WO2009097833A1 - Abschirmmaterial zum abschirmen von strahlung - Google Patents

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WO2009097833A1
WO2009097833A1 PCT/DE2009/000095 DE2009000095W WO2009097833A1 WO 2009097833 A1 WO2009097833 A1 WO 2009097833A1 DE 2009000095 W DE2009000095 W DE 2009000095W WO 2009097833 A1 WO2009097833 A1 WO 2009097833A1
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shielding
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shielding material
heavy metal
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Inventor
Hans-Jürgen Engelmann
Original Assignee
Engelmann Hans-Juergen
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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
    • G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/10—Organic substances; Dispersions in organic carriers
    • G21F1/103—Dispersions in organic carriers
    • G21F1/106—Dispersions in organic carriers metallic dispersions

Definitions

  • the invention relates to a shielding material for shielding radiation, in particular of radioactive radiation, in particular of ⁇ and v-rays, and X-ray radiation and neutron radiation according to the preamble of claim 1.
  • the object of the present invention is to provide a shielding high shielding, in particular against ß- and y-radiation, X-rays and neutron radiation, which does not have the above-mentioned disadvantages of the shielding materials previously used.
  • the invention proposes a heavy metal-polymer mixture as shielding material.
  • the heavy metal / polymer mixture preferably has a high density, preferably in the range between 4 and 10 g / cm 3 .
  • the heavy metal-polymer mixture is a heavy metal powder-polymer mixture or a heavy metal granule-polymer mixture or a heavy metal powder / heavy metal granule-polymer mixture.
  • a heavy metal of high density and having a high capture cross section is used for ⁇ and ⁇ rays, X-ray and neutron radiation, which is preferably bismuth, iron, barite or tungsten.
  • the metal portion of the metal-polymer mixture consists of bismuth powder, iron powder or barite powder or tungsten powder or bismuth granules, iron granules, baryt or tungsten granules or a mixture of at least two of these materials.
  • the polymer is a binder and preferably epoxy or silicone.
  • the metal powder and / or the metal granules and / or the metal powder mixture and / or the metal powder / metal granule mixture and the binder are mixed together in a stirrer or mixer, wherein the mixing takes place at normal temperature.
  • the shielding material according to the invention increases the safety of radiation protection through its properties. Other advantages of the shielding material are that it is flexible and corrosion resistant.
  • the new shielding material is environmentally friendly as it has no toxic properties. It can therefore be produced without protective agents. It has good thermal stability.
  • the shielding material according to the invention is easy to produce. By conventional shaping methods, for example casting methods, any objects and shapes can be produced from the shielding material according to the invention.
  • the shielding material according to the invention can be produced on site without difficulty and processed and installed or assembled on site for the various desired products, articles and molds.
  • Bismuth is the only heavy metal that is non-toxic. In nature it occurs mainly as bismuth luster (Bi 2 Ss) and as trioxide (Wismutocker Bi2 ⁇ 3 ). Commercially, bismuth is often obtained as a by-product in the production of anaereal metals, such as copper, lead and tin. Compared with other materials, bismuth has an extremely good capture cross-section with respect to both .beta. And .gamma. Rays, so that bismuth exhibits good shielding properties compared to other heavy metals.
  • Iron is the heavy metal that is most common among all heavy metals in the earth's crust. Due to its high affinity for oxygen, it is not present in elemental form in the earth's crust, but above all in the form of oxides, carbonates and sulfates. Iron powder can be made by atomizing liquid metal via a nozzle. It can also be produced from iron oxide by gaseous reducing agents. In addition, iron powder can be obtained by thermal decomposition.
  • Barite also known as barite or barium sulphate (BaSO 4 ), is a commonly occurring mineral from the mineral class of anhydrous sulphates with no foreign anions. It is formed from hydrothermal solutions or sedimentary, sometimes with the participation of biological processes. Submarine sediment deposits have been formed by mixing ascending barium-rich hydrothermal solutions with sulphate-containing seawater. This type of deposit can contain billions to billions of tons of barytes. One example of this is the Meggen camp in Germany. Barite is added to the well drilling, due to the high specific gravity of 4.3 - 4.7 g / cm 3 . Furthermore, baryte is used for the production of white pigments and photographic paper. It is also part of heavy concrete as well as of contrast agents in X-ray examinations.
  • Tungsten is a white-glossy, high-density heavy metal that is brittle in its pure state. Its density is 19.25 g / cm 3 . Tungsten is not found in nature in dignified form. There are some minerals, especially oxides and tungstates known. Tungsten can not be obtained by reduction by coal from the oxide ores, since this tungsten carbide is formed. Tungsten is added to the ammonia solution to form a complex called ammonium paratungstate (APD). This complex is filtered off and then converted at 600 ° C into relatively pure tungsten trioxide. Annealing gives tungsten (VI) oxide (WO 3 ), which is reduced to steel-gray tungsten at 800 ° C. under a hydrogen atmosphere.
  • VIP ammonium paratungstate
  • Tungsten has the highest melting point and the second highest boiling point of all pure metals. Its best known use is therefore as a filament in incandescent lamps.
