DE2619613A1

DE2619613A1 - Legierung zur herstellung von bleibeton sowie mittels dieser legierung hergestelltes bleibeton

Info

Publication number: DE2619613A1
Application number: DE19762619613
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Bremat SA
Current assignee: Bremat SA
Priority date: 1975-05-06
Filing date: 1976-05-04
Publication date: 1976-11-18
Also published as: FR2310415A1; US4261756A; FR2310415B1; GB1493568A

Description

DR. HANS KARL HACH PATENTANWALT

D-695O MOSBACH, den

WALDSTADT· HESSENTALSTR. 23 TFLf I ON ΊΠ1 (VORWAHL O 62 f D

?3*901

PATENTANMELDUNG

BREMAT S.A.
10, rue Aldringen
Luxemburg

Legierung zur Herstellung von Bleibeton sowie mittels diese.] Legierung hergestelltes Bleibeton.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Legierung zur Herstellung von Bleibeton sowie eire mittels genannter Legierung hergestelltes Bleibeton, insbesondere Bleibeton zu? Absorption und Dämpfung radioaktiver Strahlen.

Bekanntlich erfordert das progressive Ersetzen der konventionellen Energiequellen durch Atomenergie einen ent-

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— '2. —

sprechenden Aufwand an Schutzmassnahmen, und zwar nicht nur z.B. am Kernreaktor selbst, sondern auch beim Transport radioaktiver Abfällee um radioaktiver Verseuchung vorzubeugen müssen zweckdienliche Schutzwände und Ummantelungen vorgesehen werden, welche die Strahlungen absorbieren oder wenigstens bis zu einer bestimmten Toleranzschwelle abschwächen um ihre Wirkung auf lebende Organismen in zulässigen Grenzen zu halten.

Das Material und die Abmessungen der Abschirmschilde müssen im Hinblick auf die durchdringendsten und weitreichendsten Strahlungen, d.h. auf Gamma- und Neutronenstrahlungen ausgelegt werden. Diesbezüglich verlangt eine wirksame Abschirmung gegen Gammastrahlen Material von grosser Dichte und mit hoher Atomzahl. Ein solcher Werkstoff ist zum Beispiel Blei.

Insbezug auf die Neutronenstrahlungen muss zwischen schnellen und langsamen (oder thermischen) Neutronen unterschieden werden. Die schnellen Neutronen müssen zuerst bis zum thermischen Niveau abgebremst werden, bevor sie wirksam absorbiert werden können. Als Materialien hierzu eignen sich solche mit niedrigen Atomzahlen. Zur Absorption langsamer neutronen eignen sich ganz besonders Stoffe mit grossem Äuffangquerschnitt, wie etwa Bor.

Eine wirksame Abschirmung gegen radioaktive Stahlun- £βιι kann also nur mit einem Material erzielt werden, welches di-e Neutronen abbremst und absorbiert und die "Gammastehlen abschwächt. Aus oben Gesagtem geht jedoch hervor, dass es keinen Stoff geben kann welcher gleichzeitig einen wirksamen Schutz gegen beide Strahlungsarten bieten kann. Es muss vielmehr auf ein Material zurückgegriffen werden, welches aus mindestens zwei verschiedenen Elementen zusammengesetzt ist, das eine zum Abbremsen und/oder Absorbieren der Neutronen und das andere zum Abschwächen der Gammastrahlung.

Ein Material, welches genanntea Forderungen in

der Weis«- ?:v^::-t-pri£lv'j ist Bleipulver, welches

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mittels eines Bindemittels aus Kunstharz, wie etwa Polyesteroder Epoxydharz, gebunden ist. Wenn diese Kunstharze es auch erlaubt haben, das Problem des Schutzes gegen radioaktive Strahlungen, insbesondere gegen Neutronen- und Gammastrahlungen, zu lösen, so haben sie doch den Nachteil eines hohen Preises und einer geringen Stabilität gegenüber radioaktiven Strahlen und Hitze. Ein solches aus Blei und einem Bindemittel aus Kunstharz bestehendes Material stellt somit keine optimale Lösung dar.

