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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlenschutzbehälter zum Abschirmen einer Strahlenquelle.
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Strahlenquellen, die elektromagnetische Strahlung abgeben, werden in ganz unterschiedlichen Bereichen der Technik verwendet, wobei an dieser Stelle beispielhaft die Verwendung derartiger Strahlenquellen zur Ermittlung des Füllstand innerhalb eines mit Flüssigkeit und/oder Gas befüllbaren Behältnisses genannt sein soll. Insbesondere dann, wenn die Strahlenquelle radioaktive Strahlung abgibt, ist es zum Strahlenschutz notwendig, die Strahlenquelle wirksam abzuschirmen.
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Eine Möglichkeit, die Strahlenquelle abzuschirmen, besteht darin, die Strahlenquelle in einem Strahlenschutzbehälter anzuordnen und im Strahlenschutzbehälter Abschirmmaterial vorzusehen, welches die Strahlenquelle umgibt. Eine wirksame Abschirmung der Strahlen muss auch im Falle eines Brandes gewährleistet sein. In diesem Fall besteht das Problem, dass sich das Abschirmmaterial infolge der durch den Brand verursachten Temperaturerhöhung ausdehnt und sich sein Volumen vergrößert, wodurch der Strahlenschutzbehälter beschädigt werden kann. Da sich das üblicherweise verwendete Abschirmmaterial bei den Temperaturen, die durch den Brand verursacht werden, verflüssigt, besteht die Gefahr, dass das Abschirmmaterial unkontrolliert aus dem beschädigten Strahlenschutzbehälter austritt. Dies ist insbesondere deshalb nachteilig, da einerseits die Abschirmwirkung nach Ende des Brandes nicht mehr vollständig gewährleistet ist und andererseits das Abschirmmaterial häufig umweltgefährdend ist.
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Strahlenschutzbehälter sollten so ausgelegt werden, dass sie Temperaturen von 800°C und mehr für eine Zeit von mindestens 30 Minuten überstehen, ohne dass das Abschirmmaterial aus dem Strahlenschutzbehälter austreten kann. Um dies erreichen zu können, müssen die Strahlenschutzbehälter einerseits hermetisch dicht ausgeführt sein und andererseits Ausdehnungsräume aufweisen, die frei von Abschirmmaterial sind und in welche das Abschirmmaterial im Brandfall eindringen kann, ohne aus dem Strahlenschutzbehälter auszutreten. Die Ausdehnungsräume sind üblicherweise mit Gas, insbesondere Luft, befüllt. Nachteilig hieran ist, dass das sich ausdehnende Abschirmmaterial, welches in die Ausdehnungsräume eintritt, eine Kompression und folglich eine Druckerhöhung des Gases bewirkt, wobei die Druckerhöhung nicht nur auf den Ausdehnungsraum beschränkt ist, sondern sich auf den gesamten Strahlenschutzbehälter auswirkt. Diese Druckerhöhung kann zu Leckagen in der Wandung des Strahlenschutzbehälters und/oder zum Bersten des Strahlenschutzbehälters führen, wenn dieser nicht entsprechend ausgelegt ist. In beiden Fällen ist nicht gewährleistet, dass das Abschirmmaterial im Strahlenschutzbehälter verbleibt.
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Zwar ist es technisch möglich, die Strahlenschutzbehälter unter Verwendung der Ausdehnungsräume so auszuführen, dass sie einen Brand überstehen, allerdings ist hierzu ein relativ großer technischer Aufwand notwendig, sodass die Strahlenschutzbehälter relativ aufwendig in ihrer Herstellung und entsprechend teuer sind.
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Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, einen Strahlenschutzbehälter anzugeben, welcher einfacher und damit günstiger in der Herstellung ist, gleichzeitig jedoch einen Brandfall übersteht.
