Grundzüge der Strahlenschutztechnik: für Bauingenieure, Verfahrenstechniker, Gesundheitsingenieure, Physiker

1. Einführung.- 1.1 Die Aufgaben der Strahlenschutztechnik.- 1.2 Die Probleme der Strahlenschutztechnik.- Literatur.- 2. Atomphysikalische Grundlagen.- 2.1 Atomare und nukleare Struktur.- 2.11 Bausteine des Atoms.- 2.12 Stabilität der Atomkerne.- 2.13 Massendefekt und Bindungsenergie.- 2.14 Kernanregung.- 2.2 Radioaktivität.- 2.21 Zerfallsarten und -schemata.- 2.22 Aktivität.- 2.23 Zerfallsgesetz.- 2.24 Zerfallsreihen.- 2.3 Wechselwirkungen.- 2.31 Wirkungsquerschnitt.- 2.32 Intensität des Strahlungsfeldes.- 2.33 Mittlere freie Weglänge und Relaxationslänge.- 2.34 Schmales und breites Strahlenbündel.- 2.4 Kernspaltung.- 2.41 Spaltstoffe.- 2.42 Spaltprodukte.- 2.43 Energiefreisetzung bei der Spaltung.- 2.44 Kernkettenreaktion.- 2.5 Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie.- 2.51 ?-Partikel.- 2.52 ?-Partikel und künstlich beschleunigte Elektronen.- 2.6 Wechselwirkung von Photonen mit Materie.- 2.61 Klassifizierung der Wechselwirkungen.- 2.62 Photoelektrischer Effekt.- 2.63 Compton-Streuung.- 2.64 Paarbildung.- 2.65 Gesamtwirkungsquerschnitt.- 2.66 Energieabsorption.- 2.7 Wechselwirkungen von Neutronen mit Materie.- 2.71 Klassifizierung der Wechselwirkungen.- 2.72 Elastische Streuung.- 2.73 Inelastische Streuung.- 2.74 Neutroneneinfang.- 2.75 Neutronen-Wirkungsquerschnitte.- Literatur.- 3. Strahlennachweisgeräte.- 3.1 Strahlendetektoren auf der Grundlage der Gasionisation.- 3.2 Szintillationszähler.- 3.3 Photographische Emulsionen.- Literatur.- 4. Strahlenbiologische Grundlagen.- 4.1 Biologische Strahlenwirkung.- 4.11 Physikalisch-chemische Grundvorgänge.- 4.12 Strahlenpathologie.- 4.13 Spezifische Ionisation.- 4.14 Systematik der Strahlenschäden.- 4.15 Zeitfaktor.- 4.16 Kritisches Organ.- 4.17 Genetische Wirkungen.- 4.2 Einheiten der Strahlendosis.- 4.21 Ionendosis.- 4.22 Energiedosis.- 4.23 Relative biologische Wirksamkeit.- 4.24 Das „rem“.- 4.3 Natürliche und außerberufliche zivilisatorische Strahlenbelastung.- 4.4 Höchstzulässige Strahlenbelastung.- 4.41 Äußere Einstrahlung.- 4.42 Intrakorporale Strahler.- 4.43 Biozyklen.- Literatur.- 5. Gamma- und Neutronen-Strahlenquellen.- 5.1 Radioaktive Isotope.- 5.11 Einordnung von ?-, ?-, ?-Strahlern nach der relativen Radiotoxidität.- 5.12 Einordnung von ?-Strahlern nach Energie und Halbwertzeit.- 5.13 Neutronenquellen.- 5.2 Reaktorkern.- 5.21 Prompte Neutronen.- 5.22 Verzögerte Neutronen.- 5.23 Prompte ?-Strahlen.- 5.24 Spaltprodukt-?-Strahlen.- 5.3 Reaktorkonstruktion und -abschirmung.- 5.31 Einfang-?-Strahlen.- 5.32 Aktivierungs-?-Strahlen.- 5.33 Inelastische Streuungs-?-Strahlen.- 5.34 Photoneutronen.- 5.4 Reaktor-Kühlsystem.- 5.41 Primäres Kühlmittel.- 5.411 Gas.- 5.412 Wasser.- 5.413 Flüssigmetall.- 5.42 Kühlwasserverunreinigungen.- 5.421 Allgemeines.- 5.422 Nebenkreislauf-Wasserreinigung.- 5.423 Aktivierung von Verunreinigungen im primären Kühlmittel....- 5.43 Kreislauf von Homogenreaktoren.- 5.5 Partikelbeschleuniger.