DE3635834C2

DE3635834C2 -

Info

Publication number: DE3635834C2
Application number: DE3635834A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dr. 6500 Mainz De Speit
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1986-10-22
Filing date: 1986-10-22
Publication date: 1988-09-29
Also published as: FR2605624B1; JPS63112438A; US5073524A; GB2196957B; GB8724445D0; FR2605624A1; DE3635834A1; JPH0530776B2; GB2196957A

Description

Die Erfindung betrifft cerdotierte Strahlenschutzgläser im System SiO₂-PbO-Alkalimetalloxide mit hohen Absorptions koeffizienten für hochenergetische Röntgen- und/oder γ-Strahlung und Neutronenstrahlung, verbunden mit einer durch Ceroxid bewirkten Strahlenresistenz gegenüber Verfärbung.

Strahlenschutzgläser finden Anwendung in Strahlenschutzfenstern von heißen Zellen in Kernforschungsanlagen, Isotopenlabors und Wiederaufbereitungsanlagen. Die Anforderungen an die aus unterschiedlichen Strahlenschutzgläsern konstruierten Fenster sind:

a) die Abschirmung der Strahlung aus den heißen Zellen für den Beobachter vor dem Fenster (biologischer Schutz) bis auf eine gesetzlich festgelegte Minimaldosis [mrem];
b) eine möglichst hohe Transparenz des Gesamtfensters auch bei Strahleneinwirkung über mehrere Jahrzehnte (Strahlenresistenz);
c) eine hohe Stabilität der Gläser des Fensters gegen Entladung (Entladungsfestigkeit).

Stand der Technik

Zu a)
Mit Pb-Gläsern von 24-75 Gew.-% PbO können Fenster für jeden Anwendungsfall durch Kombination verschiedener Pb-Gläser unterschiedlicher Dicken problemlos konstruiert werden, so daß der biologische Schutz immer zu gewährleisten ist;

Zu b)
Die Transparenz eines Fensters aus mehreren Glasscheiben verschiedener Gläser ist abhängig von:

1. der Transparenz der Einzelscheiben
2. der Dicke der Einzelscheiben
3. Streulichtverlusten an Oberflächen der Einzelscheiben
4. der Anzahl der Scheiben, die die Grenzflächen in c) beeinflussen
5. der Strahlenresistenz der verwendeten Glasarten.

Durch Auswahl optisch homogener, mit CeO₂ gegen Strahlenverfärbung dotierter Strahlenschutzgläser kann eine hohe Transparenz eines Fensters selbst nach dem Betrieb einer heißen Zelle über mehrere Jahrzehnte gewährleistet werden. Die Strahlenresistenz der Gläser wird üblicherweise durch Bestrahlungstests mit Co-60 bei unterschiedlichen Strahlendosen ermittelt. Durch Reduzierung der Anzahl der Einzelscheiben und durch Oberflächenvergütung der Scheiben mittels Auslaugprozessen, Verkittung von mehreren Scheiben zu einem Verbund und Aufbringen von Antireflexionsschichten auf Glasoberflächen können Streulichtverluste an Oberflächen weiter reduziert und kann die Transparenz des Fensters weiter gesteigert werden;

Zu c)
Die heute gebräuchlichen Strahlenschutzgläser mit Pb-Gehalten zwischen 24 und 75 Gew.-% der wichtigsten Hersteller von Strahlenschutzgläsern sind lediglich bis 5×10⁶ rad entladungssicher, d. h. nach dieser Dosis ionisierender Strahlung wird nach dem international üblichen Testverfahren von Eckels und Mingesz, beschrieben in den Publikationen T. W. Eckels and D. P. Mingesz, Hot Lab. Proceedings, Argonne Nat. Lab., 1970, T. W. Eckels and D. P. Mingsz, Hot Lab. Proceedings, Argonne Nat. Lab., Proceedings of 18th Conference of Remote, eine Entladung (electrical discharge) beobachtet.

Dieses Testverfahren wird folgendermaßen durchgeführt:

Fällt ein Fallbolzen von 725 g in einer Gleithülse aus 38 mm Höhe auf den unmittelbar vorher bestrahlten (Co-60) Probewürfel von 100 mm³ und verursacht dabei

a) einen deutlich sichtbaren blauen Blitz und/oder
b) den quasi "eingefrorenen" Blitz im Glas, den sogenannten "Lichtenbergbaum",

so ist die Entladungsgrenze überschritten und man Spricht von einer Entladung.

Mit der Entladung wird das Glas zerstört und wegen der dann fehlenden Transparenz unbrauchbar.

