DE1167459B - Neutronenschirm - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/32

Nummer: 1167 459

Aktenzeichen: G 29721 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 20. Mai 1960

Auslegetag: 9. April 1964

Die Erfindung bezieht sich auf Neutronenschirme für Kernreaktoren oder andere Neutronenquellen.

Für kleinere und mittelgroße Atomreaktoren, die als Energiequelle zum Antrieb von Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen od. dgl. dienen sollen, benutzt man spaltbare Masse, die gewöhnlich einen wesentlichen Anteil von Uran 235 enthält und während des Spaltvorganges große Mengen schädlicher Strahlen aussendet. Von den dabei entstehenden Strahlungsarten sind die Neutronen schwierig abzuschirmen, weil sie keine elektrische Ladung und eine relativ hohe Geschwindigkeit haben.

Es ist bekannt, daß die Dämpfungs- oder Abbremseigenschaften gegen Neutronen der sogenannten Wasserstoffdichte des Materials direkt proportional sind, wobei die Wasserstoffdichte proportional der Zahl der Wasserstoffatome je Volumeinheit im Schirmmaterial ist. In älteren Atomreaktoranlagen wurde gewöhnlich Wasser als Neutronenschirm benutzt, weil es eine leidlich befriedigende Wasserstoffdichte hatte. Diese Verwendung von Wasser, das in reinem Zustand bleiben muß, um eine radioaktive Verunreinigung zu vermeiden, erfordert aber die Verwendung schwerer unhandlicher Gefäße. Man hat auch schon als abschirmenden Stoff Polyäthylen vorgeschlagen, das eine bessere Wasserstoffdichte als Wasser hat und keinen Behälter benötigt, weil es unter gewöhnlichen Bedingungen ein fester Stoff ist. Man hat solche Polyäthylenschirme aus einzelnen Scheiben gebaut, was auch ziemlich hohe Kosten verursachte, insbesondere weil Polyätylenscheiben sich leicht verbiegen oder brechen, so daß dauernd eine Verminderung der Abschirmeigenschaften in einem aus Scheiben hergestellten Schirm zu befürchten ist. Dabei können die Scheiben nur schwer unregelmäßigen Formen des Reaktors angepaßt werden, so daß eine so abgeschirmte Reaktoranlage einen wesentlich größeren Raum erfordert als der Reaktor an sich benötigt.

Als abschirmendes Material kennt man auch vulkanisierbare elastomere Binder, deren Wasserstoffdichte denen von Polyäthylen ähnlich ist. Man hat auch schon vorgeschlagen, Neutronenschirme zu benutzen, die ein Gemisch aus Bor in Pulverform in einem Wasserstoff enthaltenden Material, z.B. plastische Kunstharze, enthalten, wobei monomere organische Verbindungen von der Art der Acrylate genannt wurden.

Demgegenüber besteht der Neutronenschirm nach der Erfindung aus einer Schüttung kleiner Körper aus Polyäthylen oder einem Stoff mit ähnlicher Wasserstoffdichte und die Hohlräume der Schüttung Neutronenschirm

Anmelder:

The Goodyear Tire & Rubber Company,

Akron, Ohio (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. W. Meissner, Berlin 33, Herbertstr. 22, und Dipl.-Ing. H. Tischer, München 2,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 27. Mai 1959 (816193) - -

ausfüllender Vergußmasse aus härtbarem organischem Bindemittel.

Dieser Schirm hat eine Wasserstoffdichte, die der des Polyäthylens nahekommt, und er kann durch Formen unmittelbar an Ort und Stelle hergestellt werden, wobei er sich allen Unregelmäßigkeiten der Reaktorfonn anpassen kann. Dadurch wird der von der Anlage benötigte Raum merklich kleiner als bei den bekannten Anlagen, wobei gleichzeitig eine größere Sicherheit gegen Beschädigung durch Stöße gegeben ist.