- 5.51 Kommerzielle Elektronenbeschleuniger.- 5.52 Hochenergie-Beschleuniger.- Literatur.- 6. Geometrie der Strahlenquellen.- 6.1 Punkt- Quelle.- 6.11 Punkt- Quelle mit konzentrischer Abschirmung.- 6.12 Punkt-Quelle mit ebener Abschirmung.- 6.2 Linien- Quelle.- 6.3 Ebene Quellen.- 6.31 Unendlich ausgedehnte ebene Quelle.- 6.32 Kreisscheiben- Quelle.- 6.4 Kegelstumpf-Quelle.- 6.5 Platten- Quelle.- 6.6 Kugel- Quelle.- 6.61 Kugel-Quelle ohne Abschirmung.- 6.62 Kugel-Quelle mit konzentrischer Abschirmung.- Literatur.- 7. Experimentiereinrichtungen für Reaktorstrahlung-Abschirmungsmessungen.- 7.1 Einführung.- 7.2 Lid-Becken Abschirmungseinrichtungen.- 7.21 ORNL-Lid Tank Shielding Facility.- 7.22 BNL-Lid Tank Shielding Facility.- 7.3 Wasserbecken-Reaktoren.- 7.31 ORNL-Bulk Shielding Facility.- 7.32 Wasserbecken-Reaktor mit großem Fenster.- 7.4 Einrichtungen für Luftstreuungsmessungen.- 7.41 Luftstreuungs-Meßturm.- 7.42 Flugzeug-Abschirmungs-Experimentierreaktor.- Literatur.- 8. Berechnung der Schwächung von Gamma-Strahlen.- 8.1 Gesamtschwächung von Photonenstrahlung und Zuwachsfaktor.- 8.2 Die Boltzmannsche Transport-Gleichung.- 8.3 Methode der sukzessiven Streuungen.- 8.4 Momentenmethode.- 8.5 Monte Carlo-Methode.- 8.6 Behandlung homogener Mischungen.- 8.7 Behandlung schichtförmiger Abschirmungen.- 8.8 Streu-Probleme.- Literatur.- 9. Berechnung der Schwächung von Neutronen-Strahlung.- 9.1 Vergleich zwischen Gamma-Strahlen- und Neutronenschwächung.- 9.2 Gruppen-Diffusionsmethode.- 9.3 Monte Carlo-Methode.- 9.4 Effektiver Neutronenausscheid-Wirkungsquerschnitt.- Literatur.- 10. Wärmeerzeugung durch Strahlung.- 10.1 Wärmeerzeugung durch primäre ?-Strahlung.- 10.2 Wärmeerzeugung durch Neutronen-induzierte ?-Strahlen.- 10.3 Wärmeerzeugung durch elastisch gestreute Neutronen.- 10.4 Temperaturverteilung.- 10.5 Wärmespannungen.- Literatur.- 11. Thermische Abschirmung von Kernreaktoren.- 11.1 Allgemeines.- 11.11 Funktion der thermischen Abschirmung.- 11.12 Strahlenschädigung des Druckbehälter-Werkstoffes.- 11.2 Werkstoffe.- 11.21 Eisen.- 11.22 Boral.- 11.23 Blei-Cadmium.- 11.24 Borierter Graphit.- Literatur.- 12. Biologische Abschirmung von Kernreaktoren.- 12.1 Allgemeine Erläuterung.- 12.11 Abschirmung des Reaktorkernes.- 12.12 Abschirmung des Reaktor-Kühlsystems.- 12.13 Abschirmungsmaterialien.- 12.14 Unregelmäßigkeiten in der Abschirmung.- 12.141 Durchgang von Neutronen durch Öffnungen.- 12.142 Durchströmen von Neutronen.- 12.143 Durchgang von ?-Strahlung.- 12.15 Prüfung der Strahlenabschirmungsanlage.- 12.2 Beton.- 12.21 Betonzusammensetzung.- 12.211 Zement und Wasser.- 12.212 Zuschlagstoffe.- 12.213 Borzusätze.- 12.214 Wirtschaftliche Gesichtspunkte.- 12.22 Bauausführung von Abschirmungen aus Beton.- 12.221 Allgemeines.- 12.222 Übliches Betonierverfahren.- 12.223 Puddel-Verfahren.- 12.224 Auspreßverfahren.- 12.23 Thermische Aspekte bei der Bemessung von Beton-Strahlenabschirmungen.- 12.231 Einfluß hoher Temperaturen auf die mechanischen Eigenschaften von Beton.