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Institut für Strahlenmesstechnik

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Institut für Strahlenmesstechnik

Im Institut für Strahlenmesstechnik werden durch Laborversuche die Grundlagen der Radioaktivität, der Strahlenmesstechnik und des Strahlenschutzes in Kleingruppen praktisch vermittelt. Zum Institut gehört auch der Kernreaktor SUR 100 mit einer maximalen Leistung von 1 W an dem Versuche zur Kerntechnik durchgeführt werden.

Moderne Gammaspektrometer ergänzen das Labor und ermöglichen die Bestimmung der Radioaktivität von festen und flüssigen Proben. Auch die Bestimmung des Radongehalts der Luft ist möglich. In Zusammenarbeit mit der Industrie und Universitäten werden Maßnahmen zur Senkung von Radioaktivität in Umwelt und Gebäuden untersucht.


Siemens Unterrichtsreaktor SUR 100 

Der Siemens-Unterrichts-Reaktor ist ein Kernreaktor, in dem Atomkerne des Elements Uran (U235) gespalten werden. Der Reaktor ist für eine Dauerleistung von 100mW ausgelegt. Diese Leistung wird als Wärme abgegeben und kann kurzzeitig auf 1000mW erhöht werden. Der Reaktor dient hauptsächlich als Neutronenquelle für Laborarbeiten. Sowohl die Leistungsabgabe als auch der Abbrand des Kernbrennstoffes ist vernachlässigbar klein, so dass die Lebensdauer des Reaktors praktisch unbegrenzt ist. Der feste Kern besteht aus einem homogenen Gemisch von Uranoxid (U3O8) und Polyethylen. Die Masse des gesamten Urans beträgt 3,5 kg, davon sind bei einer Anreicherung von knapp unter 20% 700g spaltfähiges U- 235. Bei einer Leistung von 1W beträgt die Neutronenflussdichte 5x107 Neutronen pro cm2x s.

Der Reaktorkern

Der zylindrische Reaktorkern besteht aus 9 festen kreisförmigen Brennstoff-Moderator-Platten. Das Material dieser Platten ist ein homogenes Gemisch aus dem Brennstoff (Uranoxid U3O8, das mit knapp unter 20% Uran (U235) angereichert ist), und dem Moderator (Hochdruck-Polyethylen). Der gesamte Kern enthält bei 240 mm Durchmesser und etwa 265 mm Höhe etwa 700 g U235. Der Kern wird in zwei Kernhälften aufgeteilt, die obere Kernhälfte ist fest eingebaut und enthält 3 dieser Platten, die unter Kernhälfte wird durch 6 Platten gebildet und ist vertikal ein- und ausfahrbar, damit die kritische Masse erreicht bzw. unterschritten werden kann. Für diese Bewegung ist das Kernhubwerk eingebaut Dazu ist eine Hubstange, die an der Unterseite der Kernhälfte greift, im unteren Teil als Zahnstange ausgebildet. In diese Zahnstange greift ein Ritzel, welches über eine magnetische Kupplung und einem Untersetzungsgetriebe (1:15000) von einem Gleichstrommotor angetrieben wird. Bei ungewollter oder gewollter Stromlosigkeit (Reaktorschnellabschaltung= RESA) wird der Reaktor abgeschaltet.

Innerer Graphitreflektor

Der Reaktorkern ist allseitig von einem Graphitreflektor von 20cm Dicke umgeben. Das Graphit ist hochrein und hat eine Dichte von 1,65g/cm3. Durch den Reflektor wird ein Großteil der entweichenden Neutronen in den Kern zurückgeholt.

Der Reaktorkessel

Der Kern wird von einem Reaktorkessel umgeben. Dieser besteht aus Reinstaluminium und hat die Form eines Zylinders (Innendurchmesser=35cm, Höhe=80cm, Wandstärke-Mantel=3mm, Boden=25mm). Der Reaktorkessel schließt den Kern gasdicht ein.

Die Regelplatten

Der Reaktorkessel wird von einem äußeren Graphitreflektor umgeben. In diesem Reflektor befinden sich 2 Neutronen- Absorberplatten (Regelplatten) in diametraler Anordnung. Die Regelplatten bestehen aus dem Neutronen- Absorber Cadmium. Mit den Regelplatten wird die Kettenreaktion gesteuert(Reaktorzustände: unterkritisch, kritisch und überkritisch).