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Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Strahlenschutzbehälter zum Abschirmen einer Strahlenquelle, welche Strahlung, insbesondere radioaktive Strahlung, bereitstellt, umfassend eine Wandung, welche einen Hohlraum umschließt, einem im Hohlraum angeordneten Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme einer Strahlenquelle, ein im Hohlraum zwischen der Wandung und dem Aufnahmeabschnitt angeordnetes Abschirmmaterial zum Abschirmen der von der Strahlenquelle bereitgestellten Strahlung, und ein im Hohlraum angeordneter, voll- oder teilvakuumierter Hohlkörper, der ein Hohlkörpervolumen einnimmt und bei Ausdehnung des Abschirmmaterials zerstört oder gestaucht wird, wodurch das Hohlkörpervolumen für das Abschirmmaterial zumindest teilweise freigegeben wird.
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Unter einem Hohlkörper, der voll- oder teilvakuumierter ist, soll verstanden werden, dass der Hohlkörper unter einem mehr oder weniger starken Unterdruck steht, wobei der Hohlkörper so ausgestaltet sein soll, dass er sich bei diesem Unterdruck nicht verformt und gefahrlos verbaut werden kann. Beispielsweise kann der Hohlkörper in eine Ausnehmung des Abschirmmaterials eingesetzt werden. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, nicht nur einen Hohlkörper, sondern eine beliebige Anzahl von Hohlkörpern im Hohlraum des Strahlenschutzbehälters anzuordnen.
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Wenn sich das Abschirmmaterial infolge einer Temperaturerhöhung im Brandfall ausdehnt, erfährt der Hohlkörper je nach Ausgestaltung eine das im Normalzustand eingenommene Hohlkörpervolumen verringernde Formänderung und wird insbesondere zerstört oder gestaucht. Aufgrund des Unterdrucks aber auch aufgrund der Auslegung der Wandstärke und der Materialwahl des Hohlkörpers wird der Hohlkörper zerstört oder gestaucht, bevor die Wandung des Strahlenschutzbehälters belastet und eventuell beschädigt wird. Aufgrund der durch Zerstörung oder Stauchung hervorgerufenen Formänderung wird das vom Hohlkörper eingenommene Hohlkörpervolumen für das Abschirmmaterial zugänglich, so dass sich das Abschirmmaterial in das Hohlkörpervolumen hin ausdehnen kann. Wie eingangs erwähnt, sollten die Strahlenschutzbehälter eine Temperatur von mindestens 800°C für mindestens 30 Minuten aushalten, ohne dass es zu einem Austreten des Abschirmmaterials kommt. Die Volumenvergrößerung des Abschirmmaterials, die sich bei diesen Temperaturen einstellt, lässt sich verhältnismäßig einfach berechnen oder abschätzen, so dass das Hohlkörpervolumen unter Berücksichtigung des nach der Zerstörung oder der Stauchung noch vorhandenen Volumens des Hohlkörpers zumindest so groß gewählt wird, dass es der zu erwartenden Volumenvergrößerung des Abschirmmaterials entspricht.
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Wie bereits erwähnt, steht dem Abschirmmaterial aufgrund der Zerstörung oder der Stauchung des Hohlkörpers zusätzliches Volumen zur Verfügung, so dass die Volumenvergrößerung infolge der Temperaturerhöhung zumindest teilweise ausgeglichen werden kann. Im Vergleich zu bekannten Strahlenschutzbehälter ist es nicht notwendig, Aufnahmeräume vorzusehen, weshalb die Konstruktion des vorschlagsgemäßen Strahlenschutzbehälters vereinfacht wird. Da der Hohlraum unter einem mehr oder weniger großen Unterdruck steht, stellt sich keine oder nur eine geringe Druckerhöhung ein, wenn der Hohlkörper zerstört oder gestaucht wird. Infolgedessen wird die Belastung der Wandung des Strahlenschutzbehälters soweit reduziert, dass der Strahlenschutzbehälter den gewünschten Anforderungen entspricht.
