DE1769563B1

DE1769563B1 - Neutronenabsorbierendes Material und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1769563B1
Application number: DE19681769563
Authority: DE
Inventors: Paul Blum; Jacques Lefrancois; Louis Vinarnick
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Robatel SLPI SA
Current assignee: Robatel SLPI SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1967-06-14
Filing date: 1968-06-10
Publication date: 1972-05-25
Also published as: JPS4814999B1; LU56235A1; FR1534032A; ES354965A1; BE716552A; IL30029A0; SE330851B; GB1177586A; CH492280A; US3705101A; NL6808179A; IL30029A

Description

3 4

Das die Erfindung aufweisende Material ist daher Stimmung der Beständigkeit des die Erfindung auf-

insgesamt optimal zusammengesetzt und den be- weisenden Materials gegen Stt anhingen wurden unter

kannten Materialien überlegen. verschiedenen Neutronenflüssen Versuche durchge-

Das Verfahren zur Herstellung des die Erfindung führt, wobei die bestrahlten Proben hinsichtlich des

aufweisenden neutronenabsorbierenden Materials be- 5 Aussehens und zur ungefähren Bestimmung des

steht darin, eine Borverbindungen mit Gips in ge- möglichen Abbaus durch Augenschein begutachtet

eigneten Mengenanteilen trocken zu mischen, diese wurden. Die bestrahlten Proben hatten die folgende

Mischung Borverbindung/Gips in Wasser zu geben, in Zusammensetzung:
dem gegebenenfalls ein Verzögerungsmittel gelöst

wurde, das Gemisch zu homogenisieren, dem Gemisch io Polyäthylen 40 Gewichtsprozent

Polyäthylengranulat zuzusetzen, den erhaltenen Brei Wasser 17 Gewichtsprozent

in einen Behälter zu gießen und den gegossenen Brei _. „_ _ . ,

einzustampfen. ^GlP^s 37 Gewichtsprozent

Der Zusatz eines Verzögerungsmittels zum Anmach- Borsäure 6 Gewichtsprozent

wasser ist vor allem dann zweckmäßig, wenn man 15 (d. h. 1 Gewichtsprozent Bor)
größere Mengen des neutronenabsorbierenden Materials herstellen will. Das Verzögerungsmittel, vorteil- Ihre Dichte lag in der Größenordnung von 1,18 hafterweise Monocalciumcarbonat, wird für eine und ihr makroskopischer Wirkungsquerschnitt bei Verarbeitungszeit des Gemisches von 30 Minuten in 0,133 cm"¹,
einer Menge von 0,5 °/₀₀ zugesetzt. 20 Die der Bestrahlung unterworfenen Proben besaßen

Zur Herstellung des die Erfindung aufweisenden die Form zylindrischer Blöcke mit einem Durchmesser

Materials wird das Polyäthylen in Form von Körnern von 20 mm und einer Höhe von 30 mm.

von einigen Kubikmillimetern verwendet. Jedoch kann Zu Beginn besaßen die etwa 11 g wiegenden weißen

man ohne weiteres auch eine andere Korngrößen- Probekörper das Aussehen von Gips, worin das PoIy-

verteilung oder ein Gemisch mehrerer Korngrößen 25 äthylen in Form von Körnern und das Bor in Form

bis gegebenenfalls hin zum Pulver verwenden. Das gelber Pigmentierung erschien.

Bor wird in Form von Borsäure (H₃BO₃) zugegeben, Die Probestücke wurden in Aluminiumrohre ge-

die dem Gemisch leicht zugefügt werden kann, steckt und in einen Bestrahlungskanal gebracht. Der

jedoch kann es auch in anderer Form, insbesondere Augenblicksfluß im Bereich der Probestücke lag in der

als Borcarbid, zugesetzt werden. 30 Größenordnung von 5 · 10¹¹ Neutronen/cm².

Wenn man nur eine geringe Menge des neutronen- Es wurden vier mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnete Probeabsorbierenden Materials herstellen will und die stücke bestrahlt, wobei die Bestrahlungszeiten 1, 2, 8, Arbeitsgänge insgesamt nicht langer als einige 10 Mi- und 100 Stunden betrugen,
nuten dauern, verwendet man reines Wasser. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden

Die mechanischen Eigenschaften des die Erfindung 35 Tabelle aufgeführt. In dieser Tabelle ist die Geaufweisenden Materials sind praktisch die gleichen brauchsdauer des Materials angegeben, die einer wie die von feuchtem Gips. Für einen feinkörnigen mit 2,5 · 10⁸ Neutronen/cm^a/Sek. angenommenen Gips bei einem Verhältnis Wasser zu Gips von 1,25 maximalen Bestrahlung im Gebrauch entsprechen und einer auf 2 Stunden in feuchter Atmosphäre ver- würde, unter Berücksichtigung des Reaktorilusses, ringerten Trocknungszeit liegt die Bruchgrenze bei 40 d. h. 5 · 10¹¹ Neutronen/cm^a/Sek. für jedes der be-Biegezugbeanspruchung über 5 kg/cm². Zur Be- strahlten Probestücke.

