	1,74E–06	H-3

Basaltsplitt mit einer Dichte von 2,0 g/cm³ weist eine um 10 bessere Abschirmwirkung gegenüber feuchter Erde auf.
Die Abschirmwirkung von Basalt mit einer Dichte von 2,0 g/cm³ gegenüber trockener Erde ist sogar ca. 30 bis 40% besser.
Basaltsplitt mit einer Dichte von 2,5 g/cm³ weist sogar bessere Abschirmeigenschaften auf als herkömmlicher Beton. Basaltsplitt der Dichte von 2,5 g/cm³ ist gemäß den durchgeführten Rechnungen etwa 80 bis 85% besser hinsichtlich der Abschirmwirkung als feuchte Erde.
Eine Anordnung der Abschirmung eines Hochenergiebeschleunigers 1 in der Bauweise Beton-Splitt-Beton kann in vorteilhafter Weise hinsichtlich des Anlagenrückbaus weiter optimiert werden, wenn das Splittmaterial 30 nur so stark radioaktiv aktiviert wird, dass nach einer definierbaren Betriebszeit, beispielsweise 30 Jahre, und einer definierbaren Abklingzeit, beispielsweise 10 Jahre, eine möglichst uneingeschränkte Freigabefähigkeit des Splittmaterials 30 erreicht wird.
Insbesondere die durch Neutronenstrahlung 2 erzeugte radioaktive Aufaktivierung des Splittmaterials 30 ist hierbei durch die zum Beschleuniger 1 angrenzende Betonabschirmung der ersten Schicht 22 zu begrenzen. Durch eine geeignete Auslegung der Schichtdicke der ersten Schicht 22 kann beispielsweise die im Beschleuniger 1 von der Strahlungsquelle 2 erzeugte Neutronenstrahlung derart geschwächt werden, dass die Aufaktivierung im Splittmaterial 30 ausreichend reduziert wird.
Beispielsweise kann das Dosisleistungsprofil für einen Uranstrahl mit der Energie von 2,7 GeV/Nukleon und einer Verlustrate von 1E10/sec berechnet werden. Für das Aktivierungsszenario können dabei typischerweise 30 Jahre Strahlbetrieb und 10 Jahre Abklingzeit angesetzt werden.
Die Aktivierungen können ferner für ein Testvolumen von 1 m³ Splitt (Dichte 2 g/cm³) berechnet und ausgewertet werden. Die Auswertung kann vorteilhaft nuklidspezifisch erfolgen.
Für jedes Radionuklid kann dann die Aktivität pro Masse des Testvolumens berechnet werden. Die Ausschöpfung des gesetzlich vorgegebenen Grenzwertes errechnet sich aus der spezifischen Aktivität pro Nuklid (Bq/g) geteilt durch dessen Grenzwert. Die Ausschöpfungen pro Radionuklid werden dann zu einer Gesamtausschöpfung addiert. Für die Aktivierungen können als Ausgangspunkt die Radionuklide der folgenden Tabelle ausgewertet:

Nuklid 41-Ca 3-H 55-Fe 22-Na 14-C 54-Mn 44-Ti 32-Si

Grenzwert (Bq/g) 2E1 6E1 2E2 1E-1 1E1 3E-1 1E-1 4E2
Als Grenzwerte sind die Werte für uneingeschränkte Freigabe nach Strahlenschutzverordnung Anlage III/Tab. 1 für Bodenaushub von mehr als 1000 t/a angegeben (Spalte 6, niedrigste Grenzwerte). Falls diese nicht vorhanden waren, wurden die Werte für feste Stoffe der Strahlenschutzverordnung herangezogen (Spalte 5; 41-Ca und 32-Si der Anl. III/Tab. 1). Für 44-Ti wurde ein Ersatzwert genommen. Maßgebend hinsichtlich der Ausschöpfung des Grenzwerts ist die Aktivität von 22-Na.
Beispielhaft wurden für drei Betonschichtdicken der ersten Schicht 22 einer Dicke von 1 m, 2 m bzw. 3 m sowie einer Dichte von 2,35 g/cm³ die jeweilige Aufaktivierung für einen Uran-Strahl berechnet (1E10/sec Verluste, 2,7 GeV/Nukleon Energie, 30 Jahre Betrieb, 10 Jahre Abklingzeit).