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Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform besteht der Hohlkörper ganz oder teilweise aus einem spröden Material. Die Verwendung von sprödem Material hat den Vorteil, dass der Hohlkörper vom Abschirmmaterial infolge der Volumenvergrößerung im Brandfall in kleine Stücke zerlegt wird. Das nach der Zerstörung des Hohlkörpers von diesem eingenommene Volumen ist daher sehr gering, sodass nahezu das gesamte Hohlkörpervolumen genutzt werden kann, um die Volumenvergrößerung des Abschirmmaterials auszugleichen. Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Verwendung von sprödem Material ergibt, ist derjenige, dass kein geschlossenes Volumen mehr vorhanden ist, in welchem sich eine Druckerhöhung ausbilden kann, die zu einer Belastung der Wandung des Strahlenschutzbehälters führen könnte.
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In einer weitergebildeten Ausführungsform kann das spröde Material Glas oder Keramik sein. Glas oder Keramik lassen sich relativ einfach bearbeiten und sind günstig in der Beschaffung, sodass sich der Hohlkörper einfach und kostengünstig bereitstellen lässt.
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Bei einer weitergebildeten Ausführungsform kann der Hohlkörper ganz oder teilweise aus einem plastisch verformbaren Material bestehen. Es besteht eine große Auswahl an Materialien, die sich plastisch verformen lassen, sodass in dieser Ausführungsform eine besonders große Gestaltungsfreiheit gegeben ist. Im Vergleich zu Hohlkörpern aus sprödem Material weisen Hohlkörper aus plastisch verformbaren Materialien Vorteile in der Handhabung auf. Für den Fall, dass ein aus sprödem Material hergestellt Hohlkörper bei der Herstellung des Strahlenschutzbehälter einer Stoßbelastung ausgesetzt wird, so besteht die Gefahr, dass der Hohlkörper implodiert und zerstört wird. Diese Gefahr besteht bei einem Hohlkörper aus plastischem Material nicht. Selbst wenn der Hohlkörper aus plastischem Material hierdurch etwas verformt werden sollte, so ist seine Funktionsfähigkeit nach wie vor gewährleistet.
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In dieser Ausführungsform ist darauf zu achten, dass sich der Hohlkörper plastisch verformen kann, ohne dass es zu einer Belastung der Wandung des Strahlenschutzbehälters kommt. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass die Wandstärke und das plastisch verformbare Material des Hohlkörpers entsprechend gewählt wird. Zusätzlich unterstützt der Unterdruck das plastische Verformen des Hohlkörpers bei Ausdehnung des Abschirmmaterials.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht der Hohlkörper ganz oder teilweise aus einem schmelzbaren Material. Wie eingangs erwähnt, soll erreicht werden, dass der Strahlenschutzbehälter im Brandfall bei einer Temperatur von mindestens 800°C für mindestens 30 Minuten den Austritt des Abschirmmaterials wirksam verhindert. Das schmelzbare Material kann so gewählt werden, dass es bei Temperaturen schmilzt, die im Normalbetrieb nicht erreicht werden, aber deutlich unter 800°C liegen. Da der Hohlkörper bei Überschreiten der Schmelztemperatur durch Verflüssigung zerstört wird und seine Form verliert, kann sich das Abschirmmaterial auch in diesem Fall in das im Normalzustand vom Hohlkörper eingenommene Hohlkörpervolumen ausdehnen, wodurch die Belastung der Wandung des Strahlenschutzbehälters so gering gehalten wird, dass der Strahlenschutzbehälter einem Brand standhält.
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Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform ist der Hohlkörper rohrförmig ausgebildet. In vielen Fällen ist das Halbzeug der Materialien, aus welchen der Hohlkörper hergestellt werden kann, rohrförmig, weshalb nur wenige Umformungsschritte notwendig sind, um den Hohlkörper in seine gewünschte Form zu bringen. Infolgedessen lässt sich der Hohlkörper besonders kostengünstig und einfach bereitstellen.
