EP1460641A1 - Radiation shielding device - Google Patents

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EP1460641A1
EP1460641A1 EP04006054A EP04006054A EP1460641A1 EP 1460641 A1 EP1460641 A1 EP 1460641A1 EP 04006054 A EP04006054 A EP 04006054A EP 04006054 A EP04006054 A EP 04006054A EP 1460641 A1 EP1460641 A1 EP 1460641A1
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EP
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radiation shielding
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Georg Fehrtenbacher
Torsten Radon
Frank Gutermuth
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GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
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    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/12—Laminated shielding materials

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Abstract

At least one screening component comprises a material containing bound water.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsabschirmungsanordnung im Allgemeinen und eine Strahlungsabschirmungsanordnung zur Abschirmung von Neutronenstrahlung und Gammastrahlung von Teilchenbeschleunigern oder -speicherringen, insbesondere für Synchrotronstrahlungsquellen im Speziellen.The invention relates generally to a radiation shielding arrangement and to a radiation shielding arrangement for shielding neutron radiation and gamma radiation from particle accelerators or storage rings, in particular for synchrotron radiation sources in particular.

Bei der Beschleunigung von Teilchen entsteht biologisch schädliche Strahlung, insbesondere Gammastrahlung, d.h. hochenergetische Photonenstrahlung bzw. elektromagnetische Strahlung. Zur Abschirmung von Gammastrahlung wird bislang typischerweise Beton verwendet.When particles are accelerated, biologically harmful radiation, in particular gamma radiation, is produced. high-energy photon radiation or electromagnetic radiation. To shield gamma radiation, concrete has typically been used.

In den letzten Jahrzehnten hat jedoch die mögliche maximale Energie und Intensität der Teilchen in Teilchenbeschleunigern, insbesondere in solchen, die oberflächennah aufgebaut sind, zugenommen. Hierzu zählen Synchrotronanlagen zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung, der neue Freie Elektronen Laser (FEL) TESLA bei DESY in Hamburg und neue Beschleunigeranlagen bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. Bei zukünftigen Beschleunigern, insbesondere Synchrotrons sind Teilchenenergien im Bereich mehrerer hundert GeV oder sogar größer als 1 TeV zu erwarten.However, in recent decades, the maximum possible energy and intensity of the particles has increased in particle accelerators, particularly those that are near-surface. These include synchrotron systems for generating synchrotron radiation, the new Free Electron Laser (FEL) TESLA at DESY in Hamburg and new accelerator systems at the Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. For future accelerators, especially synchrotrons, particle energies in the range of several hundred GeV or even more than 1 TeV are to be expected.

Bei derartigen Hochenergie-Beschleunigern fällt jedoch nicht nur hochenergetische Photonenstrahlung an, sondern es werden in besonderem Maße auch schnelle Neutronen erzeugt. Letztere können aber sogar bereits bei Teilchenenergien im MeV-Bereich auftreten und sind biologisch besonders wirksam, d.h. schädlich. Z.B. werden bei den vorstehend beschriebenen Synchrotrons mit Teilchenenergien von einigen 100 MeV oder größer 1 TeV eine maßgebliche Zahl von schnellen Neutronen mit Energien im Bereich von 100 MeV erzeugt. Auf der anderen Seite ist Beton zur Abschirmung von schnellen Neutronen aber wenig geeignet.In such high-energy accelerators, however, not only high-energy photon radiation is produced, but also it In particular, fast neutrons are also produced. The latter can even occur at particle energies in the MeV range and are biologically particularly effective, ie harmful. For example, in the above-described synchrotrons with particle energies of several 100 MeV or greater than 1 TeV, a significant number of fast neutrons with energies in the range of 100 MeV are generated. On the other hand, concrete is not suitable for shielding fast neutrons.

Daher besteht, insbesondere für derartige Beschleuniger und Speicherringe, aber auch für Targeteinrichtungen sowie Experimentier- und Analyseeinrichtungen ein Bedarf an effektiven Strahlungsabschirmungen, welche auch schnelle Neutronen, insbesondere im MeV- oder sogar GeV-Bereich wirksam abschirmen, was im Vergleich zu elektromagnetischer Strahlung und zu thermalisierten oder zumindest relativ langsamen Neutronen im Bereich einiger Elektronenvolt (eV) eine völlig neue Anforderung darstellt. Gerade die Kombination einer wirksamen Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung und gleichzeitig gegen schnelle Neutronen erweist sich in der Praxis als schwierig.Therefore, in particular for such accelerators and storage rings, but also for target devices and experimental and analytical devices, there is a need for effective radiation shields, which also effectively shield fast neutrons, especially in the MeV or even GeV range, which compared to electromagnetic radiation and thermalized or at least relatively slow neutrons in the range of a few electron volts (eV) represents a completely new requirement. Especially the combination of an effective shielding against electromagnetic radiation and at the same time against fast neutrons proves to be difficult in practice.