Wegen des hohen Preises der Kunstharze gingen die Forschungen in Richtung eines wirtschaftlicheren Bindemittels, wie z.B. Wasserzement. Es wird denn auch seit Jahren an der Entwicklung eines Bleibetons gearbeitet. Bisher waren jedoch alle Versuche erfolglos, einmal wegen der zu geringen. Dichte von Bleibeton, vor allem im Hinblick auf die Absorption der Gammastrahlung, und dann wegen chemischer Reaktionen zwischen dem Beton und dem Blei. Kommt nämlich das Blei mit der Feuchtigkeit des Betons in Berührung, so oxydiert es und quillt auf, wodurch es zu Rissbildung und Auflösung des Betons kommt. ·

Der Erfindung liegt' die Aufgabe zu Grunde, eine neue Legierung für die Herstellung von Bleibeton hoher Dichte anzugeben, welcher eine wirksame Abschirmung gegen radioaktive Strahlungen, insbesondere Gamma- und Neutronenstrahlungen bietet, und welcher ausgezeichnete mechanische Qualitäten besitzt, sich somit gut verarbeiten und für viele Zwecke verwenden lässt, und welcher die erwähnten Nachteile des Standes der Technik vermeidet oder grösstenteils ausschaltet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Legierung zur Herstellung von Bleibeton gelöst, deren chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozentensätzen ausgedrückt innerhalb folgender Grenzen liegt:

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- Zinn 1,3 Ms 1,9$

- Antimon 1,3 "bis 1,9$

- Flsi 96,2 bis 97,4$

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine mittels genannter Legierung hergestelltes Bleibeton, welches durch folgende gewichtsmässige Zusammensetzung für 1 Kubikmeter Beton gekennzeichnet ist:

- Wasserzement 420 bis 480 kg

- Eleilegierungspulver 1800 bis 2500 kg

- grobes Bleilegierungsschrot 2000 bis 4000 kg

- mittleres Bleilegierungsschrot 1300 bis 1800 kg

- Wasser 150 bis l80 kg

Diesererfindungsgemässe Beton kann übrigens als Monierbeton und gegebenenfalls als vorgespannter Beton ausgeführt werden.

In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemässen Bleibetons wird den oben angegebenen Komponentenmengen bis zu 400 kg Pandermit hinzugefügt.

Um einen beständigen Bleibeton zu erhalten, also einen solchen in dem das Blei nicht oxydiert und Rissbildung hervorruft, wie dies bei den bisher hergestellten Bleibstonarten der Fall war, ist es nötig, unter den marktgängigen Zementarten diejenigen auszuwählen, bei denen die Reaktionen zwischen dem Zement und dem Blei, welche zu Rissbildung und Materialaufläsung führen, möglichst schwach sind; gleichzeitig wirä man für das Blei Legierungen wählen, welche gegenüber der Feuchtigkeit und dem Wasserzement weitgehend beständig sind. Trotz grosser Anstrengungen in dieser Richtung konnte bisher kein Bleibeton entwickelt werden, der obigen Anforderungen genügt hätte. Erst die erfindungsgemäss Bleilegierung ist beständig und oxydiert nicht beim Kontakt mit der Zementfeuchtigkeit. Diese Legierung bestellt su 1,3 bis 1,9$ aus Zinn, 1,3 bis 1,8;·* aus Antimon, der Rsst bis au 100$ aus

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Blei. Eine besonders bevorzugte und vorteilhafte chemische Zusammensetzung besteht gewichtsmässig aus;

1,5 1° Zinn

1,5 $ Antimon

97 # Blei

Um eine wirksame Abschwächung der Gammastrahlung zu erhalten ist die Verwendung eines Werkstoffes sehr hoher Dichte geboten, wie schon weiter oben dargelegt wurde.

