Was ist die Abschirmung gegen ionisierende Strahlung – Definition

Strahlenschutz ist die Wissenschaft und Praxis des Schutzes von Mensch und Umwelt vor den schädlichen Auswirkungen ionisierender Strahlung. Es ist ein ernstes Thema nicht nur in Kernkraftwerken , sondern auch in der Industrie oder in medizinischen Zentren. Beim Strahlenschutz gibt es drei Möglichkeiten, Menschen vor identifizierten Strahlenquellen zu schützen:

• Aufenthalt. Die Höhe der Strahlenexposition hängt direkt (linear) von der Zeit ab, die Menschen in der Nähe der Strahlungsquelle verbringen. Die Dosis kann durch Begrenzung der Expositionszeit reduziert werden .
• Abstand. Die Höhe der Strahlenexposition hängt von dem Abstand von der Strahlung ab. Ähnlich wie bei einer Hitze von einem Feuer ist die Intensität der Wärmestrahlung hoch, wenn Sie zu nahe sind, und Sie können sich verbrennen. Wenn Sie in der richtigen Entfernung sind, können Sie dort problemlos standhalten und es ist außerdem bequem. Wenn Sie zu weit von der Wärmequelle entfernt sind, kann Sie auch die Unzulänglichkeit der Wärme verletzen. Diese Analogie kann in gewissem Sinne auch auf Strahlung von Strahlungsquellen angewendet werden.
• Abschirmung. Wenn die Quelle zu intensiv ist und Zeit oder Entfernung keinen ausreichenden Strahlenschutz bieten, muss die Abschirmung verwendet werden. Strahlenschutz besteht normalerweise aus Barrieren aus Blei, Beton oder Wasser. Es gibt viele verschiedene Materialien, die zur Strahlenabschirmung verwendet werden können, aber es gibt viele verschiedene Situationen beim Strahlenschutz. Dies hängt stark von der Art der abzuschirmenden Strahlung, ihrer Energie und vielen anderen Parametern ab. Zum Beispiel kann sogar abgereichertes Uran als guter Schutz vor Gammastrahlung verwendet werden, andererseits ist Uran eine absolut ungeeignete Abschirmung von Neutronenstrahlung.

Abschirmung der Strahlung in Kernkraftwerken

Im Allgemeinen hat die Strahlenabschirmung in der Nuklearindustrie viele Zwecke. In Kernkraftwerken besteht der Hauptzweck darin, die Strahlenexposition von Personen und Personal in der Nähe von Strahlungsquellen zu verringern . In KKW ist die Hauptstrahlungsquelle eindeutig der Kernreaktor und sein Reaktorkern . Kernreaktoren sind im Allgemeinen leistungsstarke Quellen für das gesamte Spektrum ionisierender Strahlung . Die zu diesem Zweck verwendete Abschirmung wird als biologische Abschirmung bezeichnet .

Dies ist jedoch nicht der einzige Zweck der Strahlenabschirmung. In einigen Reaktoren werden auch Schilde verwendet, um die Intensität der auf das Reaktorgefäß einfallenden Gammastrahlen oder Neutronen zu verringern . Diese Strahlungsabschirmung schützt den Reaktorbehälter und seine Einbauten ( zum Beispiel der Kernträger barrel ) aus der übermäßigen Erwärmung aufgrund der Gammastrahlenabsorption schneller Neutronenmoderation . Solche Abschirmungen werden üblicherweise als  thermische Abschirmungen bezeichnet .