Ein weiteres Problem resultiert aus der Aktivierung, insbesondere auch durch die schnellen Neutronen, welche zum Teil zu langlebigen Radionukliden führt. Dies macht den Abbau und die Entsorgung des Abschirmungsmaterials höchst problematisch. Auch diesbezüglich besteht ein Bedarf an einer vorteilhaften Alternative zu Beton.Another problem results from the activation, in particular by the fast neutrons, which leads in part to long-lived radionuclides. This makes the degradation and disposal of the shielding material highly problematic. Also in this regard, there is a need for an advantageous alternative to concrete.

Ferner ist die oben genannte Entwicklung hin zu höheren Energien naturgemäß mit einer wesentlichen Vergrößerung der Anlagen verbunden. So besitzt z.B. HERA einen Umfang von 6,3 km, so dass Kosteneinsparungen von besonderem Interesse sind.Furthermore, the above development towards higher energies is naturally associated with a substantial increase in equipment. For example, HERA has a scope of 6.3 km, so that cost savings are of particular interest.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strahlungsabschirmungsanordnung bereit zu stellen, welche sowohl Gammastrahlung als auch schnelle Neutronen wirksam abschirmt und kostengünstig in großem Maßstab herstellbar ist.Therefore, it is an object of the present invention to provide a radiation shielding arrangement which effectively shields both gamma radiation and fast neutrons and is inexpensive to produce on a large scale.

Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strahlungsabschirmungsanordnung bereit zu stellen, welche auch bei hohen Gamma- und Neutronenenergien eine geringe Aktivierung aufweist.Yet another object of the invention is to provide a radiation shielding arrangement which has low activation even at high gamma and neutron energies.

Eine weitere Aufgabe ist es, eine Strahlungsabschirmungsanordnung bereit zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik meidet oder zumindest mindert.Another object is to provide a radiation shielding arrangement which avoids or at least mitigates the disadvantages of the prior art.

Die Aufgabe der Erfindung wird in überraschend einfacher Weise bereits durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object of the invention is achieved in a surprisingly simple way already by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.

Vorteilhafter Weise enthält die erfindungsgemäße Strahlungsabschirmungsanordnung ein Abschirmungselement aus wasserhaltigem Material, z.B. mit chemisch gebundenem Wasser, insbesondere Kristallwasser. Vorzugsweise beträgt der Wasseranteil des Materials zumindest 5, 10 oder 20 Gewichtsprozent. Die darin enthaltenen Wasserstoffkerne, respektive Protonen moderieren Neutronen aufgrund der fast identischen Masse und des damit verbundenen maximalen Impulsübertrags nahezu ideal.Advantageously, the radiation shielding arrangement according to the invention comprises a shielding element of hydrous material, e.g. with chemically bound water, especially water of crystallization. Preferably, the water content of the material is at least 5, 10 or 20 percent by weight. The hydrogen nuclei contained therein, or protons, almost perfectly neutralize neutrons due to the almost identical mass and the associated maximum momentum transfer.

Bevorzugt besteht das Abschirmungselement zumindest zu 75, Gewichtsprozent, zumindest zu 90 Gewichtsprozent oder im wesentlichen vollständig aus Gips. Die Verwendung von Gips, insbesondere einer Gipswand im wesentlichen bestehend aus abgebundenem oder ausgehärteten Gips, chemisch CaSO4*2H2O, hat sich als besonders geeignet erwiesen, da das Calcium aufgrund seiner Kernladung von 20 relativ wirksam Gammastrahlung absorbiert. Das gebundene Kristallwasser mit einem Gewichtsanteil von etwa 20 bezüglich des Gesamtgewichts des Gipses stellt wiederum die Protonen zur Verfügung.Preferably, the shielding element consists of at least 75% by weight, at least 90% by weight or im essentially entirely of plaster. The use of gypsum, in particular a gypsum wall consisting essentially of set or hardened gypsum, chemically CaSO 4 .2H 2 O, has proven to be particularly suitable since the calcium absorbs gamma radiation relatively effectively due to its nuclear charge of 20. The bound water of crystallization, about 20% by weight relative to the total weight of the gypsum, in turn provides the protons.