Die beiden Regelplatten werden von Gleichstrommotoren mit einem Untersetzungsgetriebe angetrieben. Zwischen Regelplatte und Getriebe befindet sich eine magnetische Kupplung. Diese Kupplung löst bei Reaktorschnellabschaltung die Verbindung zwischen beiden Bauteilen, wodurch die Regelplatten von einer Blattfeder in den Reaktor "eingeschossen" werden.

Die Bleiabschirmung

Die Bleiabschirmung von 10cm Dicke umgibt den äußeren Graphitreflektor allseitig bis auf die Fläche unterhalb des Reaktorkessels. Die gesamte Bleimenge von ca. 2,7t ist aufgeteilt in 7 Ringe für den Mantel, ein ringförmiges Bodenstück und einen 4-teiligen Deckel. Die einzelnen Teile sind in Stahlblech (4 mm stark) gefaßt. Der Bleideckel oberhalb des Reaktorkessels liegt auf dem umgebenden Blei auf, ohne den Reaktorkessel zu belasten. Die Bleiabschirmung wird von 5 Experimentierkanälen (3 durchgehende horizontale Kanäle und 2 Kanäle von oben) durchbrochen. Das Blei soll die Gamma-Strahlung schwächen.

Die Neutronenquelle

Als Neutronenquelle dient ein Radium-Beryllium-Präparat mit einer Aktivität von 3,7.108 Bq. Das Präparat ist in ein Röhrchen (Æ =5mm, h=20mm) aus Monel gefasst, welches selbst von einem Mi-Metall-Röhrchen umgeben wird. Durch Motorantrieb kann die Quelle in der hohlen Hubstange des Kernhubwerks ein und ausgefahren werden. Im eingefahrenen Zustand befindet sich die Quelle auf 1,5cm an der Unterseite der unteren Kernhälfte. Im ausgefahrenen Zustand liegt sie 30 cm unter dem Kern. Die Verbindung zum Antrieb wird durch eine biegsame Zahnstange (Teleflex-Kabel) hergestellt, welche in der Achse des Kernhubwerks geführt wird. Am oberen Ende des Kabels ist ein kleiner Permanentmagnet befestigt, der die Quelle festhält. Der Antrieb erfolgt durch einen Elektromotor mit angeflanschtem Untersetzungsgetriebe über eine elastische Kupplung. Die Neutronenquelle dient zur Funktionsprüfung der zwei Anfahrdetektoren (BF3- Zählrohre)

Die Thermische Säule

Sie besteht aus Graphitstücken deren Dichte 1,65g/cm3 beträgt. Diese Stücke sind in eine Wanne (ø=85cm, h=56cm) aus Aluminium eingelegt. Der Umbau der thermischen Säule, zum Beispiel für spezielle Experimente, ist durch einfaches Hantieren mit diesen Graphitstücken ohne besondere Maßnahmen möglich. Die thermische Säule dient zur Abschirmung von Neutronen in vertikaler Richtung und kann für Experimente mit Neutronen benutzt werden.

Der Wassertank

Die Bleiabschirmung wird von einem Wassertank umgeben. Das Wasser ist mit Borsäure gesättigt. Das Bor dient zur Schächung der Neutronen. Das Wasser schwächt zusätzlich zum Blei die g- Strahlung. Die Wasserdicke beträgt ca. 60 cm. Der Ringtank fasst ca. 7 m3 Wasser. Im Wasser sind ca. 300 kg Borsäure gelöst. Die vollständige Füllung des Wassertanks wird optisch an einem Wasserstandsglas und elektrisch anhand eines Schwimmschalters sicher gestellt.

Die Messinstrumente

Zur Erfassung der Neutronenflussdichte bei allen Reaktorzuständen sind im Reaktor Neutronendetektoren unterschiedlicher Empfindlichkeit(BF3- Zählrohre und borbeschichtete Ionisationskammern) angeordnet. Dien- Detektoren liefern Zählraten und Ströme, die an den Pultinstrumenten abgelesen werden. Am Pult befinden sich ferner die Instrumente für die Regelplatten- Stellung, für die Stellung der unteren Kernhälfte, für die Messung der g- Dosisleistung, für die Messung der reziproken Periode (Flussänderungsgeschwindigkeit) und für die Messung der Reaktortemperatur.