Siehe auch: Neutronenreflektor

Ein wenig seltsamer Strahlenschutz wird normalerweise verwendet, um das Material des Reaktordruckbehälters zu schützen (insbesondere in  PWR-Kraftwerken ). Strukturmaterialien von Druckbehälter- und Reaktorinnenteilen werden insbesondere durch schnelle Neutronen beschädigt . Schnelle Neutronen erzeugen strukturelle Defekte, die zu Versprödung des Druckbehältermaterials führen . Um den Neutronenfluss an der Gefäßwand zu minimieren, kann auch die Kernladestrategie modifiziert werden. Bei der „Out-In“ -Kraftstoffladestrategie werden frische Brennelemente am Rand des Kerns platziert. Diese Konfiguration verursacht eine hohe Neutronenfluenz an der Gefäßwand. Daher die Kraftstoffeinladestrategie „In-Out“ (mit geringen Leckagemustern – L3P) wurde in vielen Kernkraftwerken übernommen. Im Gegensatz zur „Out-In“ -Strategie weisen Kerne mit geringer Leckage in der zweiten Reihe frische Brennelemente auf, nicht am Umfang des Kerns. Die Peripherie enthält Kraftstoff mit höherem Kraftstoffverbrauch und geringerer relativer Leistung und dient als hochentwickelter Strahlungsschutz.

In Kernkraftwerken besteht das zentrale Problem darin, sich gegen Gammastrahlen und Neutronen abzuschirmen , da die Bereiche geladener Teilchen (wie Beta-Teilchen und Alpha-Teilchen) in der Materie sehr kurz sind. Auf der anderen Seite müssen wir uns mit der Abschirmung aller Arten von Strahlung befassen, da jeder Kernreaktor eine bedeutende Quelle für alle Arten ionisierender Strahlung ist.

Berechnung der abgeschirmten Dosisleistung in Sieverts aus kontaminierten Oberflächen

Nehmen Sie eine Oberfläche an, die durch 1,0 Ci von ¹³⁷ Cs kontaminiert ist . Angenommen, diese Verunreinigung kann durch die punktisotrope Quelle, die 1,0 Ci von ¹³⁷ Cs enthält und eine Halbwertszeit von 30,2 Jahren aufweist, geschätzt werden . Es ist zu beachten, dass die Beziehung zwischen der Halbwertszeit und der Menge eines Radionuklids, die erforderlich ist, um eine Aktivität von einem Curie zu ergeben , unten gezeigt ist. Diese Materialmenge kann mit λ berechnet werden, der Zerfallskonstante bestimmter Nuklide:

Etwa 94,6 Prozent zerfallen durch Beta-Emission zu einem metastabilen Kernisomer von Barium: Barium-137m. Der Hauptphotonenpeak von Ba-137m beträgt 662 keV . Nehmen Sie für diese Berechnung an, dass alle Zerfälle diesen Kanal durchlaufen.

Berechnen Sie die primäre Photonendosisrate in Sieverts pro Stunde (Sv.h ^-1 ) an der Außenfläche eines 5 cm dicken Bleischilds . Dann berechnet die äquivalent und wirksame Dosisraten für zwei Fälle.

1. Angenommen, dieses externe Strahlungsfeld durchdringt den gesamten Körper gleichmäßig . Das heißt: Berechnen Sie die effektive Ganzkörperdosis .
2. Angenommen, dieses externe Strahlungsfeld dringt nur in die Lunge ein und die anderen Organe sind vollständig abgeschirmt. Das heißt: Berechnen Sie die effektive Dosisleistung .

Es ist zu beachten, dass die Primärphotonendosisrate alle Sekundärteilchen vernachlässigt. Angenommen, der effektive Abstand der Quelle vom Dosispunkt beträgt 10 cm . Wir werden auch annehmen, dass der Dosispunkt Weichgewebe ist und vernünftigerweise durch Wasser simuliert werden kann, und wir verwenden den Massenenergieabsorptionskoeffizienten für Wasser.