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Eine weitergebildete Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmmaterial Blei ist oder Blei umfasst. Blei hat eine besonders hohe abschirmende Wirkung auf radioaktive Strahlung, so dass das Volumen des Abschirmmaterials gering gehalten werden kann, was die Dimensionen des Strahlenschutzbehälters reduziert und seine Handhabbarkeit erhöht. Alternativ können aber auch Legierungen, die Blei enthalten verwendet werden. Auch Stahl eignet sich als Abschirmmaterial.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlenschutzbehälters zum Abschirmen einer Strahlenquelle mit einem Hohlkörper aus sprödem oder plastisch verformbarem Material im Normalzustand,
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2 den in 1 dargestellten Strahlenschutzbehälter mit einem Hohlkörper aus sprödem Material im zerstörten Zustand, und
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3 den in 1 dargestellten Strahlenschutzbehälter mit einem Hohlkörper aus plastisch verformbarem Material im gestauchten Zustand, jeweils anhand einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlenschutzbehälters 10 zum Abschirmen einer Strahlenquelle 12 anhand einer prinzipiellen Schnittdarstellung gezeigt. Der Strahlenschutzbehälter 10 umfasst eine Wandung 14, welche einen Hohlraum 16 umschließt. Weiterhin umfasst der Strahlenschutzbehälter 10 einen Aufnahmeabschnitt 18 zum Aufnehmen der Strahlenquelle 12, die elektromagnetische Strahlung R und insbesondere radioaktive Strahlung R bereitstellen kann. Die Strahlenquelle 12 kann in Form einer nicht gesondert dargestellten Strahlerkapsel in den Aufnahmeabschnitt 18 eingesetzt werden.
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Um die Richtung, in welche die Strahlung R aus dem Strahlenschutzbehälter 10 austritt, und den Austrittswinkel der Strahlung R aus dem Strahlenschutzbehälter 10 vorgeben zu können, weist der Strahlenschutzbehälter 10 eine Blende 22 auf, welche entlang der mit dem Pfeil P gekennzeichneten Richtung im Strahlenschutzbehälter 10 bewegbar angeordnet ist. Die Blende 22 kann des Weiteren auch dazu benutzt werden, den Austritt der Strahlung R aus den Strahlenschutzbehälter 10 zu unterbinden, wozu die Blende 22 vollständig verschlossen werden kann.
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Zwischen dem Aufnahmeabschnitt 18 und der Wandung 14 ist ein Abschirmmaterial 24, beispielsweise Blei oder eine bleihaltige Legierung, angeordnet. Im Abschirmmaterial 24 ist ein Hohlkörper 26 angeordnet, der ganz oder teilweise aus einem spröden oder einem plastisch verformbaren Material besteht und voll- oder teilvakuumiert ist, also in Bezug auf den Atmosphärendruck unter Unterdruck steht. Der Hohlkörper 26 ist rohrförmig oder hohlzylindrisch ausgebildet.
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In 1 ist der Strahlenschutzbehälter 10 im Normalzustand gezeigt, in welchem er ein Hohlkörpervolumen VH einnimmt und für seinen bestimmungsgemäßen Gebrauch verwendet werden kann. Beispielsweise kann dem Strahlenschutzbehälter 10 gegenüberliegend ein nicht dargestellter Detektor angeordnet werden, welcher die von der Strahlenquelle 12 abgegebene und aus dem Strahlenschutzbehälter 10 austretende Strahlung R detektiert und in ein entsprechendes Detektionssignal umwandelt. Sobald sich Materie, beispielsweise Partikel oder Flüssigkeit, im Strahlengang der Strahlung R befindet, ändert sich das vom Detektor generierte Detektionssignal, was für verschiedene Zwecke genutzt werden kann. Ein Beispiel ist eine Füllstandmessung. Wenn der Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behältnis soweit angestiegen ist, dass die Flüssigkeit in den Strahlengang der Strahlung R gelangt, so kann die Änderung des Detektionssignals in ein Hinweissignal umgewandelt werden, um beispielsweise die weitere Zufuhr von Flüssigkeit in das Behältnis zu unterbrechen.