  • Tungsten is a white glossy, high-density (19.25 g / cm 3 ), hard (Brinell hardness of 250 HB) and strength (tensile strength of 4200 N / mm 2 ) brittle high tensile strength (19.25 g / cm 3 )
  • Tungsten is a very chemically resistant material Metal, which itself is hardly attacked even by hydrofluoric acid and aqua regia, at least at room temperature. The most important application is because of its high melting point in the lighting industry as incandescent filament in incandescent lamps and electrode in gas discharge lamps and electron tubes.With its high density, it is used for balance weights and Abschir Although its density, and thus the shielding effect, is much higher than that of lead, it is less commonly used as lead for the purpose because it is more expensive and harder to work with, according to the current state of knowledge, tungsten and its use as Physiologically harmless, tungsten does not show any carcinogenic effects.
  • Epoxy resins are produced by condensation of epichlorohydrin and bisphenol.
  • Epoxy resins form liquid to viscous, glassy substances. Depending on the degree of crosslinking with corresponding hardeners, such as polyamines results in a liquid to solid product. The adhesion to metals is extremely good and the resulting product is extremely resistant to environmental influences, including corrosion. Solid epoxy resins show no irritating effects, no toxic and no carcinogenic properties - even in prolonged occupational exposure.
  • Silicone is a polymer material polysiloxane, a material based on silicon and oxygen with organic substituents and has physi- kalische properties, which is well suited for the production of flexible shielding products, such as shielding aprons.
  • the material is known by the trade name of "silicone", where there are a variety of different types of silicones.
  • polysiloxanes are hydrophobic materials that, unlike other elastomers, have good chemical stability to water, acids and alkalis, the main advantage of using polysiloxanes This is because they can be easily adapted to the particular application and can be easily achieved by adding additives or modifiers, and polysiloxanes are made from environmentally friendly materials that can be easily disposed of after use without conditions.
  • the shielding material according to the invention can be cast in various forms, which can be adapted to the respective application. It can be used for isotope needles, glove boxes, electron accelerators, radon generators, in isotope production and other applications. It can be used in the form of wall and system components, as plates, mortar plaster or material for containers, shielding containers, pipe sheathings and foils. The production of the various products is carried out at normal temperature, with the required components in an agitator or mixer mixed together and then in the appropriate
  • the density of the metal powder polymer shielding materials can be adjusted, with a density of 6.0 g / cm 3 for bismuth powder-epoxy mixture, for iron powder-epoxy mixture a density of 4.1 g / cm 3 and For baryta powder-epoxy mixture, a density of 2.8 g / cm 3 can be achieved.
  • Mco- 60 integral attenuation coefficient for 1.25 MeV
  • Figure 4 shows the arrangement of the measuring points on the sample plates of bismuth powder-epoxy mixture and iron powder-epoxy mixture.
  • test plates had a diameter of 150 mm and a wall thickness of 30 mm and were divided into 55 fields as shown in FIG. For each of the 55 fields, the attenuation was measured with the ⁇ -radiation. For each field, two measurements were made so that the homogeneity of a 110-measurement plate was determined.
  • Epoxy plates and iron powder epoxy plates again. Both figures show the density inhomogeneity; it was determined by the determination of the mean attenuation factor 1 / I 0 and the local deviation from this mean value. The attenuation of the v radiation was determined with a mean energy line E y 1.25 MeV.
  • the density inhomogeneity was determined by the indication of the deviation from the mean value of the attenuation factor l / lo- By a double measurement of each individual measuring point, the measurement error could be adjusted to a value of cst. 4% be reduced. Significant deviations from the mean density inhomogeneity can be observed at the marginal points. However, this is not due to the inhomogeneity of the sample plate, but is largely due to scattering of the y radiation in the edge region of the sample plates.
  • the investigations revealed a production-related density of only 8% for bismuth powder epoxy boards as well as for iron powder epoxy boards. This result means that with a double / puffy syrup of bismuth as well as of ice & n the polymer (epoxide) forms a tight bond without voids.
  • the metal powder and / or metal granulate / polymer mixture according to the invention is capable of being cast-on and can therefore be very flexible and differentiated. be used.
  • the shielding material according to the invention has substantially better corrosion resistance than the conventional shielding materials steel and lead by the coating of the metal powder and / or the metal granules by the polymer (binder epoxy resin or silicone).
  • the disadvantage is at best the relatively high price, for example, for bismuth powder or bismuth granules, so that this material may not be economical for large and heavy shielding transport containers. However, there are applications for smaller, lighter components, as described below.
  • Polymer shielding material and the iron powder or the iron granulate P ⁇ tymer shielding Materia! can be cast into handy stones, such as dovetail profile bricks, so that the bricks can be built into shielding walls or flexible shields.
  • the previously common pencils can by
  • flexible shields of bismuth powder polymer and / or bismuth granulate polymer stones and / or iron powder and / or egg granules polymer stones and / or from barite powder polymer and / or Baryt granules polymer stones and / or tungsten powder and / or tungsten granules polymer stones are used. Even with dismantling of technical equipment such flexible and quickly changeable shields would be advantageous.
  • shielding containers for isotopes with ß and y radiation for research purposes, for hospitals, for measuring equipment and many other applications on the market.
  • These shielding containers are usually made of lead and must be transported by motor vehicle. They are unwieldy and heavy due to lead shielding.