Die Gesamtausschöpfung des Grenzwerts als Funktion der Betonschichtdicke ist in 18A angegeben.
Für die Grenzwertausschöpfung C kann folgende funktionale Abhängigkeit gefunden werden:
mit den Konstanten a₀ = 77,79 und a₁ = –2,262m^–1 und der Betonschichtdicke d (in m).
Anhand der Werte von C kann beispielsweise eine notwendige Mindest-Schichtdicke des Betons für die Einhaltung des Grenzwerts (C = 1) berechnet werden. Darüber hinaus kann auf dieser Grundlage die notwendige Beton-Schichtdicke als Funktion der Verlustraten des Uranstrahls angegeben werden. Hierbei gilt die Annahme, dass die Aktivierung proportional zur Verlustrate des Strahls ist. 18B gibt diesen Zusammenhang der Betonabschirmdicke als Funktion der Uranstrahlverluste im Bereich von 1E8/sec bis 1E12/sec wieder.
Für punktförmige Strahlverluste kleiner als 1E9/sec sind als Ergebnis aus den vorliegenden Untersuchungen wohl keine zusätzlichen Betonabschirmdicken der ersten Schicht 22 für das geplante FAIR-Projekt notwendig. Für eine solche erste Schicht 22 einer Strahlenschutzanordnung können auch die statischen Erfordernisse maßgebend hinsichtlich der Schichtdicke sein, beispielsweise indem diese eine Mindest-Schichtdicke der ersten Schicht 22 definieren.
Für die für den konkreten Anwendungsfall der Anmelderin angesetzten Verluste von beispielsweise 1E10/sec ergibt sich gemäß 18B eine erforderliche Betonwanddicke der ersten Schicht 22 von 2 Metern. Dies entspricht der für FAIR gewählten Wanddicken des Synchrotron-Tunnels.
Da Strahlverluste üblicherweise in der Einheit Watt angegeben werden (auch bessere Übertragbarkeit auf andere Strahlenarten), wurde die Graphik der 18B in 18C überführt. Hier ist die notwendige Betonabschirmdicke als Funktion der Strahlverluste in der Einheit Watt angegeben.
Analog zu 18B gilt auch bei 18C, für Strahlverluste im Bereich bis 10 W sind hinsichtlich des konkreten Anwendungsfalls der Anmelderin keine zusätzlichen Betonabschirmdicken zu den bereits geplanten erforderlich. Für die notwendige Betonschichtdicke d (in m) zur Einhaltung der Grenzwerte für uneingeschränkte Freigabe ergibt sich folgender formaler Zusammenhang, dargestellt als Funktion der Strahlverlustleistung P (in W):
mit den Konstanten b₀ = 0,4421 (in m) und b₁ = 13,22 (in W), wobei die Größe der Strahlverlustleistung P größer oder gleich 15 W beträgt, bevorzugt P größer oder gleich 50 W, ferner bevorzugt P größer oder gleich 100 W.
Für eine Schichtanordnung Beton 22 – Splitt 24 – Beton 26 entsprechend der ersten, zweiten und dritten Schicht 22, 24, 26 wurde eine Berechnung durchgeführt, die die minimale Betonwanddicke (bzw. Boden/Decken) der zum Beschleuniger gerichteten Betonschicht 22 angibt, wobei die radioaktive Aktivierung des Splitts für einen 30-Jahres-Betrieb und eine 10-Jahres-Abklingphase auf das Niveau der uneingeschränkten Freigabe begrenzt wird. Hierzu wurde wie beschrieben vorliegend eine Formel entwickelt, die die zur Beschleunigerseite gerichtete Betonschicht 22 als Funktion der Strahlverluste (angegeben in der Einheit W) angibt. Die Formel ist übertragbar auf alle Hochenergie-Ionenbeschleuniger 1.