Nun haben aber die bisher bekanngewordenen Bleibetonsorten, bei welcher das Blei in Pulverform zugefügt wurde, im allgemeinen eine maximale Dichte von 6.5. Diese Dichte ist ungenügend um eine wirksame Abschirmung gegen Gammastrahlen zu¹ gewährleisten.

Die Anmelderin hat herausgefunden, dass die Dichte von Bleibeton merklich erhöht werden kann wenn das Blei nicht ausschliesslich in Pulverform,sondern in Form einer Mischung aus Bleischrot verschiedenen Kalibers und Bleipulver verarbeitet wird. Dank der Verwendung von Bleischrot erlaubt das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Bleibeton_? je nach Körnung des Schrots, das Erzielen einer Dichte von 8,20 bis 8,55 (in feuchtem Zustand des Bleibetons) _? womit ©ine wirksa.m-s Abschirmung gegen Gammastrahlung gegeben ist»

Erfindungsgemäss werden zur Herstellung von Bleibeton folgende Materialmengen für 1 nr Beton benutzt.

- Wasserzement 420 bis 480 kg

- Bleilegerungspulver

- grobes Bleilegierungsschrot

- mittelfeines Bleilegierungsschrot

- Wasser

Eine besonders vorteilhafte Misclmng *ai'"G welcher eine ' Bleibetondichte von 8_P44 erzielt werden kam,, ist gewichtsmässig folgendermassen zusat^-isnfct

1800	bis	2500	kg
2000	bis	4000	kg
1300	bis	1800	kg
120	bis	180	kg

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- Wasserzement 450 kg

- Bleilegisnsi/Sapiilver 2400 kg

- grebes Bleilegierungsschrot 3920 kg

- mittelfeines Bleilegierungsschrot 1520 kg

- Wasser 150 kg

Die angegebenen Werte geben die Mengenverhältnisse zur Herstellung eines Kubikmeters Beton an und ändern sich natürlich proportional zur herzustellenden Bleibetonmenge.

Es muss festgehalten werden, dass der zur Herstellung des erfindungsgemässen Bleibetons verwendete Wasserzement vorzugsweise feuerfester Zement (Schamottemörtel) mit 40$ Tonerdegehalt ist. Bei Verwendung dieses Zementes verträgt der Bleibeton Temperaturen bis zu 800⁰C. Dies ist ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemässen Bleibetons wenn bedacht wird, dass das Blei zwischen 200 und 300⁰C erweicht.

Das Bleipulver besteht vorzugsweise aus länglichen Körnchen, 'da hierdurch gegenüber kugelförmigen die spezifische Oberfläche und damit die Adhäsion an den Zement grosser wird. Die chemische Zusammensetzung der Pulverlegierung muss genau eingehalten werden da es auf Grund ihrer grcssen spezifischen Oberfläche die Pulverkörnchen sind, ν siehe an erster Stelle zu einem Aufquellen neigen und damit zur Rissbildung des Betons führen. Erfindungsgemäss haben die Bleipulverkörnchen weniger als 1 mm Durchmesser, vorzugsweise zwischen 300 und 1000 Mikrometer.

Die zweite,als mittelfeines Bleischrot bezeichnete

6-ranulatHass3"besteht vorteilhafterweise aus Bleilegierungskb'rnem mit einem Durchmesser von 1 bis 4 mm ,,vorzugsweise von 1 bis 3 mm. Diese Körnungsbandbreite hat ein sehr holies Schutt gewicht und sr-gibt einen sehr dioliten und leicht su 'i'srarbeitenden Bl-si.l;:'■·:■■;.',c T-:: s Ecr::3~? dieses mittelfeinen 3Lts:l^slirot??; sind an^äliirna inrpv-Jirsige

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Das grobe Bleischrot "bss-'uelrb es'fin&ungsgemä'ss aus Bleilegierungskörnern mit einem Durchmesser von 4 Ms 10 vorzugsweise von 5 bis 6 mm» Um die Adhäsion zwischen G-robschrot und dem hydraulischen Bindemittel zu vsr die Form der Körner nicht regelmässig, sondern vorzugsweise höckerig.