  • the Abschirrnmaterials invention in particular the erfindu ⁇ gsdorfen bismuth powder and / or bismuth granular epoxy material and / or the Wolframpulver- and / or tungsten granulate epoxy material as material for containers they can easily with the same shielding about 10% - be ter.
  • Weight of silfkon mixture material and / or granulated-epoxy resin mixture material or bismuth granulate-silicone mixture material and / or tungsten granulate-epoxy resin and / or tungsten granulate-silicone mixture material can be saved.
  • metal granules instead of metal powder as the shielding material alone or in combination with one or more of the metal powders described above has the advantage that the specific gravity of the shielding material is increased. As a result, a higher radiation shielding is achieved with the same thickness of the Ablematerials or material can be saved at the same Abschirrn Ober.
  • a thinner shielding wall can be used. For example, the thickness of a shielding wall can be reduced from 4 cm to 3 cm while maintaining a good Abschirrn moral.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abschirmmaterial zum Abschirmen von Strahlung, insbesondere radioaktiver Strahlung, insbesondere von ß- und γ-Strahlen und Röntgenstrahlung sowie Neutronenstrahlung. Das Abschirmmaterial besteht aus einem Schwermetall-Polymer-Gemisch, wobei das Schwermetall vorzugsweise in Form von Pulver und/oder Granulat eingesetzt wird. Als Schwermetalle werden Wismut und/oder Eisen und/oder Baryt und/oder Wolfram verwendet. Das Schwermetallpulver und/oder -granulat wird mit einem Bindemittel, insbesondere Epoxidharz oder Silikon gemischt und kann dann verwendet werden für die Herstellung verschiedenster Produkte und Gegenstände, wie Mauersteine, Trennwände, Beschichtungen, Container, Putzmörtel, Abschirmschürzen, Ummantelungen, Folien etc.

Description

Abschirmmaterial zum Abschirmen von Strahlung
Die Erfindung betrifft ein Abschirmmaterial zum Abschirmen von Strahlung, insbesondere von radioaktiver Strahlung, insbesondere von ß- und v- Strahlen, und Röntgenstrahlung sowie Neutronenstrahlung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, als Abschirmmaterial für ß- und γ-Strahlen und Röntgenstrahlen sowie Neutronenstrahlung Blei oder Beton mit unterschiedlichen Zusätzen zur Erhöhung der Abschirmwirkung oder Stahl mit unterschiedlichen Bestandteilen zu verwenden. Diese Abschirmmaterialien weisen Nachteile auf. Blei ist nachteilig wegen seiner Toxizität, Beton wegen seiner wenig flexiblen Einsatzmöglichkeiten und Stahl wegen seiner hohen Korrosionsgefährdung in normaler Umgebung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Abschirmmaterial hoher Abschirmwirkung, insbesondere gegen ß- und y- Strahlung, Röntgenstrahlung und Neutronenstrahlung anzugeben, das die oben angegebenen Nachteile der bisher eingesetzten Abschirmmaterialien nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vor- teilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung schlägt als Abschirmmaterial ein Schwermetall-Polymer- Gemisch vor. Vorzugsweise weist das Schwermetall - Polymer - Gemisch eine hohe Dichte auf, vorzugsweise im Bereich zwischen 4 und 10 g/cm3.
Vorzugsweise ist das Schwermetall-Polymer-Gemisch ein Schwermetall- pulver-Polymer-Gemisch oder ein Schwermetallgranulat-Polymer-Gemisch oder ein Schwermetallpulver/Schwermetallgranulat-Polymer-Gemisch.
Vorteilhaft wird ein Schwermetall mit hoher Dichte und mit einem hohen Einfangquerschnitt für ß- und γ-Strahlen, Röntgen- und Neutronenstrahlung verwendet, das vorzugsweise Wismut, Eisen, Baryt oder Wolfram ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht der Metallanteil des Metall-Polymer-Gemisches aus Wismut-Pulver, Eisenpulver oder Barytpulver oder Wolframpulver oder aus Wismut-Granulat, Eisengranulat, Ba- rytgranulat oder Wolframgranulat oder aus einer Mischung wenigstens zweier dieser Materialien.
Das Polymer ist ein Bindemittel und vorzugsweise Epoxidharz oder Silikon.
Zur Herstellung des Abschirmmaterials werden das Metallpulver und/oder das Metallgranulat und/oder die Metallpulvermischung und/oder die Metallgranulatmischung und/oder die Metallpulver/Metallgranulat-Mischung und das Bindemittel in einem Rührwerk oder Mischgerät miteinander gemischt, wobei das Mischen bei normaler Temperatur erfolgt.
Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial erhöht durch seine Eigenschaften die Sicherheit beim Strahlenschutz. Weitere Vorteile des Abschirmmaterials bestehen darin, dass es flexibel einsetzbar und korrosionsbeständig ist. Das neue Abschirmmaterial ist umweltfreundlich, da es keine toxischen Eigenschaften aufweist. Es kann daher ohne Schutzmittel hergestellt werden. Es besitzt gute thermische Stabilität. Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial ist leicht herstellbar. Durch herkömmliche Formgebungsverfahren, bspw. Gießverfahren, können aus dem erfindungsgemäßen Abschirmmaterial beliebige Gegenstände und Formen hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial kann ohne Schwierigkeiten vor Ort hergestellt und vor Ort für die ver- schiedenen gewünschten Produkte, Gegenstände und Formen verarbeitet und installiert bzw. montiert werden.