	Bestrahlungs	Integrier	Gebrauchs	Augenscheinvergleich mit einer Vergleichs-Probe
	zeit	ter Fluß	zeit des Ma
Probe Nr.			terials bei normaler
	(Std.)	(n/cm²)	Verwendung	Leichte Farbveränderung von Weiß zu Hellgrau; kein Abbau
	1	1,8 · 10¹⁵	(Std.)	Deutlichere Farbveränderung von Weiß zu anhaltenderem Grau;
1	2	3,6 · 10¹⁵	2 000	kein Abbau
2			4 000	Stärkere Verfärbung: grau — kein Abbau
	8	1,44 · 10^1β		Starke Verfärbung: fast schwarz — kein Abbau
3	100	1,8 · 10¹⁷	16 000
4		200 000

Die Absorptionswirkung des die Erfindung aufweisenden Materials gegenüber Neutronen wurde an einem Probestück der folgenden Zusammensetzung bestimmt:

Polyäthylen 40 Gewichtsprozent

Wasser 17 Gewichtsprozent

Gips 37 Gewichtsprozent

Borsäure 6 Gewichtsprozent

(=Borl°/₀)

Wasserstoffgehalt 57%

Makroskopischer

Wirkungsquerschnitt 0,133 cm"¹

Für diese Untersuchung wurden eine Plutonium-Beryllium-Quelle mit einer mittleren Energie von 4,4 MeV und einer Aktivität von 2,10⁶ Neutronen/Sek. sowie eine Polonium-Lithium-Quelle mit einer mitt-

60 leren Energie von 460 KeV und einer Aktivität von 1,2 · 10⁶ Neutronen/Sek. verwendet. Man konnte so die Veränderung der Halbierungsdicke für zwei um einen Faktor 10 verschiedene Neutronenenergien feststellen.

65 Als Zähler wurde ein Proportionalzähler mit in einer Paraffinkugel von 6,5 cm Radius angeordnetem Bortriofluorid verwendet.
Die Neutronenabsorption wurde in zwei verschie-

denen geometrischen Anordnungen untersucht. Bei einer sogenannten »großen« Anordnung befand sich das absorbierende Probestück im gleichen Abstand von je 50 cm vom Zähler und von der Quelle. Bei einer »Lagerbehälter«-Anordnung befand sich die Quelle im Inneren eines aus dem zu untersuchenden Material bestehenden Behälters. Im letzteren Fall sind Abschirmungen mit steigender Dicke gegen den Behälter gehalten worden, d. h. 7 cm vom Mittelpunkt der Quelle. Der Abstand Quelle/Zähler betrug dann 70 cm.

F i g. 1 zeigt die mit einer Plutonium-Berylliumquelle erhaltenen Ergebnisse. In der Abszisse ist die Dicke der Abschirmung in cm und in der Ordinate die Durchlässigkeit aufgetragen. Die Kurven A und B entsprechen jeweils den mit der sogenannten »großen« und der »Lagerbehälter«-Anordnung erhaltenen Ergebnissen. Man kann daraus entnehmen, daß bei der großen Anordnung die Halbierungsstärke (x ¹I₂) 14 cm, entsprechend einem makroskopischen Wirkungsquerschnitt von 0,049 cm"¹, und die Zehntelungsdicke (x ¹J₁₀) 46,5 cm beträgt. Bei der zweiten Anordnung ist (pc ¹I₂) 5,5 cm, was einem makroskopischen Wirkungsquerschnitt von 0,126 cmr¹ entspricht, und (x V10) = 18,25 cm.

Die mit einer Polonium-Lithium-Quelle bei den beiden verwendeten Anordnungen erhaltenen Ergebnisse sind in F i g. 2 aufgetragen. Man ersieht daraus, daß für die große Anordnung die Halbierungsdicke (x ¹J₂) = 3,2 cm ist, was einem makroskopischen Wirkungsquerschnitt von 0,215 cm"¹ entspricht, und die Zehntelungsdicke (x ¹J₁₀) = 11 cm ist. Bei der zweiten Anordnung ist die Halbierungsdicke (x ¹I₂) = 2,7 cm, die Zehntelungsdicke (x ¹I₁₀) = 9 cm.

Das die Erfindung aufweisende Material zeichnet sich im wesentlichen durch eine sehr einfache Herstellung und Anwendung aus, wodurch es zur Herstellung von Transportbehältern für Neutronenquellen besonders geeignet ist.