Im Gegensatz zu Normalbeton, der neben kleineren Mengen Calcium, Aluminium, Eisen oder erheblich teurerem Barium bei Schwerbeton, als Hauptbestandteil Silicium mit der Ordnungszahl 14 enthält, schirmt Calcium mit der Ordnungszahl 20 Gammastrahlung sogar besser ab. Dies gleicht den Dichte-Unterschied zwischen Gips (2,1 g/cm3) und Normalbeton (2 bis 2,8 g/cm3) zumindest wieder aus. Damit ist Gips bei gleicher Abschirmwirkung für Gammastrahlung vorteilhafter Weise leichter als Beton.In contrast to normal concrete, which in addition to smaller amounts of calcium, aluminum, iron or considerably more expensive barium in heavy concrete, contains as the main constituent of silicon with the atomic number 14, calcium shields even better with the atomic number 20 gamma radiation. This at least compensates for the density difference between gypsum (2.1 g / cm 3 ) and normal concrete (2 to 2.8 g / cm 3 ). This gypsum is advantageously lighter than concrete with the same screening effect for gamma radiation.

Die Dicke des Abschirmungselements ist insbesondere an die Strahlungsspektren eines Hochenergieteilchenbeschleunigers und/oder Hochenergieteilchenspeicherrings für Elektronen, Positronen oder Ionen, z.B. eines Synchrotrons, insbesondere bei Teilchenenergien von größer als 10 GeV oder größer als 30 GeV angepasst.The thickness of the shielding element is particularly related to the radiation spectra of a high energy particle accelerator and / or high energy particle storage ring for electrons, positrons or ions, e.g. a synchrotron, especially adapted for particle energies of greater than 10 GeV or greater than 30 GeV.

In Bezug auf die Abschirmung von Neutronen ist es weiter vorteilhaft, eine Neutronenabsorberschicht aus einem Material vorzusehen, welches die moderierten Neutronen absorbiert. Hierzu haben sich insbesondere Bor, Bor-Parafin, Cadmium und/oder Gadolinium bewährt.With respect to the shielding of neutrons, it is further advantageous to provide a neutron absorber layer of a material which absorbs the moderated neutrons. Boron, boron-paraffin, cadmium and / or gadolinium have proved particularly suitable for this purpose.

Eine mehrschichtige Anordnung, insbesondere das Anbringen einer separaten Neutronenabsorberschicht auf der Gipswand ist diesbezüglich besonders vorteilhaft, da die Stabilität des Gipses erhalten bleibt. Vorzugsweise muss also bei dieser Ausführungsform kein Bor oder anderes neutronenabsorbierendes Material in den Gips eingemischt werden.A multilayer arrangement, in particular the attachment of a separate neutron absorber layer on the plaster wall is particularly advantageous in this regard, since the stability of the gypsum is maintained. Preferably, therefore, in this embodiment no boron or other neutron absorbing material has to be mixed into the gypsum.

Alternativ oder ergänzend kann die Anordnung modular, z.B. blockweise ausgebildet sein.Alternatively or additionally, the assembly may be modular, e.g. block formed.

Dennoch kann es weiter vorteilhaft sein, ein- oder zweiseitig Tragschichten oder Verschalungen, z.B. aus Beton vorzusehen, welche einen Doppelnutzen, nämlich eine Stabilisierung und eine zusätzliche Abschirmung gegen Gammastrahlung bewirken. Je nach gewünschter Höhe können die Verschalungen aus Beton die nötige Stabilität erbringen, so dass Strahlungsabschirmungsanordnungen verwendet werden können, deren Gipswand alleine nicht selbsttragend wäre, jedoch in Verbindung mit der Verschalung dann selbsttragend sind, d.h. die Strahlungsabschirmungsanordnung aufgrund der Tragschicht oder Tragschichten selbstragende Stabilitätseigenschaften aufweist. Die Dicke der Tragschicht wird insbesondere danach bemessen sein.Nevertheless, it may be further advantageous to have one-sided or two-sided support layers or cladding, e.g. to provide concrete, which cause a double benefit, namely a stabilization and an additional shield against gamma radiation. Depending on the desired height, the concrete formwork can provide the necessary stability, so that radiation shielding arrangements can be used whose gypsum wall alone would not be self-supporting, but then self-supporting in connection with the shuttering, i. the radiation shielding arrangement has self-supporting stability properties due to the base layer or base layers. The thickness of the base layer will be especially dimensioned accordingly.