Nachfolgend sollen die Bestandteile der Abschirmmaterialien Wismutpulver-Polymer-Gemisch, Eisenpulver-Polymer-Gemisch und Barytpulver- Polymer-Gemisch näher beschrieben werden:
1) Wismut, Wismutpulver, Wismutgranulat:
Wismut ist das einzige Schwermetall, das nicht toxisch ist. In der Natur kommt es hauptsächlich als Wismutglanz (Bi2Ss) und als Trioxid (Wis- mutocker Bi2θ3) vor. Kommerziell fällt Wismut vielfach als Nebenprodukt bei der Gewinnung anäerer Metalle, wie Kupfer, Blei und Zinn an. Wismut besitzt gegenüber anderen Materialien einen extrem guten Einfangquerschnitt gegenüber ß- und γ-Strahlen, so dass Wismut gegenüber anderen Schwermetallen ein gutes Abschirmverhalten zeigt.
2) Eisen, Eisenpulver, Eisengranulat:
Eisen ist dasjenige Schwermetall, das unter allen Schwermetallen in der Erdrinde am häufigsten vorkommt. Durch seine hohe Affinität zum Sau- erstoff ist es in der Erdkruste nicht in elementarer Form vorhanden, sondern vor allem in Form von Oxiden, Carbonaten und Sulfaten. Eisenpulver kann durch Zerstäuben von flüssigem Metall über eine Düse hergestellt werden. Es kann auch aus Eisenoxid durch gasförmige Reduktionsmittel erzeugt werden. Außerdem kann Eisenpulver durch ther- mische Zersetzung gewonnen werden.
3) Baryt, Barytpulver, Barytgranulat: - A -
Baryt, auch als Schwerspat oder Bariumsulfat (BaSO4) bekannt, ist ein häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der wasserfreien Sulfate ohne fremde Anionen. Es bildet sich aus hydrothermalen Lösun- gen oder auch sedimentär, teilweise unter Mitwirkung biologischer Prozesse. Submarine Sediment-Lagerstätten sind bei der Mischung aufsteigender bariumreicher Hydrothermallösungen mit sulfathaltigem Meerwasser entstanden. Dieser Lagerstättentyp kann einige Millionen bis Milliarden Tonnen Baryt enthalten. Ein Beispiel dafür ist die Lager- statte Meggen in Deutschland. Baryt wird bei Tiefbohrungen der Bohrspülung, wegen des hohen spezifischen Gewichts von 4,3 - 4,7 g/cm3, zugesetzt. Des Weiteren wird Baryt zur Herstellung von weißen Pigmenten und von fotografischem Papier verwendet. Es ist ebenso Bestandteil von Schwerbeton wie von Kontrastmitteln bei Röntgenuntersuchungen.
4) Wolfram, Wolframpulver, YJo\framgranu\at
Wolfram ist ein weißglänzendes in reinem Zustand sprödes Schwermetall mit hoher Dichte. Seine Dichte beträgt 19,25 g/cm3. Wolfram kommt in der Natur nicht in gediegener Form vor. Es sind einige Minerale, vor allem Oxide und Wolframate bekannt. Wolfram kann nicht durch Reduktion durch Kohle aus den oxidischen Erzen gewonnen werden, da hierbei Wolframcarbid entsteht. Gewonnen wird Wolfram in dem ammonia- kalische Lösung hinzugesetzt wird wobei ein Komplex namens Ammo- nium-Parawolframat (APD) entsteht. Dieser Komplex wird abfiltriert und anschließend bei 600 C° in relativ reines Wolframtrioxid überführt. Durch glühen erhält man Wolfram (Vl)-Oxid (WO3) das bei 800 C° unter Wasserstoffatmosphäre zu stahlgrauen Wolfram reduziert wird. Dabei entsteht graues Wolframpulver, das meist in Formen verdichtet und elekt- risch zu Barren gesintert wird. Wolfram besitzt von allen reinen Metallen den höchsten Schmelzpunkt und den zweithöchsten Siedepunkt. Seine bekannteste Verwendung ist daher die als Glühwendel in Glühlampen. Wolfram ist ein weißglänzendes, in reinem Zustand sprödes, dehnbares Metall hoher Dichte (19,25 g/cm3), Härte ((Brinellhärte von 250 HB) und Festigkeit (Zugfestigkeit von 4200 N/mm2). Wolfram ist ein chemisch sehr widerstandsfähiges Metall, das selbst von Fluorwasserstoffsäure und Königswasser zumindest bei Raumtemperatur kaum angegriffen wird. Die wichtigste Anwendung ist wegen seines hohen Schmelzpunktes in der Leuchtmittelindustrie als Glühwendel in Glühlampen und als Elektrode in Gasentladungslampen und in Elektronenröhren. Aufgrund seiner hohen Dichte wird es für Ausgleichsgewichte und zur Abschir- mung von Strahlung verwendet. Obwohl seine Dichte und somit die Abschirmwirkung wesentlich höher ist als die von Blei, wird es seltener als Blei für den Zweck verwendet, da es teurer und schwerer zu verarbeiten ist. Nach dem derzeitigen Wissensstand gelten Wolfram und seine Verwendung als physiologisch unbedenklich. Wolfram zeigt keine karzino- genen Wirkungen.