Bei einem Transportbehälter, der aus einem Zylinder von 40 cm Durchmesser und 50 cm Höhe besteht und leer 117 kg wiegt, wurde die Neutronenabschirmung aus einem die Erfindung aufweisenden Material hergestellt. Dieser Behälter wurde zum Transport einer 5 · 10⁷ Neutronen/Sek. liefernden Quelle vorgesehen. Bei den durchgeführten Messungen enthielt er eine 4,6 · 10^e Neutronen/Sek. liefernde Quelle.

Der benutzte Detektor war ein Bortrifluoridzähler, der unter einer Paraffinmoderatorkugel von 11 cm Radius angeordnet war. Die Messung des Nulleffekts zeigte, daß dieser zu vernachlässigen war.

Es wurden zwei Meßreihen durchgeführt:

1. Die Moderatorkugel wurde mit dem Behälter in Berührung gebracht, d. h., der Zähler befand sich 13 cm vom Behälter entfernt. Diese Meßreihe umfaßte vier Messungen in Winkelabständen von 90° voneinander und eine Messung oberhalb.

2. Der Zähler wurde 1 m von der Außenwand des Behälters entfernt angeordnet. In dieser Meßreihe wurden vier Messungen in Winkelabständen von 90° voneinander vorgenommen. Die erhaltenen mittleren Zählwerte waren: 2800 Impulse in 2 Minuten für die erste Meßreihe und 360 Impulse in 3 Minuten für die zweite Meßreihe.

Unter Berücksichtigung der Eichung des Zählers waren die entsprechenden Dosis-Leistungen:

9 mrem/h in 13 cm Entfernung von der Behälterkante,

0,7 mrem/h in 1 m Entfernung von der Behälterkante.

Die Dosisleistung bei 13 cm oberhalb des Behälters war etwa 25% geringer als die in der Querschnittsebene.

Da der Behälter für eine etwa lOfach stärkere als die zur Messung benutzte Quelle ausgelegt wurde, ist seine Schutzwirkung für die Transportnormen offensichtlich bei weitem ausreichend. Die Verwendung des die Erfindung aufweisenden neutronenabsorbierenden Materials ist jedoch nicht auf die Herstellung von Transportbehältern beschränkt, sondern umfaßt auch die Herstellung fester Abschirmungen aller Abmessungen. Das die Erfindung aufweisende Material kann zusammen mit allen üblichen Abschirmungen verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

I 2 Verwendbarkeit beschränken. So sind die zuerst Patentansprüche: genannten organischen Stoffe und Wasser zwar spezifisch leicht, doch nicht leicht verarbeitbar und/

1. Neutronenabsorbierendes Material, bei dem oder nicht mechanisch oder thermisch widerstands-Polyäthylenteilchen in einer einen Borzusatz von 5 fähig, während Beton und andere anorganische etwa 1 Gewichtsprozent enthaltenden, aushärten- Materialien umgekehrt zwar die erforderlichen mechaden Masse eingebettet sind, dadurch ge- irischen und Wärmefestigkeiten aufweisen, jedoch kennzeichnet, daß es 32 bis 40 Gewichts- schwer sind und zu sehr unhandlichen großen Bauprozent Polyäthylen in einer aushärtenden Masse teilen führen, welche eine aufwendigere Gesamtaus 17 bis 20 Gewichtsprozent Wasser und 37 bis io konstruktion erfordern.

45 Gewichtsprozent Gips enthält. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,

2. Verfahren zur Herstellung eines neutronen- ein neutronenabsorbierendes Material zu schaffen, absorbierenden Materials nach Anspruch 1, da- welches zugleich leicht verarbeitbar ist, hohe mechadurch gekennzeichnet, daß eine Borverbindung nische und Wärmefestigkeit und geringe Dichte aufmit Gips in geeigneten Mengenanteilen trocken 15 weist.

gemischt wird, diese Mischung Borverbindung/ Auf Grund des Standes der Technik muß man Gips in Wasser gegeben wird, in dem gegebenen- annehmen, daß sich die geforderten Eigenschaften falls ein Verzögerungsmittel aufgelöst wurde, das mindestens teilweise gegenseitig ausschließen. Ins-Gemisch homogenisiert wird, dem Gemisch granu- besondere kann offensichtlich der Wassergehalt anliertes Polyäthylen zugesetzt wird, der erhaltene 20 organischer Materialien nicht wesentlich erhöht Brei in einen Behälter gegossen und der gegossene werden, ohne deren Struktur und Festigkeit zu zerBrei eingestampft wird. stören, während der Zusatz von Kunststoffen zu

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- solchen Materialien in kleinen Mengen nutzlos ist zeichnet, daß das Verzögerungsmittel Mono- und in größeren Mengen wegen der ganz verschiedenen calciumcarbonat ist. 25 Benetzungseigenschaften und Dichten und somit

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch mangelnder Mischbarkeit nicht erfolgversprechend gekennzeichnet, daß das Verzögerungsmittel dem war.