Das Bedienpult

Neben den genannten Instrumenten enthält das Bedienpult alle notwendigen Schalt-, Steuer- und Sicherheitseinrichtungen, Signalleuchten und Bedienelemente. Ein zusätzliches System aus Rechner, Messwerterfassung, spez. Software und Monitor visualisiert die Vorgänge im Inneren des Reaktors.

Funktionsweise des Reaktors

Das Uran- Isotop U- 235 spaltet mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit (Spaltquerschnitt) durch das Einfangen thermischer Neutronen.

Bei der Spaltung entstehen zwei Spaltprodukte (es gibt mehr als 40 unterschiedliche Spaltreaktionenen, also mehr als 80 verschiedene Spaltprodukte), z.B. die Spaltprodukte Kr- 89 und Ba- 144. Außerdem entstehen 2 bis 3 schnelle Neutronen und g- Strahlung. Die beiden Spaltprodukte haben eine kinetische Energie von zusammen 170 MeV, die Spaltneutronen eine kinetische Energie von 5 MeV und die g- Strahlen haben eine Energie von 6 MeV. Die Spaltprodukte senden zeitverzögert(entsprechend der Halbwertszeiten) ß- Strahlen und g- Strahlen mit einer Energie von ca. 14 MeV aus. Bei Leistungsreaktoren bedingt diese Energie die sogenannte Nachzerfallswärme. Einige Spaltprodukte liefern auch zeitverzögert Neutronen (verzögerte Neutronen). Durch sie ist erst eine Steuerung einer Kettenreaktion möglich. Für die nächste Spaltung dürfen in einem Reaktor nicht mehr als 1,007 Neutronen zur Verfügung stehen ( nicht mehr als 1 promptes Neutron, 0,007 Neutronen sind verzögert). Die kinetische Energie der Spaltprodukte wird beim Stoß mit den Brennstoffkernen in Wärme umgewandelt, die allerdings beim Unterrichtsreaktor mit 100 mW keine Rolle spielt. Der Unterrichtsreaktor muß also nicht gekühlt werden. Damit die bei der Spaltung entstehenden Neutronen wieder mit großer Wahrscheinlichkeit spalten können, müssen sie auf eine thermische Geschwindigkeit von ca. 2 km/s (entspricht einer Energie von 0,025 eV) abgebremst werden. Als Bremsmaterial eignen sich Kohlenwasserstoffe wie das im Brennstoff enthaltene Poläthylen.








Beim Starten des Reaktors wird die untere Kernhälfte des Reaktors hochgefahren, wodurch die kritische Anordnung erreicht wird. Da die Regelplatten ganz eingefahren sind, ist der Reaktor noch unterkritisch. Die erste Regelplatten wird dann herausgefahren. Der Reaktor ist immer noch unterkritisch. Erst beim teilweise Herausfahren der 2. Regelplatte wird der Reaktor kritisch bzw. leicht überkritisch. Eine steuerbare Kettenreaktion setzt ein. Die Leistung steigt bis zum gewollten und zugelassenen Wert an. Hat man die gewünschte Leistung erreicht, werden die Regelplatten soweit eingefahren, bis der Reaktor exakt kritisch ist, d.h. die Leistung bleibt auf diesem Wert stehen.

Das Abschalten des Reaktors geschieht durch langsames Einfahren oder durch schnelles Einschießen der Absorber(Regel-)platten und durch die Trennung der beiden Kernhälften.

Bei der Reaktorschnellabschaltung (RESA) werden die Regelplatten durch Federkraft eingeschossen, die untere Kernhälfte fällt wegen der Schwerkraft nach unten.