Ein Ausführungsbeispiel eines Neutronenschirms nach der Erfindung ist aus den Zeichnungen ersichtlich. In diesen zeigt

Fig. 1 eine Ansicht, teilweise im Schnitt eines Kernreaktors mit einem Schirm nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Teilaufsicht eines Atomreaktors mit einem bekannten, aus Scheiben hergestellten Schirm und

Fig. 3 einen Querschnitt eines Teiles des Schirmes nach der Erfindung.

In F i g. 1 ist ein Reaktor 1 einer üblichen Atomkraftanlage mit dem Wärmeaustauscher 3 dargestellt, der von einem Schirm 2 nach der Erfindung umgeben ist. Der Schirm 2 besteht aus feinkörnigem Polyäthylen, dessen Hohlräume mit einem gießbaren, aushärtenden organischen Bindemittel ausgefüllt sind. Er soll die vom Reaktor 1 ausgesandten Neutronen abbremsen und zurückhalten, braucht aber nicht unbedingt eine ausreichende Abschirmung für andere Arten durchdringender Strahlen zu bilden, wie z.B. Gammastrahlen. Diese werden durch Zusatzschirme 4 und 5 aus schweren Stoffen, z.B. Beton oder Blei, zurückgehalten. Der homogene Cha-

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rakter des gegossenen Schirmes2 ist aus Fig. 1 deut- Reines Polyäthylen von hoher Dichte hat eine

lieh ersichtlich. Bolzen oder Befestigungseinrichtun- Wasserstoffdichte von etwa 0,138 g/cm^s, während

gen und ähnliche Teile, die keine Strahlung absor- Polyäthylen von niedriger Dichte eine Wasserstoff-

bieren, sind nicht erforderlich. dichte von etwa 0,134 g/cm³ hat. Ein aus gleich gro-

Man kann den Schirm unmittelbar auf der Ober- 5 ßen Polyäthylenkörpern aufgebauter Schirm, der als fläche des Reaktors anordnen; man kann aber auch, Binder ein bearbeitbares oder vulkanisierbares z. B. bei kerngetriebenen Luftfahrzeugen, den von Mischpolymerisat aus Butadien und Methakrylsäure der Mannschaft eingenommenen Raum mit einem enthält, hat, wie festgestellt wurde, eine Wasserstoff-Schirm umgeben und so wesentliche Ersparnisse in dichte von etwa 0,118 g/cm³ oder nur 14% weniger der Schirmdicke erreichen, weil dann infolge des io als reines Polyäthylen. Ein Schinnmaterial nach der größeren Abstandes zwischen Reaktor und Schirm Erfindung, das dasselbe Mischpolymerisat, aber Polyschwächere Neutronenströme abzufangen sind. äthylenkörper mit zwei Teilchengrößen von jeweils

Fig. 2 zeigt zum Vergleich eine ältere Bauart mit 0,36 cm und 150 Mikron benutzt, zeigt eine Wassereinem Polyäthylenschirm nach dem Scheibentyp, wo- stoffdichte von 0,128 g/cm³ oder nur 7% weniger bei zur Verdeutlichung die Zusatzschirme fortgelas- 15 als reines Polyäthylen. Ein Schirmmaterial nach der sen sind. Der Reaktor 6 ist von dem Schirm 7 um- Erfindung, das Polyäthylenteilchen von mindestens geben, der aus mehreren Polyäthylenscheiben 8 be- drei verschiedenen Größen mit einem Verhältnis von steht. Die Scheiben sind durch Befestigungsmittel 9, annähernd 1:2000 vom kleinsten zum größten Teilz. B. Bolzen, Holzpflöcke od. dgl., miteinander ver- chen benutzt, hat eine noch höhere Wasserstoffbunden und überlappen sich an den Stoßstellen 10 20 dichte, die beinahe die von reinem Polyäthylen erder Platten. Trotzdem lassen sich Undichtigkeiten reicht. Erfindungsgemäß werden deshalb mindestens für Neutronenstrahlen kaum vermeiden, so daß es drei oder mehr verschiedene Teilchengrößen bevormeist nötig ist, die Dicke des Schirmmaterials zu er- zugt verwendet.