5) Bindemittel, Epoxidharz:
Als Bindemittel ist Epoxidharz hervorragend geeignet. Epoxidharze wer- den durch Kondensation von Epichlorhydrin und Bisphenol hergestellt.
Epoxidharze bilden flüssige bis viskose, glasige Stoffe. Je nach Vernetzungsgrad mit entsprechenden Härtern, wie Polyamine ergibt sich ein flüssiges bis festes Produkt. Die Haftung an Metallen ist außerordentlich gut und das entstehende Produkt ist äußerst widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse, auch gegen Korrosion. Feste Epoxidharze zeigen keine Reizwirkungen, keine toxischen und auch keine karzinogenen Eigenschaften - auch nicht bei länger andauernder beruflicher Belastung.
6) Bindemittel, Silikon:
Silikon ist ein Polymerwerkstoff Polysiloxan, ein Material auf Basis von Silizium und Sauerstoff mit organischen Substituenten und weist physi- kalische Eigenschaften auf, die für die Herstellung von flexiblen Abschirmprodukten, wie Abschirmschürzen gut geeignet ist. Das Material ist unter dem handelsüblichen Namen „Silikon" bekannt, wobei es eine Vielzahl verschiedener Silikonarten gibt. Polysiloxane sind hydrophobe Werkstoffe, die im Gegensatz zu anderen Elastomeren eine gute chemische Stabilität gegen Wasser, Sauren und Laugen besitzen. Der Hauptvorteil bei der Verwendung von Polysiloxanen besteht darin, dass sie sich leicht dem jeweiligen Anwendungsfall anpassen lassen. Durch Zugabe von Zusatz- oder Modifizierungsstoffen kann dieses leicht er- reicht werden. Des Weiteren bestehen Polysiloxane aus umweltverträglichen Materialien, die nach dem Gebrauch ohne Auflagen einfach entsorgt werden können.
7) Herstellungsformen:
Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial kann in verschiedene Formen gegossen werden, die dem jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden können. Es ist einsetzbar für Isotopennadeln, Handschuhboxen, Elektronenbeschleuniger, Radongeneratoren, bei der Isotopenherstellung und anderen Anwendungen. Es kann in Form von Mauer- und Systembausteinen, als Platten, Mörtelputz oder Material für Container, Abschirmbehälter, Rohrumhüllungen und Folien eingesetzt werden. Die Herstellung der verschiedenen Erzeugnisse erfolgt bei normaler Temperatur, wobei die benötigten Komponenten in einem Rührwerk oder Mischwerk miteinander vermischt und danach in die entsprechenden
Formen gegossen werden. Die Aushärtezeit kann durch Wärme verkürzt werden. Nach dem Aushärten ist eine mechanische Bearbeitung möglich, um bspw. bestimmte Formgenauigkeiten einzustellen. Durch unterschiedliche Bindungs- und Metallpulverzusammensetzungen kann die Dichte der Metallpulver-Polymer-Abschirmmaterialien eingestellt werden, wobei für Wismutpulver - Epoxid -Gemisch eine Dichte von 6,0 g/cm3, für Eisenpulver-Epoxid-Gemisch eine Dichte von 4,1 g/cm3 und für Barytpulver-Epoxid-Gemisch eine Dichte von 2,8 g/cm3 erreicht werden kann.
Radiologische Untersuchungen:
Die Messung der y-Abschirmung mit βoCo- und i37~Cs-Quellen ergab die aus anliegenden Bildern 1 und 2 ersichtlichen Schwächungsfaktoren l/lo in Abhängigkeit von der Schichtdjcke in cm. Die Schwächling der y- Strahiung (eoCo) kann errechnet werden aus der Formel
I K Io • B ■ exp- (--μco-60 ■ x), wobei
I = Zählrate mit Abschirmung abzüglich Untergrundstrahlung
I0 - Zählrate ohne Abschirmung abzüglich Untergrundstrahlung
B = Aufbaufaktor des Abschirmmaterials
X = Abschϊrmdicke
Mco-60 = Integraler Schwächungskoeffizient für 1 ,25 MeV
bedeuten.
Mit Wismutpulver werden bessere Ergebnisse erzielt als mit Stahl. Trotz eines fast fünfzig Prozent leichteren spezifischen Gewichts weist eine Wismutplatte gegenüber einer gleich dicken Stahlplatte um 2-5 % bes- sere Abschirmwerte auf. Mit Eisenpulver ergaben sich allerdings schlechtere Abschirmwirkungen. Bei ausreichenden Platzverhältnissen für die notwendige Abschirmung kann man mit Eisenpulver-Polymer- Platten die gleiche Abschirmwirkung erzielen, wenn man die Stärke der PlaU&n verdoppelt. Da die Herstellung von Eisenpulver-Polymer-Platten wesentlich preisgünstiger ist, bilden solche Platten als γ-Abschirmung durchaus eine Alternative aus radiologischer Sicht. Eiπ Vergleich cfer Schwächungsfaktoren in Abhängigkeit von der Schichtdicke der erfindungεgemäßen Abschirmmaterialien Eisen- Epoxid-Mischung, Wismut-Epαxid-Mischung, Baryt-Epoxid-Mischung und Eisen/Baryt-Epoxid-Mischung ist in Bild 3 dargestellt.
