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Die Erfindung betrifft Strahlenschutzmaterialien, die
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bis auf die gewunschte Dicke und Form vorgegossen oder an Ort und
Stelle vergossen werden können.
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a- und ß-Strahlung kann leicht mit dünnen Schichten aus verschiedenen
Materialien abgeschirmt werden. y-strahlen und Neutronen sind jedoch energiereicher
und erfordern für einen wirksamen Strahlenschutz spezielle Abschirmungen.
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Die besten Elemente zum Schutz gegen Neutronen sind Bor, Lithium,
Cadmium und Kohlenstoff, die im allgemeinen in Form von festen Stäben, Tabletten,
Sinterplatten usw.
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verwendet werden. Wasser und Polyäthylen stellen ebenfalls sehr wirksame
Neutronenabschirmungen dar, doch ist ihre Verwendung auf solche Fälle beschränkt,
in denen die Temperaturen 115 bzw. i200C (240 bzw. 2500F) nicht überschreiten.
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Siliciumhaltige Werkstoffe wurden bereits seit mehr als 30 Jahren
auf ihre Strahlungsbeständigkeit untersucht, und es wurde gefunden, daß verschiedene
Silikon-Kautschukarten und -Harze y-Strahlung wirksam abschirmen; in einem gewissen
Grad wird auch Neutronenstrahlung abgeschirmt. Es ist ferner bekannt, elastomere
Silikone mit Borcarbid oder anderen neutronenabsorbierenden Materialien zu füllen,
um biegsame, wirksame r- und Neutronen-Schutzmaterialien zu erzeugen, die vorgegossen
oder an Ort und Stelle vergossen werden können. Die biegsamen Strahlenschutzwerkstoffe
auf Silikongrundlage haben gegenüber den üblichen starren Werkstoffen, wie dickem,
mit Blei verstärktem Beton, gesinterten Borcarbidplatten und dergleichen, zahlreiche
Vorteile. Sie können zu jeder gewünschten Form und Dicke geformt, leicht mit einem
Messer oder einer Rasierklinge geschnitten und von Hand in eng begrenzte Räume eingefüllt
werden; sie können ferner leicht an gewisse Stellen geklebt oder durch feste Klebstoffe
miteinander verbunden werden; sie haben ferner eine geringere Neigung zur Rißbildung
und
zum Verlust ihrer strukturellen Integrität im Falle eines Erdbebens.
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Die bekannten borhaltigen Silikonwerkatoffe wurden bisher mit Borcarbidteilchen
mit einer Teilchengröße von etwa 0,84 mm (20 mesh, US-Sieb) gefüllt; diese Teilchen
sind verhältnismäßig grob und lassen sich nur schwierig in der Silikon-Grundmasse
verteilen. Durch die Erfindung werden Bor-Silikon-Strahlenchutzmaterialien zur Verfügung
gestellt, in denen feine Borcarbidteilchen dispergiert sind. Die Verwendung feiner
Teilchen erleichtert die Herstellung und ermöglicht ferner überraschenderweise den
Einbau einer größeren Borcarbidnenge als bisher möglich war. Noch überraschender
ist es, daß bei Verwendung der feinen Teilchen die Neutronenabsorption des Bor-Silikon-Strahlenschutzmaterials
verbessert wird.
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Die Erfindung betrifft somit ein Strahlenschutzmaterial, das im allgemeinen
25 bis 95 Vol.-% eines strahlungsbeständigen biegsamen Silikonelastomer-Grundmaterials
enthält, in welchem 5 bis 75 Vol.-% feine Teilchen eines neutronenabsorbierenden
Materials praktisch gleichmäßig verteilt sind.
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Die feinen Teilchen haben eine Größe oder lichte Maschenweite von
etwa 0,25 mm (60 mesh, US-Sieb) oder kleiner; wenn die Massen an Ort und Stelle
vergossen werden, so beträgt die TeilchengröBe etwa 0,05 mm (300 mesh) oder weniger.
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Borcarbid ist das bevorzugte neutronenabsorbierende Material.
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Im allgemeinen kann jedes Silikon-Elastomer, das die nachstehend angegebenen
Eigenschaften hat, erfindungsgemäß verwendet werden. Es kann sich hierbei um Elastomere
aus einer oder zwei Komponenten handeln, die entweder bei Raumtemperatur vulkanisierbar
oder in der Hitze härtbar sind.
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Die Massen werden durch gründliches Vermischen des Elastomeren mit
den feinen Teilchen des neutronenabsorbierenden Materials und anschließende Entlüftung
des Gemisches hergestellt. Die Massen können dann entweder geformt oder an Ort und
Stelle vergossen werden.