höhen, obwohl Polyäthylen und ähnliche Stoffe eine Das Bindemittel 12 kann aus verschiedenen Störgröße Wasserstoffdichte haben und sehr wirksame 25 fen bestehen. Ein Mischpolymerisat aus Butadien Neutronenbremsen sind. Außerdem ist es verhältnis- und Methakrylsäure lieferte ein elastomeres Material mäßig schwierig, aus Platten einen Schirm zu bauen, mit guten physikalischen Eigenschaften. Dieses der einen unregelmäßig gebildeten Körper um- Mischpolymerisat hat nur eine Wasserstoffdichte von schließt, z.B. ein Röhrensystem od. dgl. etwa 0,104 g/cm³. Man sucht deshalb die Menge des

Fig. 3 zeigt einen Teilquerschnitt eines Neu- 3° zum Ausfüllen der Hohlräume nötigen Polymerisats tronenschirmes nach der Erfindung. Der Schirm ent- zu verkleinern, indem man Polyäthylen in solchem hält viele verschieden große, kugelförmige Poly- Verhältnis beimengt, daß die größte Annäherung an äthylenteilchen 11, die in enggepackter Lage in eine dicht gepackte Anordnung erreicht wird. Es einem kleineren Anteil eines Bindemittels 12 ein- stellte sich dabei heraus, daß ein Gemisch von PoIygebettet sind. Erfindungsgemäß werden die Poly- 35 äthylen und Binder Fließeigenschaften behält, wenn äthylenpartikeln 11 so gewählt, daß sie aus wenig- der Anteil des Binders die zum Ausfüllen der Hohlstens drei verschiedenen Größen bestehen, deren räume nötige Menge nur wenig (z.B. Ibis5%) überDurchmesser sich von Größe zu Größe um einen steigt. Das Volumen der Hohlräume wird dabei für Faktor 10 bis zu einem Faktor 100 unterscheidet. die verschiedenen Teilchengrößen des Schüttstoffes Verschiedenheiten in jeder Größenklasse, die infolge 4° geschätzt oder empirisch ermittelt. Eine Verkleineder Ungenauigkeiten beim Herstellungsvorgang ein- rung des Hohlraumvolumens durch eine größere treten können, sollen möglichst vermieden werden, Zahl verschiedener Teilchengrößen vergrößert einerweil das die Packung stören würde. In Fällen, in seits die Wasserstoffdichte, weil die Menge des Bindenen die Biegsamkeit des Schirmes von Bedeutung ders mit geringerer Wasserstoffdichte vermindert ist, kann es wünschenswert sein, eine weniger dicht 45 wird, und verringert andererseits die Menge an flüsgepackte Anordnung zu benutzen. Im allgemeinen sigem Polymerisat, die nötig ist, um die Schüttung wird jedoch die dicht gepackte Anordnung bevor- fiießbar zu machen, wobei auch die Oberfläche, die zugt, weil dann die vom Bindemittel auszufüllenden vom Bindemittel benetzt werden muß, um Fließ-Leerräume kleiner werden, zumal das Bindemittel im eigenschaften zu schaffen, vermindert wird. Das allgemeinen eine niedrigere Wasserstoffdichte hat als 50 Schirmmaterial ist somit gieß- und formbar und das Kornmaterial. Als geeignetes Verhältnis der An- kann um den Reaktor und alle zusätzlichen Röhren teile der Teilchen wurde im Sinne der Erfindung er- oder Ausstattungen gegossen und an Ort und Stelle mittelt, daß jede Größe in einer Menge vorhanden ausgehärtet werden, ist, die durch die Formel Das Bindemittel der vorstehend beschriebenen Art