Die Entladungsgrenze mit Angaben über Dosis [rad] und Teststrahlung [Co-60] wie z. B. 5 × 10⁶ [rad, Co-60] wird, ausgehend von unbestrahltem Material, bei sich ständig steigenden Dosen und zwischenzeitlichen Entladungstests ermittelt und der Werkstoff entsprechend charakterisiert.

Entladungsfestigkeit 5 × 10⁶ rad bedeutet also, daß bei Co-60 Strahlung unterhalb dieser Dosis keine Entladung durch den beschriebenen Aufschlagtest initiiert werden kann. Spontane Entladungen, d. h. Entladungserscheinungen ohne äußere Einwirkung wie Druck oder Stoß, werden erst bei höheren Strahlendosen erreicht.

Pb-freie Strahlenschutzgläser mit relativ geringem Absorptionsvermögen gegenüber Röntgen- und/oder γ-Strahlung sind entladungsstabil <10¹⁰ (rad). Aus diesem Grunde werden diese Gläser - üblich sind cerstabilisierte Borosilikatgläser - zum Schutz der Pb-Gläser gegen elektrostatische Entladung in Strahlenschutzfenstern von heißen Zellen eingesetzt. Dabei dienen sie zum einen als Schutzscheibe gegen Druck- und Schlageinwirkung auf die dahinter angeordneten Pb-haltigen Gläser, zum anderen zur Moderation der "heißen" Strahlung. In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau grob skizziert.

Die Hauptforderung, die an Strahlenschutzfenster gestellt wird, ist die möglichst vollständige Absorption der Strahlung im Fenster durch das Glas/die Gläser. Dabei ist die Abschirmung des Borosilikatglases mit ca. 1/4 Volumenanteil jedoch weniger als 10% der Gesamtabsorption des Fensters. Daraus wird ersichtlich, wie die Konzeption des Fensters durch das "Borosilikatglas" bezüglich Volumen und Gewicht des Fensters ungünstig beeinflußt wird.

Aus der US-PS 33 56 579 sind auch Strahlenschutzgläser bekannt, die als "Einkomponenten"-Gläser eingesetzt werden sowie Fenster, die aus diesen Gläsern aufgebaut sind. Diese bekannten halogenfreien Gläser weisen im wesentlichen die folgende Zusammensetzung auf (bezogen auf den Ansatz in Gew.-%):

SiO₂41-50 PbO30-36 CeO₂2,0-3,5 K₂O16-21

Diese Gläser sind hoch resistent gegen Verfärbung und Entladung nach γ-Bestrahlung bis zu mindestens 10⁸ Roentgen. Sie besitzen Dichten zwischen 3,1 und 3,5 g/cm³ und weisen bei einer Dicke von 1 inch (=2,54 cm) eine anfängliche Transmission von über 90% bei ungefähr 550 nm auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung von sowohl γ- und Röntgenstrahlen als auch Neutronenstrahlen absorbierenden Strahlenschutzgläsern mit einer sehr hohen Entladungsfestigkeit von <5 × 10⁸ rad bei Einwirkung energiereicher Strahlung, und mit einer Verfärbungsresistenz » 5 × 10⁸ rad (Co-60- Strahlung). Diese Aufgabe wird mit Strahlenschutzgläsern gemäß den Patentansprüchen gelöst.

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind beispielsweise Zusammensetzungen gemäß der Erfindung (in Gew.-%) und einige Eigenschaften zusammengestellt.

Die Entladungsfestigkeit und Strahlenresistenz der Gläser wurde an der Kernforschungsanlage Jülich (KFA) mit dem γ-Spektrum abgebrannter Brennelemente und in der Kern forschungsanlage Karlsruhe (KfK) mit der γ-Strahlung des Isotops Co-60 getestet.

Es war dabei überraschend, daß durch die Zugabe der für die Neutronenabsorption verantwortlichen Komponenten B₂O₃ und/ oder Gd₂O₃ bzw. (Li-6)₂O die guten Eigenschaften des Strahlenschutzglases gemäß US-PS 33 56 579 erhalten bleiben, ja daß sogar eine Entladungsfestigkeit <5 × 10⁸ rad erreicht werden kann; die γ-Strahlen absorbierenden bekannten Gläser sind nur bis ungefähr 1 × 10⁸ Röntgen als entlastungsstabil beschrieben.

Tabelle 1

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, mit den erfindungsgemäßen Gläsern Fenster zu bauen, die konstruktiv weniger aufwendig sind; d. h. durch die Reduzierung der Dicke der Fenster unter Beibehaltung der zulässigen Strahlengrenzwerte auf der kalten Seite eine höhere Transmission zu erreichen.