Der Grafik gemäß Bild 3 ist deutlich entnehmbar, dass mit dem Abschirmmaterial Wismut-Epoxidharz-Mischung die besten Abschirmergebnisse erzielt werden und mit Baryt-Epoxid-Mischung die schlechtes- ten.
9) Homogenität des erfindungsgemäßen Abschirmmaterials:
Für die meisten Änwendungszwecke ist es wichtig, dass das Metallpυl- ver sich mit dem Polymer homogen verbindet. Die Untersuchungen der Homogenität des erfindungsgemäßen Abschϊrmmaterials wurden mit einer eoCo-Queüe durchgeführt, mit der kreisförmige Platten aus Wismutpulver -Epoxid und aus Eisenpulver-Epoxid bestrahlt wurden.
Das Bild 4 zeigt die Anordnung der Messpunkte auf den Probeplatten aus Wismutpulver- Epoxid -Gemisch und Eisenpulver-Epoxid-Gemisch.
Die Probeplatten hatten einen Durchmesser von 150 mm und eine Wandstärke von 30 mm und wurden wie aus der Abbildung 4 ersichtlich in 55 Felder aufgeteilt. Für jedes der 55 Felder wurde die Schwächung mit der γ-Strahlung gemessen. Für jedes Feld wurden zwei Messungen durchgeführt, so dass die Homogenität einer Platte mit 110 Messungen ermittelt wurde.
Untersuchung der Homogenität der gegossenen Platten:
Die Abbildungen 5 und 6 geben die Messergebnisse bei Wismutpulver-
Epoxid-Platten und Eisenpulver-Epoxid-PIatten wieder. In beiden Abbildungen ist die Dichteinhomogenϊtät dargestellt; sie erfolgte über die Ermittlung des mittleren Schwächungsfaktors 1/I0 und der lokalen Abweichung von diesem Mittelwert. Die Schwächung der v- Strahlung wurde mit einer mittleren Energielinie Ey = 1 ,25 MeV ermittelt.
Die Dichteinhomogenität wurde ermittelt durch die Anzeige der Abweichung vom Plattenmittelwert des Schwächungsfaktors l/lo- Durch eine Zweifachmessung jedes einzelnen Messpunktes konnte der Messfehler auf einen Wert von cst. 4 % reduziert werden. An den Randrnesspunk- ten sind deutliche Abweichungen vom Mittelwert der Dichteinhomogenität festzustellen. Dieses liegt jedoch nicht an der Inhomogenität der Probeplatte, sondern ist zum größten Teil auf Streuungen der y- Strahlung im Randbereich der Probeplatten zurückzuführen. Die Untersuchungen ergaben sowohl für Wismutpulver- Epoxid - Platten als auch für Eisenpulver-Epoxid-Platten eine herstellungsbedingte Djchteinho- mαgenität von nur 8 %. Dieses Ergebnis bedeutet, dass mit einem Me- fal/pufver sowσhf aus Wismut als auch aus Eis&n das Polymer (Epoxid) eine dichte Verbindung ohne Lunker eingeht.
10) Mechanische Untersuchungen:
Die mechanisch-technischen Untersuchungen umfassten Druck- und Zugversuche. Die Untersuchungen wurden gemäß DIN ISO 527 und DIN ISO 604 durchgeführt und die Ergebnisse mit Blei, Stahl und Beton verglichen. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben. Druck- und Zuqtests
Material Druckspannung Zugspannung
N/mm2 N/mm2
Wismutpulver-Epoxid- 67 25
Gemisch
Eisenpulver-Epoxid- 122 37
Gemisch
Barytpulver-Epoxid- 135 31
Gemisch
10 Eiseπ/Barytpulver-Epoxid- 129 33
Gemisch
Beton 25 - 37 2,6 - 3,3
Blei - 12
Stahl 250 - 1200 340 - 630
15
11) Verwendung von Wolfrämpulver und/oder Wolframgranulat:
Mit Wolframpulver und/oder Wolframgranulat sind auch in Verbindung
20 mit wenigstens einem der zuvor beschriebenen Metallpulver und/oder Metallgranulate zumindest hinsichtlich Abschirmwirkung und Einsatzmöglichkeiten gleichwertige Ergebnisse erzielbar wie mit den zuvor beschriebenen Metalien. Aufgrund seiner hohen Dichte (19,25 g/cm3) ergeben sich gegenüber den anderen Metallen mit geringerer Dichte eine
25 wesentlich bessere Strahlenabschirmuπgen,
12) Eϊnsatzmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Metallpulver- oder Metallgranulat- Polymer-Abschirmniaterial oder für die Mischung aus Me- taflpulver- und Metallgranulat-Polymer-Abschirmmaterial:
•30