_Λ .2-3 — -ι/ ·ν ·ν ·ν ⁵⁵ k^{ann nacn} den herkömmlichen Polymerisationsver-

1: V₁: V₁ : V₁ ... — K₁: K₂: K₃: K₄... fahren hergestellt werden, bei denen Gemische von

gekennzeichnet ist. Darin ist V₁ der Hohlraum einer 100 Gewichtsteilen Butadien mit etwa 9 bis 10 Geeinzelnen Größenkomponente (der Hohlraum, der wichtsteilen Methakrylsäure in Gegenwart von Ausdas Verhältnis der Lücken zum Gesamtvolumen ist, härtern, z. B. etwa 12 Gewichtsteile Merkaptan oder ist im allgemeinen unabhängig von der Teilchen- 60 Bixantogen, benutzt werden. Andere Monomere, die größe) und V der Anteil dieser Komponenten, wo- benutzt werden können, sind in der Fachliteratur bei die Indizes sich umgekehrt zur wachsenden Teil- beschrieben.

chengröße verhalten, d. h. V₁ ist der Anteil der groß- Bindemittel und Polyäthylen können z. B. daten Teilchengröße und F₄ ist der Anteil der durch gemischt werden, daß man sie in einem Behälkleinsten. 65 ter durcheinanderschüttelt, wobei man zweckmäßig Als Schüttungsstoff wird Polyäthylen bevorzugt; die verschiedenen Größen von Polyäthylenteilchen es können aber auch andere Stoffe, z.B. Polypropy- gleichzeitig hinzufügt,um eine inhomogeneTeilchenlen, verwendet werden. verteilung zu vermeiden und die gewünschte enge

Packung sicherzustellen. Den Bindern kann man kleinere Mengen von Stoffen zufügen, die ihre physikalischen Eigenschaften oder chemische Widerstandskraft erhöhen. Dabei vermeidet man zweckmäßig Stoffe wie Zinkoxyd, weil diese sehr wenig zur Abschirmwirkung beitragen, aber dazu neigen, in Gegenwart von Neutronenstrahlung radioaktiv zu werden, was eine weitere Abschirmung erfordern würde. Weiter sollte man Stoffe wie Polymethylmethakrylat vermeiden, die unter Bestrahlung zerfallen oder während des Vorganges Gase entwickeln.

Ein Polyäthylenscheibenschirm, der vollkommen ohne Lücken ist, liefert bei einer Dicke von 6 cm gemäß der Formel / = I_oe~^m eine Abschirmung von 50%. In der Formel ist / die Neutronenintensität, E der Querschnitt und t die Dicke. Die gleiche Abschirmung liefert ein gießbarer Schirm nach der Erfindung mit verschieden großen Polyäthylenteilchen bei einer Vergrößerung der Schirmdicke um nur 4 mm. Eine so wenig vergrößerte Dicke des Schirmes kann bei der formbaren Natur des Schirmmaterials, durch die Einsparungen in dem ganzen Volumen der Reaktorabschirmung ermöglicht werden, mehr als ausgeglichen werden, zumal die Gefahr von Lücken praktisch beseitigt ist.

In Fällen, in denen ein Personalschirm gewünscht wird und der auftreffende Neutronenfluß nicht übermäßig hoch ist, können Butylgummi oder PoIysobutylen, die eine dem Polyäthylen ähnliche Wasserstoffdichte haben, ohne Schwierigkeiten als Bindemittel verwendet werden und gleichzeitig dazu dienen, den Schirm plastisch zu machen. Allerdings treten bei Butylgummi einige Schwierigkeiten auf, wenn man eine ausreichende Härtung erreichen will. Weil Butylgummi (ein Mischpolymerisat aus einem größeren Anteil eines Isoolefins wie etwa Isobutylen mit einem kleineren Anteil eines in offener Kette verknüpften Diolefins wie etwa Isopren) eine dem Polyäthylen sehr ähnliche Wasserstoffdichte hat, ist der entstehende Schirm hinsichtlich der Neutronendämpfung nicht nur ebenso wirksam wie Polyäthylen, sondern er behält auch die gießbaren und formbaren Eigenschaften und die ihnen innewohnenden Vorteile.