Bevorzugt ist noch eine Neutronenabsorberschicht, welche ein neutronenabsorbierendes Material enthält, vorgesehen. Diese ist auf der beschleunigerabgewandten Seite, insbesondere unmittelbar an dem Abschirmungselement angebracht. Die Neutronenabsorberschicht, enthält z.B. Bor, Bor-haltiges Glas oder Bor-Parafin.Preferably, a neutron absorber layer containing a neutron absorbing material is provided. This is mounted on the side facing away from the accelerator, in particular directly on the shielding element. The neutron absorber layer contains e.g. Boron, boron-containing glass or boron paraffin.

Ferner ist die Neutronenabsorberschicht bevorzugt innerhalb der Verschalung und/oder zwischen der Verschalung und der Wand aus Gips angeordnet.Furthermore, the neutron absorber layer is preferably arranged within the casing and / or between the casing and the wall made of gypsum.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung enthält die Verschalung, insbesondere die Betonverschalung, selbst ein neutronenabsorbierendes Material, z.B. ein Bor-haltiges Material. Es kann z.B. Borsäure oder Borkarbid dem Verschalungsmaterial, z.B. dem Beton beigemischt werden. Als noch vorteilhafter hat sich jedoch erwiesen, wenn die Verschalung Bor-haltiges Glas aufweist. Dieses ist deutlich kostengünstiger als Borkarbid und erhält, auch wenn es eingemischt wird, die Stabilität des Betons besser als Borsäure. Bor-haltiges Glas kann insbesondere anstatt von oder zusätzlich zu üblicherweise verwendeten Zusätzen wie z.B. Kies zugesetzt werden. Alternativ oder ergänzend kann auch das Material des Abschirmungselementes, insbesondere der Gips, Bor-haltiges Glas enthalten.According to a particularly preferred development of the invention, the casing, in particular the concrete casing, itself contains a neutron-absorbing material, e.g. a boron-containing material. It can e.g. Boric acid or boron carbide the casing material, e.g. be added to the concrete. However, it has proved to be even more advantageous if the casing has boron-containing glass. This is significantly less expensive than boron carbide and, even when blended, preserves the stability of the concrete better than boric acid. Boron-containing glass may in particular be used instead of or in addition to commonly used additives such as e.g. Gravel are added. Alternatively or additionally, the material of the shielding element, in particular the gypsum, may also contain boron-containing glass.

Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Gips aus Rauchgas-Entschwefelungsanlagen (sogenannter REA-Gips). Dieser wird zu Millionen Tonnen teuer auf Halden deponiert. Jährlich fallen in Deutschland über 3 Millionen Tonnen REA-Gips an. Daher sind die Stromanbieter unter Umständen sogar dankbar, wenn sie das Material abgeben können.Particularly preferred is the use of gypsum from flue gas desulphurisation plants (so-called REA gypsum). This is deposited at millions of tons expensive dumps. Every year more than 3 million tonnes of REA gypsum are produced in Germany. Therefore, the electricity providers may even be grateful if they can deliver the material.

Der Vorteil der Verwendung von REA-Gips ist erstaunlicher Weise sogar vielschichtig.The advantage of using REA gypsum is amazingly even complex.

Erstens wird ein Material verwendet, dessen physikalische Abschirmungswirkung besser ist als von Beton.First, a material is used whose physical shielding effect is better than that of concrete.

Zweitens ist der REA-Gips chemisch sehr rein, wodurch vermindert langlebige strahlende Aktivitäten aus Elementen mit hoher Ordnungszahl erzeugt werden. Daher ist REA-Gips auch unter dem Gesichtspunkt der Aktivierung geeigneter als Beton.Second, the REA gypsum is chemically very pure, thereby diminishing long-lived radiant activity from high atomic number elements. Therefore, REA gypsum is also more suitable as concrete from the point of view of activation.

Drittens müssen die Stromerzeuger den Gips, der als Abfall bei Rauchgas-Entschwefelung anfällt, nicht mehr teuer deponieren. Selbst der Transport ist zur Zeit noch subventioniert, da auch die Deutsche Bahn Gips entsorgt.Third, power generators no longer have to dump the gypsum, which is generated as waste from flue gas desulphurisation. Even the transport is currently subsidized, as well as the German railway disposed gypsum.