Das erfindungsgemäße Metallpulver und/oder Metallgranulat-Polymer- Gemisch ist kattgießfähig und kann daher sehr flexibel und unterschied- lich eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial besitzt durch die Urnmantelung der Metallpulver- und /oder der Metallgranulat- teilcheπ durch das Polymer (Bindemittel Epoxidharz oder Silikon) eine wesentlich bessere Korrosionsbeständigkeit als die herkömmlichen Ab- schirmmaterialien Stahl und Blei. Nachteilig wirkt sich allenfalls der relativ hohe Preis bspw. für Wismutpulver oder Wismutgranulat aus, so dass dieses Material für große und schwere Abschirm- Transportbehälter möglicherweise nicht wirtschaftlich erscheint. Es bieten sich aber Anwendungen für kleinere, leichtere Bauelemente an, wie nachfolgend beschrieben. Das Wismutpulver- oder Wismutgranuiat-
Polymer-Abschirmmaterial und das .Eisenpulver- oder das Eisengranu- lat-Pαtymer-Abschirmmateria! kann zu handlichen Steinen, wie Mauersteinen mit Schwalbenschwanzprofil gegossen werden, so dass die Steine zu Abschirmwänden oder flexiblen Abschirmungen aufgebaut werden können. Die bisher gebräuchlichen Bleisteine können durch
Steine aus Wismutpulver- und/oder Wismutgranulat-Epoxid- Gemischmaierial und/ oder Eisenpulver- und/oder Eisengranulat- Epoxid-Gemischmaterial ersetzt werden. Dadurch kann die Handhabung mit dem toxischen Material Blei vermieden werden. Mit den Bau- steinen aus dem erfindungsgemäßen Abschirmmaterial kann ein System mit Normalsteinen, Ecksteinen, Halbsteinen und Sondersteinen sowie Rahmensteinen für Bleigfasfenster, für Ferπbedienungsgreifeinrich- tungen und Manipulatoren oder für Schleusensysteme hergestellt werden.
Es ist bekannt, Baryt-Beton-Steine als Abschirmung einzusetzen. Diese Steine müssen aber aufwendig mit einem Haken für Hebezeuge und müssen mit einem Dekontaminationsanstrich versehen werden. Sie besitzen eine Dichte von 4,1 g/cm3. Eisenpulver-Epoxidharz-Steiπe kön- nen mit etwa der gleichen Dichte von 4,3 g/cm3 wesentlich einfacher hergestellt werden, da sie keinen Dekontaminationsanstrich benötigen und außerdem wesentlich korrosionsbeständiger sind. Haken für Hebe- zeuge können in die Steine einfach eingeschraubt werden. Im Bereich von Kernkraftwerken können für Instandhaltungs- und Wartungsarbeiten vorzüglich flexible Abschirmungen aus Wismutpulver-Polymer- und/oder Wismutgraπulat- PolymerSteinen und/oder Eisenpulver- und/oder Ei- sengranulat- Polymer-Steinen und/oder aus Barytpulver-Polymer- und/oder Barytgranulat- Polymer-Steinen und/oder Wolframpulver- und/oder Wolframgranulat- Polymer-Steinen eingesetzt werden. Auch bei Rückbauarbeiten von kemtechnischen Anlagen wären solche flexiblen und schnell veränderbaren Abschirmungen von Vorteil.
13) In Krankenhäusern werden in der Nuklearmedizin und bei der Röntgen- diagnose Abschirmwände benötigt, die hervorragend hergestellt werden können aus Wismutpulver-Polymer- und/oder Wismutgranulat-Polymer- Steinen und/oder Eisenpulver- und/oder Eisengranulat-Polymer-Steinen und/oder aus Barytpulver-Polymer- und/oder Barytgranulat-Polymer-
Steinen und/oder Wolframpulver- und/oder Wolframgranulat-Polymer- Steinen. Insbesondere auch Abschirmschürzen sind mit dem erfindungsgemäßen Abschirmmaterial wesentlich handlicher für das medizinische Personal zu tragen, wobei die Verwendung von Silikon als Bin- demittel besonders vorteilhaft ist wegen der erzfelbaren sehr guten Flexibilität des Produktes.
Zurzeit sind unzählige Abschirmbehälter für Isotope mit ß- und y- Strahlung für Forschungszwecke, für Krankenhäuser, für Messeinrich- tuπgen und viele andere Anwendungen auf dem Markt. Diese Abschirmbehälter werden meistens aus Blei gefertigt und müssen mit Kraftfahrzeugen transportiert werden. Sie sind durch die Bleiabschirmung unhandlich und schwer. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Abschirrnmaterials, insbesondere des erfinduπgsgemäßen Wismutpul- ver- und/oder Wismutgranulat-Epoxid-Materials und/oder des Wolframpulver- und/oder Wolframgranulat- Epoxid- Materials als Material für Behälter können diese bei gleicher Abschirmwirkung um ca. 10 % leich- ter sein.