Die von der Zementmenge abhängige Wasserzugabe muss verhältnismässig genau dosiert werden, da schon ein geringer Wasserüberschuss den Prozess der Vibrationsverdichtung des Bleibetons sehr erschweren kann.

Die erfindungsgemässe Bleibetonherstellung kann mit den gleichen Apparaturen durchgeführt werden wie sie für gewöhnlichen Beton benutzt werden unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Dichte des erfindungsgemässen Betons sehr· hoch liegt. Es ist deshalb angezeigt, einen Mischer mit kleinem Passungsvermögen zu verwenden.

Eine Abschirmung gegen Neutronenstrahlung besteht in wesentlichem darin, dass die schnellen Neutronen abgebremst und die thermischen Neutronen absorbiert oder eingefangen werden. Das Abbremsen der schnellen Neutronen kann mittels eines Stoffes mit niedriger Atomzahl, wie etwa Wasser, durchgeführt werden. Erfindungsgemäss wird Bor bevorzugt, welches eine zufriedenstellende Absorptionsfähigkeit für Neutronenstrahlung hat.

Gemäss einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird dem Bleibeton im Hinblick auf Neutronenstrahlungsabsorption eine borhaltige Verbindung zugegeben. Eine zweite bevorzugte und vorteilhafte Zusammensetzung für 1 Kubikmeter Bleibeton ist deshalb folgende:

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- Zement 450 kg

- Pandermit 400 kg

- Bleilegierungspulver 2000 kg

- mittelfeines BleilegierungsschrotlöOO kg

- grobes Bleilegierungsschrot 2450 kg

- Wasser 175 kg

Das Pandermit ist ein Mineral mit bis zu 48$ Anteil Kalziumborat BpO, und 18$ Kristallisationswasser. Dieser Bleibetontyp verzögert die schnellen und absorbiert die thermischen Neutronen und eignet sich deshalb besonders gut als Abschirmung gegen Neutronenstrahlung. Wenn auch die Dichte dieses Betons etwas unter derjenigen des ersten Betontyps liegt, so ist sie doch noch ausreichend um auch eine genügend grosse Dämpfung der Gammastrahlen zu bewirken.

Der erfindungsgemässe Bleibeton bietet also eine wirksame Abschirmung gegen radioaktive Strahlungen, insbesondere gegen Gamma- und Neutronenstrahlung. Während einfache Bleiziegel nur gegen Gammastrahlung, nicht jedoch gegen Neutronenstrahlung wirksam sind und andererseits etwa PoIyaethylenziegel nur gegen Neutronenstrahlung, nicht aber gegen Gammastrahlen schützen, ist durch die vorliegende Erfindung ein Material geschaffen, welches gleichzeitig gegenüber den beiden durchdringendsten Strahlungstypen wirksamen Schutz bietet.

Im Vergleich zu blei- und kunstharzhaltigem Schutzmaterial, welcher bisher ausschliesslich zu einer wirksamen Abschirmung gegen radioaktive Strahlung benutzt wurde, hat der erfindungsgemässe Bleibeton einen beträchtlichen wirtschaftlichen Vorteil.

Die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemässen Bleibetons sind die gleichen wie die gewöhnlichen Betons und gestatten vielfaltige Anwendungen desselben.