Wasser in einem Anteil von O,5°/oo zugesetzt wird. Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst

durch ein neutronenabsorbierendes Material der 30 eingangs genannten Art, welches dadurch gekenn-

—— zeichnet ist, daß es 32 bis 40 Gewichtsprozent Polyäthylen in einer aushärtenden Masse aus 17 bis ■ 20 Gewichtsprozent Wasser und 37 bis 45 Gewichts-

Die Erfindung betrifft ein neutronenabsorbierendes prozent Gips enthält.

Material, bei dem Polyäthylenteilchen in einer einen 35 Drei der Bestandteile des die Erfindung aufweisenden Borzusatz von etwa 1 Gewichtsprozent enthaltenden,. Materials enthalten einen hohen Anteil Wasserstoff, aushärtenden Masse eingebettet sind. Ein derartiges nämlich Polyäthylen (—CH₂ — CH₂—.. 0» Gip^s Material ist aus der deutschen Auslegeschrift 1162 694 (CaSO₄-2 H₂O) und Wasser (H₂O). Der größte bekannt. Wasserstoffanteil wird vom Polyäthylen geliefert.

Dieses Material dient zur Absorption von Neutronen, 40 Der Gips macht das Produkt wärmefest und trägt die bei Kernspaltprozessen auftreten oder von einer schwere Elemente, wie Schwefel, Sauerstoff und a-n- oder y-n-Quelle (Pu-Be; Po-Li; Sb-Be) aus- Calcium, bei, welche ebenfalls ein Rolle bei der gesandt werden. Bekanntlich erfordert die Absorption Absorption schneller Neutronen spielen. Der vierte von schnellen Neutronen in der Hauptsache zunächst Bestandteil, Bor, dient zur Absorption gebremster deren Bremsung durch Zusammenstoß mit leichten 45 Neutronen unter Aussendung von Protonen relativ Atomen, vor allem Wasserstoff. Gegen Neutronen- niedriger Energie (0,478 MeV).
strahlung schützende Werkstoffe sind daher Wasser, Die Bestandteile des die Erfindung aufweisenden

Paraffine oder merkliche Mengen Wasserstoff ent- Materials sind so gewählt, daß sie sich leicht zum haltende Kunststoffe, wie Polyäthylen, Polyester, Material vereinigen lassen und sehr billig und wirksam Polyamide. , 50 sind im Vergleich mit bisher benutzten Materialien,

Aus der deutschen Auslegeschrift 1162 694 ist es wie massivem Polyäthylen. Beispielsweise ist der über den Gattungsbegriff des Anspruchs 1 hinaus Wirkungsquerschnitt des die Erfindung aufweisenden bekannt, granuliertes Polyäthylen zu verwenden und Materials für Neutronen von 5 MeV" 0,133 cm"¹ die Zwischenräume mit einer flüssig bleibenden oder gegenüber 0,108 cm"¹ von massivem Polyäthylen,
zu einem Kunststoff aushärtenden wasserstoff haltigen 55 Für die praktische Brauchbarkeit eines neutronen-Flüssigkeit auszufüllen. absorbierenden Werkstoffs ist es entscheidend, daß

Andererseits ist auch bekannt, daß Beton in er homogen ist. Das die Erfindung aufweisende größerer Schichtdicke Neutronen abschirmt. Aus der Material erfüllt diese Bedingungen. Bei einem gebelgischen Patentschrift 493 942 ist ein neutronen- wie ringeren Anteil an Polyäthylenteilchen würde bei der auch y-Strahlen absorbierendes Material auf der 60 Verarbeitung eine Entmischung stattfinden, während Grundlage abbindender bzw. erhärtender, insbesondere bei einem höheren Anteil Polyäthylenteilchen Hohlanorganischer Bindemittel, wie Beton, Mörtel, Gips räume im Bindemittel entstehen und damit eine rasche u. a., bekannt, bei dem die neutronenabsorbierende Verringerung der mechanischen Festigkeit des Ma-Substanz, Bor oder Cadmium oder eine Verbindung terials, bis auf Null im oberen räumlichen Bereich, derselben, in einer aushärtbaren Masse aus Gips 65 eintritt. Ähnliches gilt auch für den Borgehalt. Ein zu eingebettet ist. hoher Borgehalt verringert die Festigkeit des Materials,

Die bekannten neutronenabsorbierenden Materialien ein zu geringer Borgehalt führt zu ungenügendem weisen jedoch jeweils Eigenschaften auf, welche ihre Neutroneneinfang.