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Im einzelnen enthalten die Strahlenschutzmassen gemäß der Erfindung
ein strahlungsbeständiges, biegsames elastomeres Silikon-Grundmaterial mit 5 bis
75 Vol.-feinen Teilchen eines neutronenabsorbierenden Materials, das praktisch gleichmäßig
in der Grundmasse verteilt ist. Weiterhin kann das Grundmaterial mit bis zu 48 Gew.-
Siliciumdioxid oder anderen geeigneten Füllstoffen gefüllt werden, bevor die neutronenabsorbierenden
Teilchen zugesetzt werden.
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Wasserstoffreiche Silikon-Elastomere, die in Gegenwart von Brennstoffelementen
und bei Teriperaturen von etwa 2000 C (4000F) beständig sind, werden bevorzugt.
Es können aber auch Silikon-Elastomere mit einem geringeren Wasserstoffgehalt verwendet
werden. Borcarbid ist das bevorzugte neutronenabsorbierende Material.
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Der Ausdruck "strahlungsbestandig" bezieht sich auf Werkstoffe, die
gegenüber einer y-Strahlung von mindestens 300 x 10 6rad beständig sind und die
in der Lage sind bei Temperaturen von mehr als 2000C mindestens 1 x 1017 Neutronen
Je cm2 zu absorbieren und hierbei ihren hohen Wasserstoffgehalt zu behalten.
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Unter "feinen Teilchen" versteht man solche, die durch ein Sieb mit
einer lichten Naschenweite von etwa 0,25 mm (60 mesh, US-Sieb) hindurchgehen bzw.
feinere Teilchen.
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Der Ausdruck "wasserstoffreich" bezieht sich auf Silikon-Elastomere
mit einem rv'asserstoffgehalt von mindestens etwa 5 Gew.-, Die neutronenabsorbierenden
Substanzen sind vorzugsweise borhaltige Verbindungen, wie Borcarbid, Borsäure und
Boroxid oder andere geeignete borhaltige Substanzen. Geeignete cadmiumhaltige Verbindungen
wie Cadmiumoxid sowie geeignete lithiumhaltige Verbindungen,wie Lithiumoxid können
erfindungsgemäß ebenfalls verwendet werden.
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Das bevorzugte Strahlenschutzmaterial ist Borcarbid. Die erfindungsgemäß
verwendeten Borcarbidteilchen haben gewöhnlich einen Borgehalt von mindestens 70
Gew.-0/o und können bis zu 80 Gew.-% oder mehr Bor enthalten. Vorzugsweise verwendet
man auch Borcarbid, das mindestens 10 bis 20 Gew.-i' oder mehr an B10 enthält. Mit
B10 angereichertes Borcarbid kann ebenfalls verwendet werden.
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Erfindungsgemäß ist es kritisch, Borcarbidteilchen mit einer Größe
von etwa 0,25 mm (60 mesh, US-Sieb) oder kleiner, zu verwenden, wobei Teilchengrößen
von etwa 0,15 bis 0,1 m (100 bis 150 mesh) oder kleiner bevorzugt werden. Sollen
die Massen in einen Behälter oder in eine Form gegossen werden, so soll die Größe
der Borcarbidteilchen zweckmäßig etwa 0,074 mm (200 mesh) oder weniger und vorzugsweise
etwa 0,05 mm (300 mesh) oder weniger betragen.
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Die Teilchengröße beeinflußt die Viskosität der Masse vor dem Formen
oder Gießen, d.h. die erfindungsgemäß verwendeten feinen Teilchen erleichtern die
Herstellung des Materials. Uberraschenderweise erhöhen die feinen Teilchen der neutronenabsorbierenden
Werkstoffe auch den Dämpfungsfaktor des Strahlenschutzmaterials.
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Die erfindungsgemäß bevorzugten Grundmassen sind wasserstoffhaltige
strahlungabeständige härtbare oder vulkanisierbare elastomere Silikonmassen, die
nach dem Vulkanisieren biegsam sind. Die Silikon-Elastomere können entweder bei
Raumtemperatur vulkanisierbar oder in der Hitze härtbar sein und aus einer oder
zwei Komponenten bestehen.
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Geeignete Werkstoffe sind Silikonharze, Polysiloxane, Polyphenylmethylsiloxane,
Dimethylpolysiloxanharze und andere geeignete Organopolysiloxane, wie sie beispielsweise
in den US-Patentschriften 3 652 488, 3 445 420 und 3 453 234 beschrieben sind.
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Das bevorzugt verwendete strahlungsbeständige Silikon-Elastomer ist
ein mit Siliciumdioxid gefülltes, aus zwei Komponenten bestehendes, bei Raumtemperatur
vulkanisierbares, flammhemmendes Silikonharz, das durch die Firma Dow Corning Corporation,
Midland, Michigan, unter der Handelsbezeichnung SYLGARD 170 A&3 vertrieben wird.
