Erfolg für Betonwerk Pieper

Mon, 04 Dec 2017 15:00:00 +0100
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Prüfbericht des Instituts für Bauforschung und Lehrstuhl für Baustoffkunde der RWTH Aachen bestätigt Wirksamkeit der Colemanit-Rastersteine

Schmallenberg-Dorlar. Großer Erfolg für das innovative Dorlarer Familienunternehmen Betonwerk Pieper: In einer ausgedehnten Prüfungsreihe wurde jetzt die Wirksamkeit der Colemanit-Rastersteine zur Reduktion von Gamma- und Neutronenstrahlung (thermische Neutronen) wissenschaftlich belegt.

Wie der aktuelle Prüfbericht des renommierten Instituts für Bauforschung und Lehrstuhl für Baustoffkunde der RWTH Aachen belegt, übertrifft der borierte Beton von Pieper mit einem Borgehalt von 1120ppm die Abschirmwirkung gegenüber unboriertem Standardbeton bei einer Betondicke von 10cm um eine knappe Größenordnung (Faktor 9,4). Zuvor war bereits der besonders hohe Widerstandsgrad durch Experimente am Forschungsreaktor FRMII in Garching bei München bestätigt worden.

Initiiert wurde die Hightech-Kooperation vom "Aachen Institute for Nuclear Training GmbH" (AinT), als ein Strahlenschutzbauwerk für ein Forschungsvorhaben (innovative Messanlage auf Basis der sogenannten Neutronen-Aktivierungs-Analyse) errichtet werden musste.

[Auszug Bericht des AiNT:]
"Dieses Strahlenschutzbauwerk (600 mm Wandstärke) dient der Reduktion der während des Betriebes auftretenden ionisierenden Strahlung. Die Schutzwirkung wird maßgeblich durch die Zusammensetzung des Betons sowie die Masse der Betonformkörper beeinflusst. Hierbei spielen insbesondere die Zuschlagmittel für den Beton eine Rolle. Im Folgenden werden die Strahlenfelder (Gamma-Strahlung / Neutronen) separat betrachtet.

Bei der Abschirmung von Gamma-Strahlung ist die Leistungsfähigkeit eines Abschirmmaterials (z. B. Wasser oder Blei) in erster Näherung von der Dichte des Materials abhängig. Die Materialdicke, bei der ein Material die Gamma-Strahlung auf die Hälfte reduziert, wird Halbwertsschichtdicke genannt. Die Halbwertsschichtdicke kann für den Vergleich verschiedener Abschirmmaterialien genutzt werden. Die in einem Raum auftretende Gamma-Strahlung wird durch die Raumluft (vlgs. sehr geringe Dichte) in nur sehr geringem Maße abgeschirmt. Wird nun zur Abschirmung eine Bleiabschirmung verwendet, ist die aus der Gamma-Strahlung resultierende Strahlendosis hinter dem Blei wesentlich geringer.

Bei Betrachtung der Halbwertsschichtdicken (für 1 MeV Photonen) wird dies klar: Eine Schichtdicke von 84 m Luft reduziert Gamma-Dosisleistung auf die Hälfte, während eine Schichtdicke von 10,8 cm Wasser die gleiche Wirkung erzielt. Sofern in diesem Beispiel Blei platziert wird, absorbiert eine Schichtdicke von 0,87 cm ebenfalls die Hälfte der Gamma-Strahlung.

Bei unserem Vorhaben ist es allerdings sehr viele entscheidender die Neutronenstrahlung abzuschirmen, da die Strahlendosis der Neutronen in unserem Fall überwiegt. Die Abschirmung von Neutronen ist ebenfalls Materialabhängig, sie korreliert jedoch nicht mit der Dichte. Neutronen können, als ungeladene Teilchen, Masse durchdringen und werden, auf atomarer Ebene, nur durch den Atomkern und nicht durch die Elektronenhülle beeinflusst. Es ist beispielsweise so, dass Wasser eine gute Abschirmwirkung besitzt, während Neutronen Blei fast ungehindert durchdringen.

Die Eigenschaft eines chemischen Elements Neutronen einzufangen wird durch den sogenannten Einfangquerschnitt ausgedrückt. Dieser ist als Wahrscheinlichkeit zu verstehen, mit der ein chemischen Element Neutronen absorbiert. Besonders niedrig ist diese beispielsweise (neben Blei) bei Sauerstoff, Kohlenstoff oder Zirkonium. Einen hohen Einfangquerschnitt, und somit eine hohe Wahrscheinlichkeit zur Absorption von Neutronen, besitzen beispielsweise die Seltenen Erd-Elemente, Cadmium, Gold, Silber, Bor und Lithium.

Materialien, die zur Abschirmung von Neutronen verwendet werden, bestehen folglich u.a. aus Elementen, die einen hohen Einfangquerschnitt besitzen. An diesem Punkt kommt das Colemanit ins Spiel, da es einen sehr hohen Anteil an Bor enthält. Colemanit ist ein Mineral, welches bergmännisch gewonnen wird und somit als kostengünstiger Rohstoff bezogen werden kann. Colemanit dient üblicherweise als Ausgangsstoff zur Borsäureherstellung, erhöht als Zusatz bei der Herstellung von Glas die Hitzeresistenz des Produktes und wird beispielsweise zur Glasur von Keramik genutzt.

Wir haben in einer Simulationsstudie mit den probabilistischen Computercode MCNP berechnet, wie hoch der Bor-Anteil im dem Beton sein muss, um die notwendige Abschirmwirkung zu erzielen. Als Ergebnis wurde eine Borgehalt von mindestens 800 ppm ermittelt. Um möglichst eine homogene Verteilung des Colemanits in dem Beton zu erreichen ist zudem eine möglichst feine Körnung notwendig. [...]

Für das Strahlenschutzbauwerk der AiNT GmbH sollten Rastersteine hergestellt werden, die einen hohen Gehalt des chemischen Elements Bor besitzen. [...] Unabhängige Analysen an der RWTH Aachen und dem Forschungsreaktor FRM-II in Garching haben den Ziel-Borgehalt bestätigt."