Weiter können bestimmte Wachse mit hohem Schmelzpunkt und Asphaltstoffe zufriedenstellend als Bindemittel benutzt werden. Solche Stoffe können erwärmt werden, um einen flüssigen Zustand zu erreichen, damit das Hinzufügen von Polyäthylen und von anderen Neutronen abfangenden Stoffen erleichtert wird; nachdem sie an Ort und Stelle am Reaktor vergossen sind, läßt man sie abkühlen und erstarren. Natürlich kann der Schirm auch in Teilen hergestellt werden, dann zur Einbaustelle gebracht und dort aufgestellt werden.

Um eine wirksame Absorption thermischer Neutronen vorzusehen, d.h. von Neutronen, die durch das Abschirmmaterial abgebremst oder gedämpft worden sind, ist es wünschenswert, kleinere Anteile, etwa bis zu 10 Gewichtsprozent, von Stoffen mit hoher Neutronenabsorption, die in Fig. 3 mit der Ziffer 13 bezeichnet sind, in einer homogenen Verteilung über den ganzen Schirm einzufügen. Diese Stoffe sind z.B. Bor, Lithium oder Cadmium, die einen thermischen Neutronenquerschnitt von wenigstens 60 Barn haben. Zusätzlich können andere Elemente mit großem Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen, wie Samarium, Gadoünium, Europium, Dysprosium, Erbium und Iridium, verwendet werden, obgleich die Kosten und Verfügbarkeit einige Probleme aufwerfen. Bestimmte dieser Stoffe senden sekundäre Gammastrahlen aus, nachdem sie ein Neutron abgefangen haben, und erfordern daher vergrößerte Zusatzschirme, während dieser Effekt wesentlich geringer ist, wenn bevorzugte Stoffe wie Lithium verwendet werden.

So führt die Erfindung zu einem Neutronenschirm, der in seiner Form und Gestalt des Reaktors leicht angepaßt werden kann und Abschirmeigenschaften aufweist, die allen Anforderungen genügen können.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Neutronenschirm aus in einem härtbaren, organischen Bindemittel verteilten Teilchen eines abschirmenden Stoffes, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Schüttung kleiner Körper (11) aus Polyäthylen oder einem Stoff mit ähnlicher Wasserstoffdichte und die Hohlräume der Schüttung ausfüllender Vergußmasse (12) aus dem organischen Bindemittel besteht.

2. Neutronenschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyäthylenkörper (11) kugelförmig sind und in mehreren Größengruppen, vorzugsweise drei Größengruppen, verwendet sind.

3. Neutronenschirm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größengruppen der Polyäthylenkörper sich in einem Verhältnis von 1:10 bis 1:100 unterscheiden.

4. Neutronenschirm nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Größe in einer Menge vorhanden ist,, die durch die Formel

1 · ν ■ ν ² · ν s = 1/ -V · V -V s. .V₁. V₁ .V₁ y_t. ν ₂. γ ₃. ν ₄

gegeben ist, wobei V₁ der Hohlraum einer einzelnen Größenkomponente und V der Anteil dieser Komponente ist, und die Indizes sich im umgekehrten Verhältnis zu der abnehmenden Teilchengröße beziehen.

5. Neutronenschirm nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung zusätzlich einen kleinen Anteil eines Stoffes (13) mit einem Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen von wenigstens 60 Barn in homogener Verteilung enthält.

6. Neutronenschirm nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als neutronenabsorbierender Stoff vorwiegend Lithium, Bor oder Cadmium verwendet ist.

7. Neutronenschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus Polypropylen bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 053 685; österreichische Patentschriften Nr. 194 028, 678;

belgische Patentschriften Nr. 493 942, 509 797;

britische Patentschriften Nr. 670 325, 796 047; . USA.-Patentschriften Nr. 2796 529, 2 873 243; »Nudeonics«, 14 (1956) 9, S. 75 bis 81.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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