Einheit der Aktivität: 1Bq =1Bequerel = 1Zerrfall/sec. Einheit der Dosis: 1Sv=1 Sievert, Einheit der Dosisleistung: 1Sv/h= 1 Sievert pro Stunde. Monel : Legierung aus 65% Ni, 30% Cu, 5% Fe & Mn. Reaktorschnellabschaltung= RESA : Schnellabschaltung des Reaktors bei Störungen oder auch bei gewollter Abschaltung. Isotop : Atomkern, der sich von einem anderen des gleichen Elements durch eine unterschiedliche Anzahl der Neutronen unterscheidet. Kritische Masse: Kleinste Spaltstoffmasse, die eine sich selbsterhaltende Kettenreaktion in Gang setzen kann.



Themen am Institut​

Im Fachgebiet Strahlenmesstechnik werden Spezialkenntnisse über Radioaktivität, Messtechnik, Strahlenschutz, Kerntechnik und Reaktortechnik vermittelt. Die Studenten können ein spezielles Ausbildungsprogramm durchlaufen, um den Grundkurs Strahlenschutz als Bestandteil für die Fachkunde im Strahlenschutz zu erwerben.

Die theoretische Ausbildung wird durch praktische Versuche im Labor ergänzt. Dazu gehören:



das Arbeiten mit Strahlern und Messgeräten


der Betrieb des Siemens Unterrichtsreaktors SUR100


die Analyse von radioaktiven Bestandteilen im menschlichen Körper mit dem Body Counter


die Analyse von radioaktiven Bestandteilen in Stoffen durch Gamma-Spektrometrie


die Visualisierung von Radioaktiver Strahlung in der Nebelkammer


die Messung des Radongehalts in Luft


Strahlenschutzbeauftragter

Ein /-e Strahlenschutzbeauftragter /-e wird immer dort benötigt, wo mit radioaktiven Stoffen gearbeitet wird. Einige Beispiele dafür sind :



Metallverarbeitung: Messung von Schichtdicken durch radioaktive Absorption.


Motoren- und Getriebebau: Verschleißmessung durch Zugabe von radioaktiven Zusätzen.


Medizinischer Gerätebau: Diagnose und Therapie anhand von radioaktiven Strahlern.


Verpackungsindustrie: Füllhöhen von Flüssigkeiten werden durch Absorption bestimmt.


Brand- und Umweltschutz: z. B. Feuermelder mit radioaktiven Stoffen.

An der Hochschule Ulm kann der Grundkurs Strahlenschutz als Bestandteil für die Fachkunde im Strahlenschutz erworben werden. Der Grundkurs besteht aus zwei Modulen, die unabhängig voneinander absolviert werden können und die in jedem Semester angeboten werden.

Grundkurs im Strahlenschutz
1. Strahlenmesstechnik mit Labor Wahlfach ( 4 SWS )
2. Strahlenrecht Vorlesung ( 16 Std. )
 

Voraussetzungen um den Grundkurs Strahlenschutz als Zusatzqualifikation zu erlangen sind :



das Wahlfach Strahlenmesstechnik (Vorlesung und Labor)


die Vorlesung, Klausur Strahlenrecht ( 3 Nachmittage)

Der Kurs zum Erwerb der Fachkunde nach §30 StrlSchV für die Fachkundegruppe S1.1, S1.2, S1.3, S2.1, S2.2, S4.1, S5, und S6.1 mit den Inhalten der Module GH/OG der Fachkunde-Richtlinie Technik vom 18.06.2004 wurde vom Regierungspräsidium Tübingen am 22.11.2017 anerkannt.

Der Kurs zum Erwerb der Fachkunde nach §181 Abs. 1 RöV für Personen der Fachkundegruppe  R1.2, R1.3, R2.2, R3, R4 und R5.2 mit den Inhalten der Module RG/Z2 der Fachkunde-Richtlinie Technik vom 27.05.2003 wurde vom Regierungspräsidium Tübingen am 13.01.2015 anerkannt.



Ausstattung/Einrichtung



Einblicke ins Institut


Professorinnen und Professoren

Institutsleitung


Stellvertretende Institutsleitung

Prof. Dr. Beatrice Schuster



Dokumente und Downloads




Kontakt
Institut für Strahlenmesstechnik
Raum: H201
Prittwitzstrasse 10
89075 Ulm
Fon: +49 (0)731 50-28215
Mail: raiber@hs-ulm.de

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