- 12.232 Einfluß hoher Temperaturen auf die Strahlenabschirmungseigenschaften von Beton.- 12.233 Wärmespannungen.- 12.24 Verschiedenartige Reaktor-Abschirmungskonstruktionen.- 12.241 Einrüstung großer Deckenkonstruktionen.- 12.242 Verwendung des Intrusion-Prepakt-Verfahrens.- 12.243 Betonieren eines Reaktorbeckens.- 12.244 Doppelwand-Abschirmung eines schnellen Reaktors.- 12.245 Spannbeton-Reaktorbehälter.- 12.3 Metall, Wasser, Polyäthylen.- 12.31 Blei.- 12.32 Eisen.- 12.33 Wasser.- 12.34 Polyäthylen.- 12.35 Konstruktion zusammengesetzter Strahlenabschirmungsanlagen...- 12.36 Optimalisierung.- 12.361 Optimale Materialverteilung in der primären Abschirmung.- 12.362 Gesichtspunkte für die optimale Anordnung des Reaktorsystems.- 12.37 Abschirmung von Schiffsantrieb-Reaktorsystemen.- 12.38 Abschirmung von Flugzeugantrieb-Reaktorsystemen.- Literatur.- 13. Entwurf von Radioisotopen-Laboratorien.- 13.1 Laboratorien mit geringen Abschirmungserfordernissen.- 13.11 Allgemeine Planungsgrundsätze.- 13.111 Anordnung der Räume.- 13.112 Ventilation.- 13.113 Oberflächen.- 13.114 Abfallbeseitigung.- 13.12 Laboratoriumseinrichtungen.- 13.121 Isotopentresore.- 13.122 Abzüge.- 13.123 Handschuhkästen.- 13.124 Metall-„Ziegel“-Abschirmungen, Junior-Zelle.- 13.125 Greifwerkzeuge.- 13.2 Entwurfsdetails von heißen Zellen.- 13.21 Allgemeines.- 13.211 Nicht abgedeckte Zellen.- 13.212 Überschlägige Bestimmung indirekter Streustrahlung.- 13.213 Vollkommen geschlossene Zellen.- 13.22 Strahlenabschirmung.- 13.221 Abschwächung harter ?-Strahlung durch Blei, Eisen, Beton und Ziegel.- 13.222 Strahlenabschirmungen aus Gußeisen und Blei.- 13.223 Strahlenabschirmungen aus Stahlblechkästen mit losem Füllmaterial.- 13.224 Strahlenabschirmungen aus Betonblöcken.- 13.225 Strahlenabschirmungen aus monolithischem Beton.- 13.23 Oberflächen.- 13.231 Auskleidung der inneren Oberfläche heißer Zellen.- 13.232 Dekontaminierungsmethoden.- 13.24 Türen und Durchgabeöffnungen.- 13.25 Fernbedienung.- 13.251 Fernbediente Geräte und Maschinen.- 13.252 Manipulatoren.- 13.26 Beobachtungseinrichtungen.- 13.261 Wasserbecken.- 13.262 Flüssigkeitsfenster.- 13.263 Glasfenster.- 13.264 Periskope und Spiegelsysteme.- 13.27 Ventilation.- 13.3 Beschreibung einiger heißer Zellen.- 13.31 Kleine heiße Zelle aus monolithischem Beton.- 13.311 Betrieb der Zelle.- 13.312 Strahlenabschirmung.- 13.313 Ausbildung der inneren Zellenoberfläche.- 13.314 Material- und Personalzugangsöffnungen.- 13.315 Manipulatoren.- 13.316 Beobachtungseinrichtungen.- 13.317 Installation.- 13.32 Kleine heiße Zelle aus Betonblöcken.- 13.321 Strahlenabschirmung.- 13.322 Tür, Fenster, Manipulator.- 13.33 Heiße Zelle für den Multi-kilocurie-Bereich.- 13.331 Allgemeine Beschreibung.- 13.332 Manipulatoren.- 13.333 Fenster.- 13.334 Kosten.- 13.34 Heiße Zelle für Plutonium-Metallurgie.- 13.4 Reaktor- und Radioisotopen-Laboratorien.- 13.41 Integrierte, räumlich getrennte Anordnung.- 13.42 Heiße Zelle über Reaktorbecken.- Literatur.- 14. Entwurf von Trennanlagen.- 14.1 Allgemeines.- 14.2 Radiochemische Trennanlagen.