Die Erfinder haben ferner heraus gefunden, dass zur Abschirmung kommender Generationen von Hochenergieteilchenbeschleunigern und/oder Hochenergieteilchenspeicherringen, welche Teilchenenergien in der Größenordnung von 100 GeV bis 1 TeV oder darüber liegen können, Abschirmungselemente oder Gipswände von etwa 1 m bis 10 m, bevorzugt 2 m bis 8 m, besonders bevorzugt 4 m bis 7 m Dicke erforderlich sein werden. Die Gipsmenge dürfte je nach Beschleuniger also mindestens 100 000 Tonnen oder sogar ein Vielfaches davon betragen.The inventors have further found that to shield upcoming generations of high energy particle accelerators and / or high energy particle storage rings which can have particle energies of the order of 100 GeV to 1 TeV or greater, shielding or gypsum walls of about 1 m to 10 m, preferably 2 m to 8 m, more preferably 4 m to 7 m thickness will be required. Depending on the accelerator, the quantity of gypsum should therefore be at least 100,000 tonnes or even a multiple thereof.

Die erfindungsgemäße Strahlungsabschirmungsanordnung ist also insbesondere bezüglich der Abschirmwirkung bzw. der Dicke des Abschirmungselements hergerichtet zur Abschirmung von Neutronenstrahlung und Gammastrahlung von Hochenergieteilchenbeschleunigern, -speicherringen, Target-, Experimentier- und/oder Analyseeinrichtungen, insbesondere bei Teilchenenergien größer als 1 GeV oder sogar größer als 10 GeV.The radiation shielding arrangement according to the invention is thus prepared, in particular with regard to the shielding effect or the thickness of the shielding element, to shield neutron radiation and gamma radiation from high energy particle accelerators, storage rings, target, experimental and / or analytical devices, in particular at particle energies greater than 1 GeV or even greater than 10 GeV.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments and with reference to the drawings.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

Es zeigen

Figur 1:
Ergebnisse einer Monte-Carlo-Simulationsrechnung und
Figur 2:
einen schematischen Querschnitt durch eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahlungsabschirmungsanordnung.
Show it
FIG. 1:
Results of a Monte Carlo simulation calculation and
FIG. 2:
a schematic cross section through an exemplary embodiment of a radiation shielding arrangement according to the invention.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Es wurde eine Simulationsrechnung bezüglich der Strahlung durchgeführt, welche entsteht, wenn 30 GeV Protonen auf ein 10 cm dickes Eisen-Target geschossen werden. Dies entspricht etwa den Bedingungen, die bei den Hochenergiebeschleunigern herrschen, für welche die Erfindung eingesetzt werden soll. Hierbei entsteht ein maßgeblicher Anteil an schnellen Neutronen mit Energien im Bereich bis zu einigen GeV.A simulation calculation was performed on the radiation that results when 30 GeV protons are shot at a 10 cm thick iron target. This corresponds approximately to the conditions prevailing in the high-energy accelerators for which the invention is to be used. This results in a significant proportion of fast neutrons with energies in the range up to a few GeV.

Figur 1 zeigt die Simulationsergebnisse der durchdringenden Dosis oder Reststrahlungsdosis durch ein Abschirmungselement oder eine Abschirmungswand in Pico-Sievert (pSv) je Proton als Funktion der Abschirm- oder Wanddicke in Zentimetern (cm).Figure 1 shows the simulation results of penetrating dose or residual radiation dose through a shielding element or screen in Pico-Sievert (pSv) per proton as a function of shielding or wall thickness in centimeters (cm).

Die Ergebnisse sind aufgeschlüsselt nach Neutronendosis und Dosis der elektromagnetischen Strahlung (Gammadosis) sowie der Gesamtdosis jeweils für Gips und Beton.The results are broken down by neutron dose and dose of electromagnetic radiation (gamma dose) as well as the total dose each for gypsum and concrete.

Hierbei repräsentieren:

  • Die Kurve 1 die Gesamtdosis für Beton,
  • die Kurve 2 die Gesamtdosis für Gips,
  • die Kurve 3 die Gammadosis für Beton,
  • die Kurve 4 die Gammadosis für Gips,
  • die Kurve 5 die Neutronendosis für Beton und
  • die Kurve 6 die Neutronendosis für Gips.
Here represent:
  • The curve 1 the total dose for concrete,
  • the curve 2 the total dose for gypsum,
  • the curve 3 the gamma dose for concrete,
  • the curve 4 the gamma dose for plaster,
  • the curve 5 the neutron dose for concrete and
  • the curve 6 the neutron dose for gypsum.

Es ist zu sehen, dass insbesondere die Neutronendosis im Maximum für Gips um mehr als einen Faktor 2 geringer, d.h. die Abschirmwirkung um mehr als einen Faktor zwei höher ist als für Beton und die Abschirmung bezüglich der Gesamtdosis ist bei Gips dort etwa 20 % bis 25 % besser als bei Beton.It can be seen that especially the neutron dose at the maximum for gypsum is lower by more than a factor of 2, i. the shielding effect is more than a factor of two higher than for concrete and the total dose shielding is about 20% to 25% better for gypsum than for concrete.