19 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Bauausführung eines Strahlenschutzbauwerks 10. Ein Strahlrohr 42 einer Beschleunigeranlage 1 ist in einem Beschleunigertunnel 40 angeordnet und stellt eine Strahlungsquelle 2 dar. Das Strahlenschutzbauwerk 10 ist zwischen der Strahlungsquelle 2 und einem zu schützenden Raum 46, z. B. einem Elektronikraum, angeordnet. Das Strahlenschutzbauwerk 10 weist die erste Schicht 22 sowie die dritte Schicht 26 auf, wobei zwischen die erste und dritte Schicht das Abschirmmaterial 30 angeordnet ist. Eine Rohrleitungsdurchführung 36 ermöglicht die Durchführung von Kabeln und Rohren von und zum Beschleuniger. Die gesamte Anlage 1 ist in diesem Beispiel auf eine Verbindungsschicht 28 aufgebaut, die beispielsweise als Betonfundament eingebracht ist. Beispielsweise kann mit Hilfe der Verbindungsschicht 28 auch eine verbesserte Abschirmung des unter der Anlage 1 liegenden Untergrunds erzielt werden.
Die weitere Verbindungsschicht 29 ist als Deckenplatte aufgesetzt und wird beispielsweise aufgebracht, nachdem das Abschirmmaterial 30 in den Einfüllbereich 24 eingefüllt und ggf. verdichtet wurde.
20 zeigt eine Ausführung eines Strahlenschutzbauwerks 10 im Rohbauzustand. Auf eine bereits fertig gestellte Verbindungsschicht 28 (Bodenplatte) werden die erste Schicht 22 sowie die dritte Schicht 26 in bekannter Weise mit Verschalung 54 und Stützen 52 in Stahlbetonbauweise 56 aufgestellt, wobei zwischen erster und dritter Schicht der Einfüllbereich für das Abschirmmaterial 30 verbleibt. Die Verschalung 54 sowie die Stützen 52 werden nach Fertigstellung der ersten Schicht 22 bzw. dritten Schicht 26 entfernt.
21 zeigt ein weiteres Beispiel für die Ausführung eines Strahlenschutzbauwerks 10, wobei verschiedene Materialstärken der zweiten und dritten Schicht so eingesetzt werden, dass besonders zu schützende Bereiche, wie z. B. Räume 46, ausreichend vor der Strahlungsquelle 2 geschützt werden. Hierbei können die erste Schicht 22 sowie die dritte Schicht 26 in einer gleichbleibenden Materialstärke eingesetzt werden, was deren Herstellung wirtschaftlicher werden lässt. Gleichermaßen ist es jedoch besonders einfach, die Materialstärke der zweiten Schicht 24, d. h. des Abschirmmaterials 30, je nach den Bedürfnissen bspw. hinsichtlich der Abschirmwirkung oder aber hinsichtlich baulicher Begebenheiten anzupassen.
Mit 22 ist noch ein Beispiel eines Strahlenschutzbauwerks 10 gezeigt, wobei ein zu schützenden Raum 46 durch das Strahlenschutzbauwerk 10 von der Strahlungsquelle 2 separiert ist. Das Strahlenschutzbauwerk 10 schützt in dieser Anordnung mehr als ein Stockwerk. Beispielsweise ist es möglich, auch den Bereich oberhalb der Strahlungsquelle 2 durch Schüttung des Abschirmmaterials 30 abzudecken.
23 zeigt eine weitere mögliche Bauform eines Strahlenschutzbauwerks 10 im Rohbau. Zwischen die erste Schicht 22 und die dritte Schicht 26 kann in den Einfüllbereich 24 nach Fertigstellung der Betonwände das Abschirmmaterial 30 eingefüllt werden.
Schließlich geht aus 24 eine weitere Anordnung eines Strahlenschutzbauwerks 10 hervor, wobei beidseits der Strahlungsquelle ein Strahlenschutzbauwerk 10 angeordnet ist.