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Dieser Bleibeton kann z.B. an Ort und Stelle zur Errichtung von Umfassungsmauern oder Abschirmwänden vergossen werden. Er kann zu vorgefertigten Elementen, wie z.B. quaderfö'rmigen Ziegeln, verarbeitet werden. Für die Verwendung an schwer zugänglichen Stellen, z.B. für die Reparatur von Leckstellen oder Reaktorunfällen, kann der Bleibeton an Ort und Stelle hergestellt werden und mittels flexibler Rohre an die gewüREChten Stellen gebracht werden.

Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemässen Bleibetons gegenüber Bleiziegel oder gewähnlichem Beton ist in seiner Hitzebeständigkeit bis zu 800⁰C zu sehen. Dieser Punkt ist für seine Verwendung in Kernreaktoren von besonderer Bedeutung, da schwere Unfälle, welche sonst bei zufälliger Ueberhitzung auftreten könnten, vermieden werden. .

Es muss bemerkt werden, dass die verschiedenen, erfindungsgemässen Zusammensetzungen sich sowohl für normalen Beton als auch für vorgespannten oder nicht vorgespannten Monierbeton eignen.

Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften eignet der erfindungsgemässe Bleibeton sich besonders vorteilhaft zur Verwendung auf dem Gebiet der Kernreaktoren, für Transportbehälter, für Behälter für radioaktiven Müll, sum Einmauern von Atommüll in Gruben, Schächten und ähnliches, sur Abschirmung der Schiffs- oder Unterseebootreaktoren und zum Schutz von Krankenhäusern.

Absorptions- und Dämpfungsversuche für radioaktive Strahlungen wurden mit dem erfindungsgemässen, borhaltigen Bleibeton durchgeführt und "bestätigten dessen ausgezeichnete Eigenschaften. Die untenstehende Tabelle I gibt die Resultate der Dämpfungsmessung einer Gammastrahlung, herrührend aus einer Punktquelle von Go mit einer Aktivität zu 1 Ci (Guide), wieder.

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Zwischen dieser punktförmigen Strahlungsquelle und einer Ionisierkammer wurden jeweils drei Schutzschirme unterschiedlicher Dicke aufgestellt5 einmal aus gewöhnlichem Beton, dann aus erfindungsgemässenis bcrhaltigem Bleibeton und schliesslich aus Blei, Me T'aiell? I zeigt einmal den Durchsatz in einen Meter Entfernung von der Strahlungsquelle und in mrad/h ausgedrückt und weiterhin die Dämpfung (rr-) der Strahlung gegenüber"der in der Luft durchgeführten Messung von ()

	TABELLE I	Dämpfung	Borhaltiger Bleibeton	Dämpfung	Blei	Dämpfung
Schirm	Gewöhnlicher Beton	1,6 2,2 3,6	mrad/h	3,8 16,5 110	mrad/h ]	12,5 190 3600
dicke	mrad/h		330 75 11,5		110 6,6 0,35
5 cm IO cm 15 cm	780 560 350

Aus dieser Tabelle I geht eindeutig die Ueberlegenheit des erfindungsgemässen, borhaltigen Bleibetons über gewöhnlichen Beton inbezug auf Dämpfung von Gammastrahlung hervor. Es versteht sich, .dass die Dämpfungskapazität von reinem Blei gegenüber Gammastrahlung noch grosser ist, jedoch kann Blei, abgesehen von wirtschaftlichen Ueberlegungen, im allgemeinen nicht allein verwendet werden da es keinen Schutz gegenüber Neutronenstrahlung bietet.

Um die Schutzwirkung gegenüber Neutronenstrahlung festzustellen wurde eine punktfärmige Strahlungsquelle aus FaBe benützt mit einer Aktivität von 1,9.10 n/cm .s, welche Neutronen mit einer mittleren Energie von 4MeV,also schnelle Neutronen lieferiaMit Hilfe eines Detektors, welcher die minutlichen Impulse anzeigte, wurden Versuche mit Schutzschirmen unterschiedlicher Dicke, welche zwischen Strahlungsquelle und Detektor aufgestellt wurden, durchgeführt. Die Tabelle II gibt die Messresultate wieder, welche einmal mit Sohutzschirmen aus gewöhnlichem Beton, dann mit borhaltigem Bleibeton gemäss vorliegender Erfindung und schliesslich mit Polyasthylenziegeln spalten wurden; ohne Schutzschirm srsabea die Messungen , ■

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274 Impulse/min.