Das Maximum der Kurven repräsentiert das Sekundärstrahlungsgleichgewicht, ab welchem ein Abschwächungseffekt eintritt. Die Sekundärstrahlungsgleichgewichtsdicke liegt etwa zwischen 60 cm und 70 cm.The maximum of the curves represents the secondary radiation equilibrium, from which an attenuation effect occurs. The secondary radiation equilibrium thickness is approximately between 60 cm and 70 cm.

Diese erheblich höhere Abschirmwirkung der Neutronendosis von Gips in Vergleich zu Beton bei den durch solche Hochenergieteilchenbeschleuniger erzeugten hohen Neutronenenergien war auch für Fachleute auf dem Gebiet der Beschleunigertechnik durchaus überraschend.This significantly higher shielding effect of the neutron dose of gypsum compared to concrete in the high neutron energies generated by such high energy particle accelerators was also quite surprising to those skilled in the art of accelerator technology.

Aus den Berechnungen ergibt sich, dass bei einer Gesamtanzahl von 1012 Protonen und bereits einer Wanddicke von 4 m eine Gesamtdosis von lediglich noch etwa 25 Micro-Sievert (µSv) die Wand durchdringt.The calculations show that with a total number of 10 12 protons and already a wall thickness of 4 m, a total dose of only about 25 Micro-Sievert (μSv) penetrates the wall.

Im folgenden werden die Vorteile hinsichtlich der Aktivierung von Gips gegenüber Beton aufgezeigt.In the following the advantages regarding the activation of gypsum against concrete are shown.

Tabelle 1 zeigt Werte für die Erzeugung von Radioaktivität bei einem 30-jährigen Strahlbetrieb und einer darauffolgenden Abklingzeit von 5 Jahren für Beton und Gips.Table 1 shows values for the generation of radioactivity during a 30-year blasting operation and a subsequent cooldown of 5 years for concrete and gypsum.

Es werden hauptsächlich die in der Tabelle 1 genannten Radionuklide erzeugt, nämlich H-3, Na-22, Mn-54 und Fe-55.The radionuclides listed in Table 1 are mainly produced, namely H-3, Na-22, Mn-54 and Fe-55.

Die Werte für die Aktivität sind auf die Gesamtaktivität von Gips normiert.The values for the activity are normalized to the total activity of gypsum.

Hierbei sind:

C_i:
die spezifische Aktivität in Becquerel pro Gramm [Bq/g] und
C_i/R_i:
das Verhältnis aus der freizugebenden spezifischen Aktivität und dem jeweiligen Freigabewert nach dem zum Anmeldezeitpunkt in Deutschland geltenden Strahlenschutzrecht.
Tabelle 1: C_i C_i/R_i Nuklid Beton Gips Beton Gips H-3 1,01E+00 9,74E-01 6,05E-02 5,86E-02 Na-22 1,20E-01 2,61E-02 4,34E+00 9,41E-01 Mn-54 1,03E-03 0,00E+00 1,24E-02 0,00E+00 Fe-55 7,63E-02 0,00E+00 1,38E-03 0,00E+00 Summe 1,20E+00 1,00E+00 4,41E+00 1,00E+00 Here are:
c_i:
the specific activity in becquerels per gram [Bq / g] and
C_i / R_i:
the relationship between the specific activity to be released and the respective clearance value according to the radiation protection law applicable at the time of filing in Germany.
Table 1: c_i C_i / R_i nuclide concrete plaster concrete plaster H-3 1,01E + 00 9,74E-01 6,05E-02 5,86E-02 Na-22 1,20E-01 2,61E-02 4,34E + 00 9,41E-01 Mn-54 1,03E-03 0,00E + 00 1,24E-02 0,00E + 00 Fe-55 7,63E-02 0,00E + 00 1,38E-03 0,00E + 00 total 1,20E + 00 1.00E + 00 4,41E + 00 1.00E + 00

Es ist ersichtlich, dass in Gips eine um einen Faktor von etwa 1,2 geringere Radioaktivität erzeugt wird. Ferner ist die Art der erzeugten Radioaktivität, d.h. die Verteilung der erzeugten Radionuklide bei Gips vorteilhafter als bei Beton, wenn man die Freigabewerte nach dem derzeitigen Strahlenschutzrecht als Maßstab nimmt (Faktor 4,41). Hieraus ergibt sich, dass die Kosten für eine spätere Entsorgung nach Beendigung der Nutzung der erfindungsgemäßen Strahlungsabschirmungsanordnung geringer sein werden als bei herkömmlichen Abschirmungen.It can be seen that gypsum produces a radioactivity which is lower by a factor of about 1.2. Furthermore, the type of radioactivity generated, i. the distribution of the radionuclides produced in gypsum more favorably than in concrete, if one takes the release values according to the current radiation protection law as a yardstick (factor 4.41). It follows that the costs for a subsequent disposal after the end of the use of the radiation shielding arrangement according to the invention will be lower than in conventional shields.