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 den Schutzbereich der Ansprüche 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, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Beschleunigeranlage
2: Strahlungsquelle
10: Strahlenschutzbauwerk
22: erste Schicht
24: zweite Schicht oder Einfüllbereich
26: dritte Schicht
28: Verbindungsschicht
29: weitere Verbindungsschicht
30: Abschirmmaterial
34: Verbau
36: Rohrdurchführung
40: Beschleunigertunnel
42: Strahlrohr
46: Raum
52: Stütze
54: Verschalung
56: Bewehrungsstahl

Claims

Abschirmmaterial (30) zur Herstellung einer Schicht (24) einer Strahlenschutzabschirmung (10) einer Beschleunigeranlage, wobei das Abschirmmaterial (30) aus Splitt besteht mit einer Korngröße von > 0 bis 32 Millimetern, wobei das Abschirmmaterial (30) schüttbar hergerichtet ist, so dass es insbesondere zwischen zwei Betonwände (22, 26, 28, 29) als Schüttung eingebracht werden kann, wobei das Abschirmmaterial (30) in der Elementzusammensetzung die folgenden Anteile in Massenprozent aufweist: einen Sauerstoffanteil von zumindest 35 m%, einen Siliziumanteil von zumindest 10 m%, einen Metallanteil insbesondere der Elemente Calzium, Aluminium, Magnesium und Eisen von zusammen mindestens 10 m% und höchstens 40 m%.
Abschirmmaterial (30) nach vorstehendem Anspruch, wobei das Abschirmmaterial (30) einen Sauerstoffanteil der Elementzusammensetzung von zumindest 40 m%, bevorzugt zumindest 44 m% aufweist und/oder wobei der Sauerstoffanteil der Elementzusammensetzung des Abschirmmaterials höchstens 55 m%, bevorzugt höchstens 50 m% beträgt.
Abschirmmaterial (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Siliziumanteil der Elementzusammensetzung zumindest 15 m%, bevorzugt zumindest 19 m% beträgt und/oder wobei der Siliziumanteil der Elementzusammensetzung höchstens 40 m%, bevorzugt höchstens 35 m% beträgt.
Abschirmmaterial (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Elementzusammensetzung die Anteile von Sauerstoff und Silizium zusammen mehr als 50 m% betragen, und/oder wobei in der Elementzusammensetzung die Anteile von Sauerstoff, Silizium und Kalzium zusammen mehr als 50 m% betragen und/oder wobei in der Elementzusammensetzung die Anteile von Metallen mehr als 15 m% betragen und/oder die Anteile von Metallen weniger als 40 m%, bevorzugt weniger als 35 m% betragen.
Abschirmmaterial (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Elementzusammensetzung des Abschirmmaterials keinen oder im Wesentlichen keinen Wasserstoff enthält.
Abschirmmaterial (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Elemente der Elementzusammensetzung überwiegend in den chemischen Verbindungen SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO und MgO vorliegen.
Abschirmmaterial (30) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der Anteil SiO₂ an der Gesamtmasse des Abschirmmaterials mindestens 30 m% beträgt, und/oder wobei der Anteil Al₂O₃ an der Gesamtmasse des Abschirmmaterials mindestens 5 m% beträgt, und/oder wobei die Anteile FeO, CaO und MgO zusammen zumindest 15 m% betragen.
Abschirmmaterial (30) nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei das Abschirmmaterial (30) im Wesentlichen aus den chemischen Verbindungen SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO und MgO besteht und/oder wobei die chemischen Verbindungen SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO und MgO zusammen einen Massenanteil an der Gesamtmasse des Abschirmmaterials von zumindest 85 m%, bevorzugt zumindest 89 m%, aufweisen.
Abschirmmaterial (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Abschirmmaterial (30) in der Korngröße zwischen 2 und 32 mm, bevorzugt zwischen 2 und 5 mm, bereitgestellt wird.
Abschirmmaterial (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Abschirmmaterial (30) im eingebauten Zustand, insbesondere nach Durchführung einer Verdichtung des Abschirmmaterials (30), eine Dichte im Bereich zwischen 2,0 g/cm³ bis 2,5 g/cm³ aufweist.
Verwendung des Abschirmmaterials (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Herstellung eines Strahlenschutzbauwerks (10) für eine Beschleunigeranlage (1) zum Abschirmen von in der Beschleunigeranlage (1) entstehender Strahlung.