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In 2 ist der in 1 dargestellte Strahlenschutzbehälter 10, bei welchem der Hohlkörper 26 ganz oder teilweise aus einem spröden Material gefertigt ist, im zerstörten Zustand des Hohlkörpers 26 gezeigt. Der in 2 verwendete Suffix Z soll den Hohlkörper 26Z im zerstörten Zustand bezeichnen. Bei einer Temperaturerhöhung insbesondere im Brandfall dehnt sich das Abschirmmaterial 24 aus, so dass es zu einer Volumenvergrößerung des Abschirmmaterials 24 kommt. Hierdurch wird ein Druck auf den Hohlkörper 26 ausgeübt, welcher aufgrund dieses Drucks zerstört wird. Da der Hohlkörper 26 in diesem Fall zumindest teilweise aus einem spröden Material besteht, zerbricht er in einzelne, scherbenartige Teile, ohne sich dabei spürbar zu verformen. Diese Zerstörung wird vom Unterdruck, der im Hohlkörper 26 herrscht, unterstützt, so dass der Hohlkörper 26 implodiert. Das vom Hohlkörper 26 im Normalzustand umschlossene Hohlkörpervolumen VH ist nun verfügbar, so dass sich das Abschirmmaterial 24 dorthin ausdehnen kann. Aufgrund des Unterdrucks bewirkt die Ausdehnung des Abschirmmaterials 24 in das zuvor vom Hohlkörper 26 umschlossene Hohlkörpervolumen VH keine oder nahezu keine Kompression eines Gases, so dass hierdurch auch keine oder nahezu keine Druckerhöhung stattfindet, welche die Wandung 14 des Strahlenschutzbehälters 10 belasten könnte. Die Wandung 14 wird daher im Brandfall vom sich ausdehnenden Abschirmmaterial 24 nur so stark belastet, dass der Strahlenschutzbehälter 10 einem Brand standhält. Es ist nicht notwendig, Ausdehnungsräume vorzusehen.
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In 3 ist der in 1 dargestellte Strahlenschutzbehälter 10, bei welchem der Hohlkörper 26 ganz oder teilweise aus plastisch verformbarem Material gefertigt ist, im gestauchten Zustand des Hohlkörpers 26S gezeigt. Der in 3 verwendete Suffix S soll den Hohlkörper 26S im gestauchten Zustand bezeichnen. Die oben beschriebenen Vorgänge, die im Brandfall stattfinden, führen in diesem Fall nicht zu einer Zerstörung des Hohlkörpers 26, sondern zu einer Stauchung. Der Hohlkörper 26 wird mit anderen Worten aufgrund des Drucks, der aufgrund der Ausdehnung des Abschirmmaterials 24 auf den Hohlkörper 26 wirkt, zusammengedrückt. In 3 ist das im Normalzustand vom Hohlkörper 26 eingenommene Hohlkörpervolumen VH mit einer gestrichelten Linie gezeigt. Man erkennt, dass der Hohlkörper 26 im gestauchten Zustand ein deutlich geringeres Volumen einnimmt als im Normalzustand, allerdings als Einheit noch vorhanden ist und nicht in einzelne Teile zerlegt wird. Das Differenzvolumen steht dem Abschirmmaterial 24 für die Ausdehnung zur Verfügung.
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Aufgrund des Unterdrucks, der im Hohlkörper 26 im Normalzustand anliegt, reicht ein relativ geringer Druck aus, um den Hohlkörper 26 zu stauchen. Bei diesem Druck wird die Wandung 14 nur so stark belastet, dass sie nicht beschädigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Strahlenschutzbehälter
- 12
- Strahlenquelle
- 14
- Wandung
- 16
- Hohlraum
- 18
- Aufnahmeabschnitt
- 22
- Blende
- 24
- Abschirmmaterial
- 26
- Hohlkörper
- 26S
- gestauchter Hohlkörper
- 26Z
- zerstörter Hohlkörper
- P
- Pfeil
- R
- Strahlung
- VH
- Hohlkörpervolumen