Figur 2 zeigt eine mehrschichtige Strahlungsabschirmungsanordnung 10 mit einer, der Strahlungsquelle bzw. dem Teilchenstrahl 20 zugewandten ersten Schicht oder Spallationsschicht 11 bestehend aus oder enthaltend ein Metall, insbesondere mit einer Kernmasse > 50 atomare Masseneinheiten (amu), z.B. Eisen. Unmittelbar anschließend an die Spallationsschicht 11 ist ein erstes Abschirmungselement, eine Wand oder eine erste Abschirmungsschicht 12 bestehend aus oder enthaltend ein Material zur Abbremsung von Neutronen, z.B. Gips und/oder Beton angeordnet. Unmittelbar anschließend an das erste Abschirmungselement 12 ist eine Neutronenabsorberschicht 13 bestehend aus oder enthaltend ein Material, welches zur Absorption von thermalisierten Neutronen geeignet ist, z.B. Bor, Cadmium oder Gadolinium. Wiederum unmittelbar anschließend an die Neutronenabsorberschicht 13 ist eine zweite Abschirmungsschicht 14, welche von geringerer Dicke als die Wand 12 ist, bestehend aus oder enthaltend ein Material zur Abbremsung von Neutronen, z.B. Gips und/oder Beton angeordnet.FIG. 2 shows a multilayer radiation shielding arrangement 10 with one facing the radiation source or the particle beam 20 first layer or spallation layer 11 consisting of or containing a metal, in particular with a core mass> 50 atomic mass units (amu), eg iron. Immediately following the spallation layer 11, a first shielding element, a wall or a first shielding layer 12 consisting of or containing a material for decelerating neutrons, eg plaster and / or concrete, is arranged. Immediately following the first shielding element 12 is a neutron absorber layer 13 consisting of or containing a material which is suitable for absorbing thermalized neutrons, for example boron, cadmium or gadolinium. Again immediately after the neutron absorber layer 13, a second shielding layer 14, which is of a smaller thickness than the wall 12, consisting of or containing a material for decelerating neutrons, such as plaster and / or concrete arranged.

Das Eisen bewirkt, induziert durch die schnellen bzw. hochenergetischen Neutronen 21, unter anderem Spallationsreaktionen, welche wiederum Neutronen 22 mit geringerer Energie freisetzen. Dadurch wird eine indirekte erste Moderation erzielt.Among other things, the iron, induced by the high-energy neutrons 21, causes spallation reactions, which in turn release neutrons 22 with lower energy. This achieves an indirect first moderation.

Danach werden die Spallationsneutronen 22 weiter in der Wand 12 abgebremst, um dann schließlich von den Atomkernen der Neutronenabsorberschicht 13 eingefangen und absorbiert zu werden.Thereafter, the spallation neutrons 22 are further decelerated in the wall 12, to be finally captured and absorbed by the atomic nuclei of the neutron absorbing layer 13.

Das Material für die Spallationsschicht 11 kann auch aus der Entsorgung von Materialien aus kerntechnischen Anlagen kommen, wo schwach aktivierte Metalle in größeren Mengen anfallen.The material for the spallation layer 11 can also come from the disposal of materials from nuclear facilities, where weakly activated metals are produced in larger quantities.

Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und dass die Erfindung in vielfältiger Weise variiert werden kann ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.It will be apparent to those skilled in the art that the invention is not limited to the embodiments described above, and that the invention can be varied in many ways without departing from the spirit of the invention.