Siehe auch: Gammastrahlendämpfung

Siehe auch: Abschirmung von Gammastrahlen

Lösung:

Die Primärphotonendosisrate wird exponentiell abgeschwächt , und die Dosisrate von Primärphotonen unter Berücksichtigung der Abschirmung ist gegeben durch:

Wie zu sehen ist, berücksichtigen wir den Aufbau von Sekundärstrahlung nicht. Wenn Sekundärteilchen erzeugt werden oder wenn die Primärstrahlung ihre Energie oder Richtung ändert, ist die effektive Dämpfung viel geringer. Diese Annahme unterschätzt im Allgemeinen die wahre Dosisleistung, insbesondere für dicke Schilde und wenn der Dosispunkt nahe an der Schildoberfläche liegt, aber diese Annahme vereinfacht alle Berechnungen. In diesem Fall ist die tatsächliche Dosisleistung (mit dem Aufbau von Sekundärstrahlung) mehr als doppelt so hoch.

Um die absorbierte Dosisleistung zu berechnen , müssen wir in der Formel Folgendes verwenden:

• k = 5,76 · 10 & supmin; & ^sup7;
• S = 3,7 × 10 ¹⁰ s ^–1
• E = 0,662 MeV
• μ _t / ρ =  0,0326 cm ² / g (Werte sind bei NIST erhältlich)
• μ = 1,289 cm ^-1 (Werte sind bei NIST erhältlich)
• D = 5 cm
• r = 10 cm

Ergebnis:

Die resultierende absorbierte Dosisrate in Grautönen pro Stunde beträgt dann:

1) Gleichmäßige Bestrahlung

Da der Strahlungsgewichtungsfaktor für Gammastrahlen gleich eins ist und wir das gleichmäßige Strahlungsfeld angenommen haben (der Gewebegewichtungsfaktor ist ebenfalls gleich eins), können wir die äquivalente Dosisrate und die effektive Dosisrate (E = H _T ) direkt berechnen ) aus der absorbierten Dosisrate als:

2) Teilbestrahlung

In diesem Fall gehen wir nur von einer teilweisen Bestrahlung der Lunge aus. Wir müssen also den Gewebegewichtungsfaktor verwenden , der gleich w _T = 0,12 ist . Der Strahlungsgewichtungsfaktor für Gammastrahlen ist gleich eins. Als Ergebnis können wir die effektive Dosisleistung wie folgt berechnen:

Beachten Sie, dass wenn ein Körperteil (z. B. die Lunge) eine Strahlendosis erhält, dies ein Risiko für eine besonders schädliche Wirkung darstellt (z. B. Lungenkrebs). Wenn die gleiche Dosis einem anderen Organ verabreicht wird, stellt dies einen anderen Risikofaktor dar.

Wenn wir den Aufbau von Sekundärstrahlung berücksichtigen wollen, müssen wir den Aufbaufaktor einbeziehen. Die erweiterte Formel für die Dosisleistung lautet dann:

Aufbaufaktoren für die Abschirmung von Gammastrahlen

Der Aufbaufaktor ist ein Korrekturfaktor, der den Einfluss der gestreuten Strahlung plus aller Sekundärteilchen im Medium bei Abschirmungsberechnungen berücksichtigt. Wenn wir den Aufbau von Sekundärstrahlung berücksichtigen wollen, müssen wir den Aufbaufaktor einbeziehen . Der Aufbaufaktor ist dann ein multiplikativer Faktor, der die Reaktion auf die nicht kollidierten Photonen berücksichtigt, um den Beitrag der gestreuten Photonen einzuschließen. Somit kann der Aufbaufaktor als Verhältnis der Gesamtdosis zur Reaktion auf die nicht kollidierte Dosis erhalten werden.

Die erweiterte Formel für die Berechnung der Dosisleistung lautet:

Der ANSI / ANS-6.4.3-1991-Gammastrahlen-Dämpfungskoeffizienten und Aufbaufaktoren für technische Materialien enthält abgeleitete Gammastrahlen-Dämpfungskoeffizienten und Aufbaufaktoren für ausgewählte technische Materialien und Elemente zur Verwendung bei Abschirmungsberechnungen (ANSI / ANS-6.1) .1, 1991).