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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.
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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.
Studierende können am Institut die Wahlfächer Strahlenmesstechnik und Kerntechnik belegen.
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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 in der Kernmitte 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
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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.
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Die theoretische Ausbildung wird durch praktische Versuche im Labor ergänzt. Dazu gehören:
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das Arbeiten mit Strahlern und Messgeräten
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der Betrieb des Siemens Unterrichtsreaktors SUR100
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die Analyse von radioaktiven Bestandteilen im menschlichen Körper mit dem Body Counter
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die Analyse von radioaktiven Bestandteilen in Stoffen durch Gamma-Spektrometrie
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die Visualisierung von Radioaktiver Strahlung in der Nebelkammer
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die Messung des Radongehalts in Luft
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Strahlenschutzbeauftragter
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Strahlenschutzbeauftragte werden immer dort benötigt, wo mit radioaktiven Stoffen gearbeitet wird. Einige Beispiele dafür sind :
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Metallverarbeitung: Messung von Schichtdicken durch radioaktive Absorption.
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Motoren- und Getriebebau: Verschleißmessung durch Zugabe von radioaktiven Zusätzen.
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Medizinischer Gerätebau: Diagnose und Therapie anhand von radioaktiven Strahlern.
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Verpackungsindustrie: Füllhöhen von Flüssigkeiten werden durch Absorption bestimmt.
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Brand- und Umweltschutz: z. B. Feuermelder mit radioaktiven Stoffen.
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An der Technischen Hochschule Ulm kann der Grundkurs Strahlenschutz als Bestandteil für die Fachkunde im Strahlenschutz erworben werden.
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Voraussetzungen um den Grundkurs Strahlenschutz als Zusatzqualifikation zu erlangen sind :
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das Wahlfach Strahlenmesstechnik (Vorlesung und Labor)
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die Vorlesung, Klausur Strahlenrecht ( 3 Nachmittage)
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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 14.06.2023 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 13.02.2020 anerkannt.
Der Kombinations-Kurses zur Aktualisierung der erforderlichen Fachkunde für die Fachkundegruppen S1.1, S1.2, S1.3, S2.1, S2.2, S2.3, S3.1, S3.2, S4.1, S4.2, S4.3, S5 und S6.1 (Module AR, AU, AO (AFA)) und R1.1, R1.2 und R10 (Module ARG und ARA) wurde vom Regierungspräsidium Tübingen am 13.02.2024 anerkannt.
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Ausstattung/Einrichtung
Einblicke ins Institut
Professorinnen und Professoren, Mitarbeiter
Institutsleitung
Prof. Dr. Beatrice Schuster
Reaktorbetriebsleiter, Strahlenschutzbeauftragter
Dipl.-Ing. (FH) Frank Spann
Dokumente und Downloads
AFR (Arbeitsgemeinschaft Forschungsreaktoren)
Was ist die AFR?
Die Abkürzung AFR steht für „Arbeitsgemeinschaft für Betriebs- und Sicherheitsfragen an Forschungsreaktoren“. Betreiber von deutschen und einigen europäischen Forschungsreaktoren treffen sich regelmäßig zum Erfahrungsaustausch. Das wesentliche Merkmal der AFR ist die gegenseitige Unterstützung zwischen den Einrichtungen, die über viele Jahre der vertrauensvollen Zusammenarbeit gewachsen ist.
Die in der AFR vertretenen Forschungsreaktoren werden zum Teil mehr als 60 Jahre betrieben. Sie werden stets dem aktuellen Stand der Technik angepasst. Es ist ein Verdienst der AFR, diese Entwicklung entscheidend mitgeprägt zu haben.
Historie der AFR
1957 wurde mit dem FRM in München der erste Forschungsreaktor in Deutschland in Betrieb genommen. Die AFR existiert seit 1959, anfangs als Arbeitsausschuss für Verwaltungs- und Betriebsfragen der deutschen Reaktorstationen, später als Unterausschuss der Kernforschungseinrichtungen. Als dieser 1970 in die Arbeitsgemeinschaft der Großforschungseinrichtungen überging, wurde die AFR als eigenständige Organisation weitergeführt. In den Folgejahren wurden im zunehmenden Maße Richtlinien, Leitlinien und Empfehlungen für Kernkraftwerke eingeführt. Das gegenüber den Kernkraftwerken um mehrere Größenordnungen geringere Gefahrenpotential und die völlig andere Aufgabenstellung und Betriebsweise erforderte eine differenzierte Betrachtung für die Anwendung auf die Forschungsreaktoren. Zur Wahrnehmung der für Forschungsreaktoren spezifischen Interessen beantragte die AFR die Eingliederung in das Deutschen Atomforum e.V. (DAtF) und gehört seit 1976 in den Arbeitskreis I des DAtF.
Aufgaben und Ziele der AFR
Die AFR dient als Plattform zum Austausch von Erfahrungen in allen Fragen bezüglich Forschungsreaktoren. Die Themen der AFR umfassen Diskussionen von technische Problemstellungen, behördlichen Vorschriften, Richtlinien und Empfehlungen, Nachrüstungsmaßnahmen bei Forschungsreaktoren, Brennstoffver- und Entsorgung, Aus- und Weiterbildung, Objektsicherungsmaßnahmen, Rückbaumaßnahmen und aktuelle Entwicklungen.
Aus der AFR haben sich zwei Arbeitsgruppen zu den Themen Objekt- Anlagensicherung und Stilllegung entwickelt.
Mitglieder der AFR
Mitglieder der AFR sind alle deutschen Forschungsreaktoren, sowie einige des benachbarten Auslandes: Belgien, Frankreich (ILL), Niederlande (TU Delft), Österreich und Schweiz. Die Betreiber der Forschungsreaktoren sind sowohl Großforschungseinrichtungen als auch Universitäten. Die von den Mitgliedern der AFR betriebenen Reaktoren lassen sich in folgende Kategorien einstufen:
2 Hochfluss-Reaktoren schwerwassermoderiert mit Leistungen zwischen 20 MW und 57 MW (HFR Grenoble, Frankreich; FRM II München, Deutschland)
3 MTR Reaktoren mit Leistungen zwischen 2 MW und 120 MW (BR2, Mol Belgien; BER II, Berlin, Deutschland; HOR TU Delft, Niederlande)
2 TRIGA Reaktoren mit Leistungen zwischen 100 kW und 250 kW, Pulsbetrieb möglich (Wien, Österreich; Mainz, Deutschland)
5 Null-Leistungsreaktoren ( Dresden, Ulm, Stuttgart, Furtwangen)
Reaktoren in der Stilllegungsphase Jülich, Geesthacht, Villigen (PSI, Schweiz), Rossendorf, München (FRM I)
Vorsitzende der AFR
Prof. Dr. Beatrice Schuster
Liste der Forschungsreaktoren
- Berlin BERII MTR (10 MW)
- Dresden AKR-2 (Nullleistungsreaktor)
- Rossendorf RFR
- Geesthacht
- TU Delft HOR MTR (2 MW)
- Mol BR2 (120 MW)
- Jülich FRJ-2 (Dido)
- Mainz TRIGA (100 kW)
- TU München FRM II (20 MW)
- München FRM I
- Grenoble HFR (57MW)
- Wien TRIGA (250 kW)
- Stuttgart SUR100 (Nulleistungsreaktor)
- Ulm SUR100 (Nullleistungsreaktor)