Claims (18)

Strahlungsabschirmungsanordnung, insbesondere zur Abschirmung von Neutronenstrahlung und/oder Gammastrahlung von Teilchenbeschleunigern, - speicherringen, Target-, Experimentier- oder Analyseeinrichtungen, umfassend
   zumindest ein Abschirmungselement aus einem ersten Material, welches gebundenes Wasser enthält.Radiation shielding arrangement, in particular for shielding neutron radiation and / or gamma radiation from particle accelerators, storage rings, target, experimental or analytical devices comprising
at least one shielding element of a first material containing bound water. Strahlungsabschirmungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Material Gips, insbesondere in abgebundenem Zustand in der chemischen Zusammensetzung CaSO4*2H2O enthält.Radiation shielding arrangement according to claim 1, characterized in that
the first material gypsum, especially in the hardened state in the chemical composition CaSO 4 * 2H 2 O contains. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmungselement eine Wand aus Gips umfasst.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding element comprises a wall of plaster. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand aus Gips eine Dicke aufweist, welche an die Strahlungsspektren eines Hochenergieteilchenbeschleunigers und/oder Hochenergieteilchenspeicherrings für Elektronen, Positronen oder Ionen angepasst ist.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the wall of gypsum has a thickness which is adapted to the radiation spectra of a high energy particle accelerator and / or high energy particle storage ring for electrons, positrons or ions. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand eine Dicke, welche größer oder gleich der Sekundärstrahlungsgleichgewichtsdicke ist, insbesondere eine Dicke von zumindest 2 m, zumindest 5 m oder zumindest 7 m aufweist.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the wall has a thickness which is greater than or equal to the secondary radiation equilibrium thickness, in particular a thickness of at least 2 m, at least 5 m or at least 7 m. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mehrschichtigen Aufbau.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a multilayer structure. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a modular construction. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Tragschicht, welche an einer ersten Seite des Abschirmungselements angeordnet ist und die Tragschicht wenigstens eine Mindestdicke aufweist, welche derart bemessen ist, dass die Strahlungsabschirmungsanordnung, insbesondere die Anordnung aus Abschirmungselement und Tragschicht selbsttragend ist.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a support layer, which is arranged on a first side of the shielding member and the support layer has at least a minimum thickness, which is dimensioned such that the radiation shielding arrangement, in particular the arrangement of the shielding element and the support layer is self-supporting. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschicht eine Verschalung aus Beton umfasst.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the support layer comprises a casing made of concrete. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmungselement mit einer beidseitigen Verschalung, insbesondere aus Beton versehen ist.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding element is provided with a casing on both sides, in particular of concrete. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Neutronenabsorberschicht, welche ein neutronenabsorbierendes Material enthält.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a neutron absorber layer containing a neutron absorbing material. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Neutronenabsorberschicht, welche Bor, Cadmium und/oder Gadolinium enthält.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a neutron absorber layer containing boron, cadmium and / or gadolinium. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Neutronenabsorberschicht, welche Bor-Parafin enthält.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a neutron absorber layer containing boron paraffin. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutronenabsorberschicht innerhalb der Verschalung und/oder zwischen der Verschalung und der Wand aus Gips angeordnet ist.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Neutronenabsorberschicht is disposed within the casing and / or between the casing and the wall of gypsum. Strahlungsabschirmungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschicht ein neutronenabsorbierendes Material umfasst.Radiation shielding arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the support layer comprises a neutron absorbing material. Strahlungsabschirmungsanordnung, insbesondere zur Abschirmung von Neutronenstrahlung und/oder Gammastrahlung von Teilchenbeschleunigern, - speicherringen, Target-, Experimentier- oder Analyseeinrichtungen, und insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend
   zumindest eine Spallationsschicht umfassend ein Material, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mittels Neutronenbestrahlung Spallationsreaktionen ausgelöst werden, insbesondere ein Metall.Radiation shielding arrangement, in particular for shielding neutron radiation and / or gamma radiation from particle accelerators, storage rings, target, experimental or analytical devices, and in particular according to one of the preceding claims
at least one spallation layer comprising a material, which is characterized in that by means of neutron irradiation spallation reactions are triggered, in particular a metal. Verwendung von Gips aus Rauchgasentschwefelungsanlagen zur Herstellung einer Strahlungsabschirmungsanordnung, insbesondere zur Abschirmung von Neutronenstrahlung und/oder Gammastrahlung von Hochenergieteilchenbeschleunigern, -speicherringen, Target-, Experimentier- oder Analyseeinrichtungen, und insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche.Use of gypsum from flue gas desulphurisation plants for producing a radiation shielding arrangement, in particular for shielding neutron radiation and / or gamma radiation from high energy particle accelerators, storage rings, Target, experimental or analytical devices, and in particular according to one of the preceding claims. Verwendung eines Abschirmungselementes, welches Gips enthält, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, zur Abschirmung von Strahlung eines Teilchenbeschleunigers, -speicherringes, einer Target-, Experimentier- oder Analyseeinrichtung.Use of a shielding element containing gypsum, in particular according to one of the preceding claims, for shielding radiation from a particle accelerator, storage ring, a target, experimental or analytical device.
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