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Andere geeignete Werkstoffe umfassen (ohne darauf beschränkt zu sein)
die SILGAN-Silikon-Elastomeren, die von der SWS Chemical Corporation, Adrian, Michigan,
vertrieben werden, z.3. SILGAN H-621, ein aus zwei Komponenten bestehendes, bei
Raumtemperatur vulkanisierbares Silikon-Elastomer, und SILGAN J-500, ein aus einer
Komponente bestehendes Elastomer. Die aus einer Komponente bestehenden SILGAN-Elastomeren
sind zur Herstellung von Strahlenschutzmaterial mit einer Dicke von etwa 6 mm (1/4kl)
oder weniger geeignet. Die aus zwei Komponenten bestehenden Elastomeren sind für
beliebige Stärken geeignet. Ein weiteres geeignetes Harz ist ein funktionelles Dimethylpolysiloxan-Elastomer,
das abstehende Epoxidgruppen enthält und das von der Firma Union Carbide unter der
Handelsbezeichnung UNION CARBIDE L-9300 vertrieben wird.
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Es kann auch die von der Firma General Electric Corp., Silicone Division,
unter der Bezeichnung Compound No 627 vertriebene Masse verwendet werden.
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Im allgemeinen werden die erfindungsgemäßen Massen dadurch hergestellt,
daß de gewünschte Menge an feinteiligem Borcarbid in das nicht vulkanisierte elastomere
Grundmaterial geschüttet wird, worauf die Masse etwa 15 bis 30 Minuten durchgemischt
wird, vorzugsweise mit einem Mischer mit hoher Scherwirkung, um eine praktisch gleichmäßige
Verteilung des neutronenabsorbierenden Materials in der Grundmasse zu erzielen.
Wird ein aus zwei Komponenten bestehendes Elastomer verwendet, so werden gleiche
Mengen an Borcarbidteilchen (entsprechend der halben gewünschten Menge) in beide
Komponenten eingemischt, worauf die beiden Komponenten nochmals 15 bis 30 Minuten
miteinander vermisdt werden.
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Sobald die feinen Borcarbidteilchen gleichmäßig in der Grundmasse
verteilt sind, wird das Gemisch in einen Behälter gebracht, in welchem es bei einem
Druck von weniger als etwa 680 bis 850 mbar (20 - 25 inch Hg) etwa 15 bis 30 Minuten
entlüftet wird. Im Behälter wird dann ein positiver Druck von etwa 1,07 bis 8 bar
(1 bis 100 psi) in Abhängigkeit von der Viskosität der Masse, erzeugt, und die Masse
wird vorzugsweise unter Rühren, aus dem Behälter in einen Hohlraum oder in eine
Form gepreßt.
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Das Strahlenschutzmaterial kann in an sich bekannter Weise entweder
in die gewünschte Form gebracht oder an Ort und Stelle vergossen werden. Soll die
Masse vergossen werden, so sollen die Borcarbidteilchen vorzugsweise eine Größe
von etwa 0,05 mm (300mesh) oder weniger haben.
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Die Massen gemäß der Erfindung enthalten Wasserstoff, Sauerstoff und
Kohlenstoff, wodurch die schnellen Neutronen zu langsamen, thermischen Neutronen
abgebremst werden, die durch das Bor absorbiert werden. Jedes absorbierte Neutron
erzeugt nur einen weichen y-Strahl (0,42 MeV) und ein a-Teilchen, die durch die
elastomere Silikon-Grundmasse absorbiert werden.
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Die erfindungsgemäßen Massen wurden einer y-Strahlung 11 von 2 x 10
rad und einem Neutronenfluß von 7 x 1017 Neutronen ausgesetzt, wobei als einzige
physikalische Veränderung eine Härtung beobachtet wurde. Die Massen sind in der
üblrhen Ungebung von Brennstoffelementen beständig und halten Temperaturen von mehr
als etwa 2000C (4000F) gut aus.
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Die Menge des Borcarbids oder eines anderen neu-tronenabsorbierenden
Materials kann in Abhängigkeit von dem gewünschten Abschwächungsgrad schwanken.
Soll das Schutzmaterial an weniger stark exponierten Stellen verwendet werden, an
denen das Personal nur einer geringfügigen oder kurzen Bestrahlung ausgesetzt ist,
so können Strahlenschutzmassen verwendet werden, die nur verhältnismäßig geringe
Mengen an Borcarbid enthalten. Ist andererseits das Personal dauernd der Strahlung
ausgesetzt, so ist ein höherer Abschirmgrad erforderlich. Die erfindungsgemäßen
Massen können innerhalb der hier angegebenen Parameter variiert werden, um den meisten
Strahlenschutzanforderungen zu genügen.
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Die Erfindung ist durch die nachstehenden Beispiele erläutert.