- 14.21 Anlagen für fernbediente Instandhaltung.- 14.22 Anlagen für direkte Instandhaltung.- 14.23 Durchführung von Instandsetzungsarbeiten in Strahlungsfeldern.- 14.3 Pyrometallurgische Trenn- und Refabrikationsanlagen.- 14.31 Rechteckige Anordnung.- 14.32 Ringförmige Anordnung.- Literatur.- 15. Entwurf technischer u. medizinischer Gamma-Bestrahlungsanlagen.- 15.1 Industrielle Gamma-Bestrahlungsanlagen.- 15.11 Kobalt-60-Speicher- und Bestrahlungsanlage.- 15.12 Kobalt-60-Nahrungsmittel-Bestrahlungsanlage.- 15.13 Spaltprodukt-Kartoffelbestrahlungsanlage.- 15.2 Defektoskopische und therapeutische Gammastrahlenanlagen.- 15.21 Allgemeine Entwurfsgesichtspunkte.- 15.22 Anlage für Gammastrahlen-Defektoskopie.- 15.23 Anlagen für Gammastrahlen-Therapie.- 15.231 Kobaltkanone mit starr gerichtetem Nutzstrahlenbündel.- 15.232 Kobaltkanone mit um 360° rotierendem Nutzstrahlenbündel.- Literatur.- 16. Abschirmung von Teilchenbeschleunigern.- 16.1 Allgemeines.- 16.11 Konstruktionsprinzipe von Teilchenbeschleunigern.- 16.12 Allgemeine Erläuterung des Abschirmungsproblems.- 16.2 Abschwächung von Betatronstrahlung durch Beton.- 16.3 Abschirmung eines Elektronen-Synchrotrons.- 16.4 Abschirmung eines Elektronen-Linearbeschleunigers.- 16.5 Abschirmung von Synchrozyklotronen.- 16.51 Unterirdisch gelegenes 450 MeV-Synchrozyklotron.- 16.52 600 MeV-Synchrozyklotron des CERN.- 16.6 Abschirmung von A. G.-Protonsynchrotronen.- 16.61 Block-Abschirmung.- 16.62 Brückenartige Abschirmungskonstruktion.- Literatur.- 17. Beseitigung radioaktiver Abfallstoffe aus Kernforschung undKernenergie-Industrie.- 17.1 Abfallbeseitigung und Standortwahl für Anlagen der Kernenergie-Industrie.- 17.2 Beseitigung flüssiger und fester Abfälle von geringer bis mittlerer Aktivitätsstufe.- 17.21 Reinigung schwach radioaktiver Abwässer.- 17.22 Reinigung und Unterbringung der radioaktiven Abfälle eines Kernkraf twerkes.- 17.23 Einleiten schwach radioaktiver Abwässer in Küstengewässer.- 17.24 Einleiten von Abwässern mittlerer Aktivitätsstufe in den Boden.- 17.25 Vergraben fester radioaktiver Abfälle.- 17.26 Versenken radioaktiver Abfälle ins Meer.- 17.3 Hochgradig radioaktive Abfallflüssigkeiten aus dem radiochemischen Trennprozeß.- 17.31 Spaltstoffelernent-Zusammensetzung.- 17.32 Lösungsextraktion.- 17.33 Charakteristiken hochaktiver Abfallflüssigkeiten.- 17.34 Übersicht über Behandlung und Unterbringung hochaktiver Abfälle.- 17.4 Behälterspeicherung hochaktiver Abfallflüssigkeiten.- 17.41 Wärmeentwicklung.- 17.42 Behälter mit Dampfkondensationssystem.- 17.43 Behälter mit innerem Kühlsystem.- 17.5 Fixierung von Spaltprodukten in fester Form.- 17.51 Überführung der Abfallflüssigkeit in eine konzentrierte Salzschmelze.- 17.52 Suspensionsbett-Kalzinierung.- 17.53 Fixierung durch Ton.- 17.54 Einschmelzen in Glas.- 17.6 Permanente Unterbringung hochgradig radioaktiver Abfallflüssigkeiten.- 17.61 Terrestrische Unterbringung.- 17.611 Speicherung in Kavernen in Salz-Lagerstätten.- 17.612 Einleiten in tiefgelegene durchlässige Sedimente.- 17.62 Maritime Unterbringung.