Strahlenschutzbauwerk (10) für eine Beschleunigeranlage (1), zum Abschirmen von in der Beschleunigeranlage (1) entstehender Strahlung, umfassend eine erste Schicht (22) aus Beton, insbesondere aus Stahlbeton, eine zweite Schicht (24), die flächig an die erste Schicht (22) angrenzt, wobei die zweite Schicht ein Abschirmmaterial (30) umfasst, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, eine dritte Schicht (26), die flächig an die zweite Schicht (24) angrenzt, aus Beton, insbesondere aus Stahlbeton, wobei die erste Schicht (22) der Beschleunigeranlage zugewandt ist, wobei die zweite Schicht (24) zwischen der ersten und der dritten Schicht angeordnet ist und wobei die dritte Schicht (26) von der Beschleunigeranlage (1) aus betrachtet hinter der ersten und zweiten Schicht angeordnet ist, wobei das Abschirmmaterial (30) Splitt mit einer Korngröße von > 0 bis 32 Millimetern umfasst, wobei das Abschirmmaterial (30) schüttbar ist, wobei das Abschirmmaterial (30) die folgende Elementzusammensetzung in Massenprozent aufweist: einen Sauerstoffanteil von zumindest 35 m%, einen Siliziumanteil von zumindest 10 m%, einen Metallanteil insbesondere der Elemente Calzium, Aluminium, Magnesium und Eisen von zusammen mindestens 10 m% und höchstens 40 m%.
Strahlenschutzbauwerk (10) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die erste Schicht (22) einen über die Dicke der Schicht im Wesentlichen homogenen Aufbau aufweist, insbesondere also aus Vollbeton hergestellt ist, und/oder wobei das Strahlenschutzbauwerk (10) mit der ersten, zweiten und dritten Schicht sandwichartig aufgebaut ist, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten und dritten Schicht angeordnet ist.
Strahlenschutzbauwerk (10) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die erste Schicht (22) eine Schichtdicke aufweist, wobei die Schichtdicke der ersten Schicht (22) als Funktion der in der Beschleunigeranlage (1) entstehenden Strahlung definiert ist.
Strahlenschutzbauwerk (10) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Schichtdicke der ersten Schicht (22) eine Mindest-Schichtdicke d(P) als Abhängigkeit der in der Beschleunigeranlage (1) entstehenden Strahlung aufweist, die gemäß d(P) = b₀·ln(P/b₁) definiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Strahlenschutzbauwerks (10) einer Beschleunigeranlage mit den Schritten: – Herstellen einer ersten Schicht (22) aus Beton sowie Herstellen einer dritten Schicht (26) aus Beton, wobei die erste und die dritte Schicht beabstandet voneinander angeordnet sind, so dass zwischen der ersten und der dritten Schicht ein Einfüllbereich entsteht zum Einfüllen von Abschirmmaterial (30) zur Herstellung der zweiten Schicht (24), – Einfüllen des Abschirmmaterials (30) zwischen erste Schicht (22) und dritte Schicht (26) und somit Herstellen der zweiten Schicht (24) des Strahlenschutzbauwerks (10), wobei das Abschirmmaterial (30) Splitt mit einer Korngröße von > 0 bis 32 Millimetern umfasst, wobei das Abschirmmaterial (30) schüttbar hergerichtet ist, so dass es zwischen die erste (22) und dritte Schicht (26) als Schüttung eingebracht werden kann, wobei das Abschirmmaterial (30) in der Elementzusammensetzung die folgenden Anteile in Massenprozent aufweist: einen Sauerstoffanteil von zumindest 35 m%, einen Siliziumanteil von zumindest 10 m%, einen Metallanteil insbesondere der Elemente Calzium, Aluminium, Magnesium und Eisen von zusammen mindestens 10 m% und höchstens 40 m%.
Verfahren zur Herstellung eines Strahlenschutzbauwerks (10) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der erste Teilschritt ferner umfasst: Herstellen einer Verbindungsschicht (28, 29) zwischen erster und dritter Schicht aus Beton, insbesondere als Trogboden oder als Rahmen zur Beabstandung der ersten Schicht (22) von der dritten Schicht (26).
Beschleunigeranlage (1) umfassend ein Strahlenschutzbauwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.