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Beispiel 1 Ein Ansatz von 38 Liter (10 gall; einer unvulkanisierten
Strahlenschutzmasse unter Verwendung des aus zwei Komponenten bestehenden Silikon-Elastomers
SYLGARD 170 A&B wird dadurch hergestellt, d etwa 10,5 Liter (2,77 gall.) Borcarbid
mit einer Teilchengröße von etwa 0,15 mm (100 mesh) 15 Minute in einem Behälter
aus korrosionsbeständigem Stahl in etwa 8,5 Liter (2,23 gall.) der Elastomerenkomponente
sowie etwa 10,5 Liter (2,77 gall.) Borcarbid mit einer Teilchengröße von etwa 0,15
mm (100 mesh) in einem Behälter aus korrosiansbeständigem Stahl in etwa 8,5 Liter
(2,23 gall.)der Härterkomponente
eingemischt werden. Das Elastomer
und der Härter, die mit dem Borcarbid gefüllt sind, werden dann unter Verwendung
eines Mischers mit hoher Scherwirkung 20 Minuten miteinander vermischt. Das gemischte,
mit Borcarbid gefüllte Elastomer wird unter Rühren bei einem Druck von etwa 680
mbar 15 Minuten entlüftet. Dann wird der Druck auf etwa 3,1 bar erhöht, und die
nicht vulkanisierte Strahlenschutzmasse ist gebrauchsfähig.
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Beispiel 2 Die Masse nach Beispiel 1 wird in eine horizontale Form
mit einer Breite von etwa 20 cm (8 inch),einer Länge von etwa 366 cm (12 ft) und
einer Dicke von etwa 6,4 mm (1/4 inch) gegossen und vulkanisieren gelassen.
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Das erhaltene Strahlenschutzinaterial wird als plattenförmige Schutzabdeckung
für Gestelle mit verbrauchten Brennstoffelementen verwendet.
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Beispiel 3 Es wird ein Ansatz von etwa 38 Liter (10 gall.) einer
Strahlenschutzmasse nach der Arbeitsweise von Beispiel 1 hergestellt, wobei 25 Vol.-%
(9,5 Liter) Borcarbid mit einer Teilchengröße von etwa 0,065 mm (220 mesh) und einem
Borgehalt von 76 Gew.-% sowie 95 Vol.-% SYLGARD 170 A&5 verwendet werden.
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Beispiel 4 Ein Ansatz von etwa 38 Liter (10 gall.) eines Strahlenschutzmaterials
wird nach der Arbeitsweise von Beispiel 1 hergestellt, wobei 43 Vol.- (16,3 Liter)
Borcarbid mit einer Teilchengröße von etwa 0,05 mm (300 mesh) und einem Borgehalt
von 70 Gew.-% sowie 57 Vol.-% SYLGARD 170 A&B verwendet werden.
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Beispiel 5 Ein Ansatz von etwa 380 Liter (100 gall.) eines Strahlenschutzmaterials
wird nach der Arbeitsweise von Beispiel 1 hergestellt, wobei etwa 348 Liter (91,1
gall.) Dimethylpolysiloxan (General Electric Silicone No 627) und etwa 33,7 Liter
(8,9 gall.) Borcarbid mit einer Teilchengröße von etwa 0,18 mm (80 mesh) und einem
Borgehalt von 80 % verwendet werden.
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Beispiel 6 Ein Ansatz von etwa 1900 Liter (500 gall.) einer Strahlenschutzmasse
wird nach der rbeitsweise von Beispiel 1 hergestellt, wobei 75 Vol.-o Borcarbid
mit einer Teilchengröße von etwa 0,044 mm (320 mesh) und einem Borgehalt von 76
Gew.- sowie 25 Vol.-% SYLGARD 182 oder 184 A&B verwendet werden.
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Beispiel 7 Ein Ansatz von etwa 76 Liter (20 gall.) einer Strahlenschutzmasse
wird nach der Arbeitsweise von Beispiel 1 hergestellt, wobei 60 Vol.-% Borcarbid
mit einer Teilchengröße von etwa 0,25 mm (60 mesh) und einem Borgehalt von 76 Gew.-
sowie 40 Vol.-% SILGAN J-500-Elastomer (SWS Silicones Corporation) verwendet werden.
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Die erfindungsgemäßen Massen oder Werkstoffe können als Abdeckungen
für Gestelle mit verbrauchten Brennstoffelementen, als Abschirmungen für NTeutronenstrahl-Abschwächungskollimatoren
und als Spezialabschirmungen in schnellen Impulsreaktoren (fast burst reactcrs)
verwendet werden.
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Die Massen können weiterhin zur Abschirmung von Lagerbehältern für
flüssige radioaktive Abfälle, als Bestandteile von Behältern für die chemische Aufbereitung
von Kernbrennstoffen und dergleichen verwendet werden.