- 17.621 Versenken in dicke stabile Schlammablagerungen.- 17.622 Versenken in Tiefseegräben.- Literatur.- 18. Reaktor-Schadensfälle und ihre Konsequenzen.- 18.1 Radioaktivität im Reaktorkern.- 18.2 Freisetzung von Spaltprodukten.- 18.3 Gefahren für die Umwelt.- 18.4 Wahrscheinlichkeit des Eintretens katastrophaler Schadensfälle.- 18.5 Eingetretene Reaktor-Schadensfälle.- 18.51 Schadensfall in Chalk River.- 18.52 Schadensfall in Windscale Works.- 18.6 Gefahren mobiler Kernkraft-Antriebsysteme.- Literatur.- 19. Sicherheitseinschluß von Reaktorsystemen.- 19.1 Semi-dichter Einschluß von Forschungsreaktoren.- 19.11 Reaktor-Umschließungshallen mit semi-dichter Außenhaut.- 19.12 Luft-Durchsickerung aus einem semi-dichten Gebäude.- 19.2 Gasdichter Einschluß von Forschungsreaktoren.- 19.21 Stahlschalen.- 19.22 Betonschalen.- 19.3 Postulierte Schadensfälle an Leistungsreaktorsystemen.- 19.31 Allgemeines.- 19.32 Durchgehen des Reaktors.- 19.33 Freisetzung des Kühlmittels bei wassergekühlten Reaktorsystemen.- 19.34 Freisetzung des Kühlmittels bei Flüssigmetall-gekühlten Reaktorsystemen.- 19.35 Chemisches Reagieren von Reaktorkern-Metall mit Luft.- 19.36 Chemisches Reagieren von Reaktorkern-Metall mit Wasser.- 19.4 Entwurf und Ausführung gasdichter und druckfester Containerschalen.- 19.41 Allgemeine Entwurfsgrundsätze.- 19.411 Vollständiger oder teilweiser Einschluß von Kernkraftsystemen.- 19.412 Größe, Gestalt und Material der Containerschale.- 19.413 Fundamente.- 19.414 Elastische Zwischeneinspannung eingebetteter Containerschalen.- 19.415 Sprinkler, Ventilation, Wärmeisolierung.- 19.416 Druckreduziersystem.- 19.42 Durchdringungen und Luftschleusen.- 19.421 Rohr- und Kabeldurchführungen.- 19.422 Luken.- 19.423 Luftschleusen.- 19.43 Druckwelleneffekte und Explosionsabschirmung.- 19.431 Formänderungsenergie-Absorptionspotential des Reaktor-Druckbehälters.- 19.432 Druckwellen außerhalb des Reaktorbehälters und ihre Abschwächung.- 19.433 Panzerung der Containerschale.- 19.434 Spezifische Festhaltungen.- 19.44 Radioaktive „Belastung“ und Dichtigkeitsprüfung.- 19.441 Radioaktive Belastung.- 19.442 Pneumatische Dichtigkeitsprüfung.- 19.45 Beispiele ausgeführter Containerschalen.- 19.451 Sphärischer Container mit getrennter Stützung von Innenkonstruktion und Schale.- 19.452 Sphärischer Container mit gemeinsamer Stützung von Innenkontruktien und Schale.- 19.453 Eingebetteter sphärischer Container mit zusätzlicher äquatorialer Stützung der Schale.- 19.454 Eingebetteter vertikaler zylindrischer Container.- 19.455 Horizontale zylindrische Containergruppe.- 19.456 Druckfeste Stahlbeton-Kammer mit gasdichter Stahlblechauskleidung.- 19.46 Der Einschluß der Radioaktivität bei mit natürlichem Uran arbeitenden, graphitmoderierten, CO2-gekühlten Kernkraftsystemen.- 19.47 Kollisionssicherer Einschluß von Schiffsantrieb-Reaktorsystemen.- 19 5 Einschluß von Reaktorsystemen in Felskammern.- 19.51 Sicherheitstechnische Aspekte.- 19.52 Ventilations-Kammersystem.- Literatur.- Anhang: Code der Berichtsliteratur.