Besonders bei Bauteilen, wie Türen oder Abschlussdeckel ist es oft erforderlich, Gewicht einzusparen, um Handhabungsabläufe einfacher zu gestalten. Auch Doppeldeckelsysteme zum Ein- und Ausschleusen können gewichtsparend erstellt werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass bei Verwendung des erfindungsgemäßen Abschirmmaterials ein zusätzlicher Korrosionsschutz nicht erforderlich ist. Bisher mussten daher Schleusensysteme, wie Doppeldeckelschleusen kosten- trächtig aus Edelstahl gefertigt werden. Bekanntlich werden Flugzeugkabinen mit Bleimatten versehen, um das Flugpersonal gegen die kosmische Strahlung abzuschirmen. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Abschirmmaterials, insbesondere von Wismutpulver-Epoxidharz- Gemisch-Material oder Wismutpulver-Silikon-Gemisch-Material und/oder von Wolframpulver-Epoxidharz- und/oder Wolfrarnpulver-
Silfkon-Gemisch-Material und/oder von Wiεmutgranulat-Epoxidharz- Gemisch-Material oder Wismutgranulat-Silikon-Gemisch-Material und/oder von Wolframgranulat-Epoxidharz- und/oder Wolframgranulat- Silikon-Gemisch-Material kann Gewicht eingespart werden.
Die Verwendung von Metallgranulat anstelle von Metallpulver als Abschirmmaterial allein oder in Verbindung mit einem oder mehreren der oben beschriebenen Metallpulver hat den Vorteil, dass das spezifische Gewicht des Abschirmmaterials erhöht wird. Hierdurch wird bei gleicher Dicke des Abschirmmaterials eine höhere Strahlenabschirmung erzielt oder kann bei gleicher Abschirrnwirkung Material eingespart werden. So kann beispielsweise bei Verwendung von Granulat oder einer Mischung von Granulat und Pulver eine dünnere Abschirmwand eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Stärke einer Abschirmwand von 4 cm auf 3 cm reduziert werden unter Beibehaltung einer guten Abschirrnwirkung.
fπ Kernkraftwerken oder anderen kemtechnischen Anlagen müssen oft bestehende Wände durch den Umgang mit höherer Aktivität in ihrer Abschirmwirkung verstärkt werden. Stand der Technik ist es, vor die gemauerten Wände eine Stahlkonstruktion aufzubauen und diese fest mit dem Mauerwerk zu verbinden. Dadurch kann die Abschirmwirkung des Systems örtlich durch Befestigungsbolzeπ oder Schrauben im Mauerwerk geschwächt werden. Dieser Nachteil wird vermieden, wenn das erfindungsgemäße Abschirmmaterial in Form von Mörtelputz auf die bestehende Wand aufgetragen wird. Das erfindungsgemäße Abschirmmaterial verbindet sich mit dem Mauerwerk zu einer. Einheit Dadurch kön- nen erhebliche Kosten und Montagezeiten eingespart werden. Das
Moπtagepersonal wird bei laufendem aktiven Betrieb weniger belastet und insgesamt können Dosisleistungsstunden in mSv- eingespart werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass auch hier korrosions- schützende Maßnahmen entfallen können.

Claims

Patentansprüche
1. Abschirmmaterial zum Abschirmen von Strahlung, insbesondere von radioaktiver Strahlung, insbesondere von ß- und γ-Strahlen, und/oder Röntgenstrahlung und/oder Neutronenstrahlung, gekennzeichnet durch ein Schwermetall-Polymer-Gemisch.
2. Abschirmmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwermetall-Polymer-Gemisch ein Schwermetallpulver-Polymer- Gemisch und/oder ein Schwermetallgranulat- Polymer-Gemisch oder eine Mischung aus Schwermetallpulver- und Schwermetallgranulat- Polymer-Gemisch ist.
3. Abschirmmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwermetall Wismut, Eisen, Baryt oder Wolfram ist.
4. Abschirmmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallanteil des Metall-Polymer-Gemisches aus Wismutpulver, Eisenpulver, Barytpulver oder Wolframpulver oder aus Wismuthgranulat, Eisengranulat, Barytgranulat oder Wolframgranulat oder aus einer Mischung wenigstens zweier dieser Materialien besteht.
5. Abschirmmaterial nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Polymer ein Bindemittel ist.
6. Abschirmmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel Epoxidharz oder Silikon ist.
7. Abschirmmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Herstellung verschiedenster, dem jeweili- gen Verwendungs- und Einsatzzweck angepasster Produkte und Gegenstände, wie Mauersteine für Abschirmwände, Trennwände, Platten, Systembausteine, Abschirmschürzen, Container, Abschirmbehälter unter Verwendung formgebender Verfahren, insbesondere Gießverfahren, sowie für die Herstellung von Beschichtungen, Putzmörtel, Rohrumhüllungen und Folien verwendet wird.
8. Abschirmmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Abschirmmaterial hergestellten Produkte und Gegenstände zur Verkürzung der Aushärtezeit einer Wärmebehandlung ausgesetzt werden.
9. Abschirmmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Abschirmmaterials das Schwermetallpulver und/oder das Schwermetallgranulat (Wismutpulver und/oder Eisenpulver und/oder Barytpulver und/oder Wolframpulver und/oder Wismutgranulat und/oder Eisengranulat und/oder Barytgranulat und/oder Wolframgranulat) und das Bindemittel (Epoxidharz oder Silikon) in einem Rührwerk oder Mischgerät gemischt werden.
10. Abschirmmaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischen bei normaler Temperatur, insbesondere Raumtemperatur erfolgt.
11.Abschirmmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwermetall-Polymer-Gemisch eine hohe Dichte aufweist.
12. Abschirmmaterial nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte 4 - 10 g/cm3 beträgt.
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