TABELLE II

Schirm- Gewöhnlicher Beton Borhaltiger Beton Ziegel aus decke · Polyaethylen

5 cm 264 imp./min. 10 cm 223 imp./min. 15 cm 167 imp./min.

223 imp./min. 204 imp./min. 136 imp. /min.

129 imp./min. 129 imp./min. 129 imp./min.

Man kann auch hier die ausgezeichnete Schutzwirkung von erfindungsgemässem, borhaltigem Bleibeton gegenüber Neutronenstrahlung im Vergleich zu derjenigen von gewöhnlichem Beton feststellen. Wenn die Schutzwirkung von Polyaethylenziegeln derjenigen des borhaltigen Bleibetons noch überlegen ist, so schliessen wirtschaftliche Ueberlegungen und die Tatsache, dass sie gegenüber Gammastrahlung unwirksam sind, eine rationelle Verwendung dieses Werkstofftyps aus.

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Claims

PATENTANSPRUECHE

(lJ Legierung zur Herstellung von Bleibeton, gekennzeichnet durch eine schemische Zusammensetzung, deren prozentuale Gewichtsanteile, zwischen folgenden Grenzwerten liegens

- Zinn 1,3 bis 1,9 i»

- Antimon 1,3 bis 1,9 $

- Blei 96,2 bis 97,4$
2. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine 'chemische Zusammensetzung mit den Gewichtsprozentsätzen:

- Zinn 1,5 $

- Antimon 1,5 $

- Blei 97 %
3. Bleibeton, gekennzeichnet durch eine gewichtsmässige Zusammensetzung für ein Kubikmeter Beton von:

- Wasserzement 420 bis 48O kg

- Pandermit 0 bis 400 kg

- Bleilegierungspulver I8OO bis 2500 kg

- grobes Bleilegierungsschrot 2000 bis 4OOO kg'

- mittelfeines Bleilegietfungsschrot 1300 bis 1800 kg

- Wasser 120 bis I8O kg
4. Bleibeton gemäss Anspruch'3» gekennzeichnet durch folgende gewichtsmässige Zusammensetzing für ein Kubikmeter Beton:

- Wasserzement 450 kg

- Bleilegierungspulver 2400 kg

- grobes Bleilegierungsschrot 3920 kg

- mittelfeines Bleilegierungsschrot 1520 kg

- Wasser 150 kg
5. Bleibeton nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Nassdichte von 8,44·

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6. Bleibeton nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch folgende gewichtsmässige Zusammensetzung für ein Kubikmeter Beton:

- Zement 450 kg

- Pandermit· , ·'. . 400 kg

- Bleilegierungspulver 2000 kg

- mittelfeines Bleilegierungsschrot 1600 kg

- grobes Bleilegierungsschrot 2450 kg

- Wasser 175 kg
7. Bleibeton nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Bleilegierung folgende chemische Gewichtszusammensetzung hat.

- Zinn 1,5 $

- Antimon 1,5 i°

- Blei 97 1° ■ ■
8. Bleibeton nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zement ein feuerfester Zement mit 40$ Tonerde ist.
9. Bleibeton nach den Ansprüchen 3 bis 6» dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Bleipulverkörnchen zwischen 300 und 1000 Mikron variiert, derjenige des mittelfeinen Schrotes zwischen 1 und 3 nun und derjenige des G-robschrotes zwischen 5 und 6 mm.
10. Bleibeton gemäss den Ansprüchen 3 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, dass er für die Herstellung von Monierbeton verwendet wird.

ORIGINAL INSPECTED

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