Dies soll an den Fig. 2a, b und 3a, b und den nachfolgenden Tabellen 2 und 3 beispielhaft gezeigt werden. Die Fenster gemäß Fig. 2a und 3a sind aus handelsüblichen Gläsern aufgebaut, während in den Fenstern gemäß Fig. 2b und 3b die erfindungsgemäßen Gläser verwendet werden. In beiden Beispielen werden die zwei Gläser mit den Dichten ρ = 2,53 g/cm³ und ρ = 3,23 g/cm³ durch ein einziges Glas mit der Dichte ρ = 3,23 g/cm³ ersetzt.

Tabelle 2

Tabelle 3

Diese beispielshaften Fensterkonstruktionen engen den breiten Anwendungsbereich der Gläser des beanspruchten Zusammensetzungsbereiches nicht ein.

Der Einbau der Fenster in Pb-Wände bedeutet bei Verwendung der erfindungsgemäßen Gläser eine wesentliche Vereinfachung bei der konstruktiven Gestaltung der Fenster und der Fensterrahmen.

Der grob skizzierte Aufbau eines Pb-Wand-Fensters (Fig. 3) macht deutlich, wie aufwendig die Halterung oder Rahmenkonstruktion der für die Pb-Wand überdimensioniert erscheinenden, aber für die Abschirmwirkung notwendigen Fensterkonstruktion ist. Wesentliche Vorteile für eine einfachere Fensterkonstruktion würden hier schon bei einer Glaseinsparung von <10 Volumen-% (siehe Fig. 3a und 3b) durch Eliminierung des Pb-freien Glasanteils und durch Einsatz der erfindungsgemäßen Gläser erwachsen. Durch diese Maßnahmen genügen diese Fenster nicht nur den 3 Hauptanforderungen für Strahlenschutzfenster:

a) biologischer Schutz
b) Transparenz, Strahlenesistenz und
c Entladungsfestigkeit

sondern verbessern bei einem wesentlichen geringeren Glaseinsatz sogar die Transparenz und den Blickwinkel des Fensters. Letzteres führt bei größerem Blickfeld zur besseren Überwachung einer "heißen" Zelle.

Ausführungsbeispiel für 10 kg Glas

Quarzmehl43 960 g Mennige Pb₃O₄33 920 g Lithiumcarbonat 750 g Kaliumcarbonat25 880 g Natriumcarbonat 1 210 g Kaliumhydrogenfluorid 400 g Cer(IV)oxid 1 005 g Borsäure (H₃BO₄) 5 310 g

Das homogene Gemenge wird in einem Quarztiegel oder in einer kontinuierlich arbeitenden Schmelzwanne mit Quarz- Einschmelzbecken zwischen 1220 und 1300°C aufgeschmolzen. Nach einer anschließenden Läuterung von einigen Stunden bei Temperaturen zwischen 1300 und 1350°C wird die Schmelze mit einem Pt-Rührer homogenisiert. Die blasenfreie Schmelze wird dann während des Abkühlens auf 1250°C weiter mit dem Rührer schlierenfrei homogenisiert, bei 1180-1210°C in eine Form gegossen und bei ca. 530°C in einem Kühlofen gleichmäßig auf Raumtemperatur abgetempert.

Zusammenfassung

Cerdotierte Strahlenschutzgläser im System SiO₂-PbO-Alkali metalloxide mit hohen Absorptionskoeffizienten für hochenerge tische Röntgen- und γ-Strahlung und Neutronenstrahlung, die gegenüber einer Verfärbung resistent sind und eine Entladungsfestigkeit <5 × 10⁸ rad besitzen, bestehen aus (in Gew.-%)

zur Absorption von Neutronen kann außerdem das Isotop Li-6 enthalten sein, und SiO₂ kann in einer Menge von bis zu 10 Gew.-% durch B₂O₃ und/oder Gd₂O₃ ersetzt sein.

Claims

1. γ- und Röntgenstrahlen und Neutronenstrahlen absorbierende Strahlenschutzgläser mit einer Entladungsfestigkeit <5×10⁸ rad gegenüber energiereicher Strahlung, im Glassystem (Mengenangaben in Gew.-%)

dadurch gekennzichnet, daß in den Gläsern zur Absorption von Neutronen SiO₂ in einer Menge von bis zu 10 Gew.-% durch B₂O₃ und/oder Gd₂O₃ ersetzt ist.

2. Gläser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gläsern zur Absorption von Neutronen zusätzlich das Isotop Li-6 in Form von (Li-6)₂O bis zu 2,4 Gew.-% enthalten ist.

3. Gläser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Läutermittel As₂O₃ und/oder Sb₂O₃, die Halogene F und Cl sowie Sulfate in Mengen von bis zu 0,5 Gew.-% enthalten.

4. Verwendung der Gläser nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für Strahlenschutzfenster.