ir.H.W.BennenkAdviesbureau D3BN, Amsterdam?o1AtoommodelVoorafgaand aan deze publikatie heeftir.Bennenk de hoofdpunten van dit artikel alslezing uitgesproken tijdens de Betondag1979, gehouden te Utrecht op 15november jl.Tussen vierkante haakjes geplaatste cijfersverwijzen naar de literatuur, die aan het eindvan het artikel is opgenomenCement XXXII (1980) nr. 3Beton, radioactiviteit enstralingDoel en strekkingIn dit artikei' wordt ingegaan op materie en energ ie in het algemeen en meer in het bijzonderinzake de toepassingsmogelijkheden van het materiaal beton indien sprake lsvan radio-actievestraling. Dit onderwerp vormt sinds een aantal jaren op ons bureau een studie-object. Uit deverworven ken nis werd op verzoek van de Betonvereniging ten behoeve van de Betondag 1979een voordracht gedestilleerd. De Betonvereniging streeft immers na om op de jaarlijkseBetondagen betontechnische onderwerpen te presenteren, die nietalleen voorde betonwereldvan belang zijn, op grond van de ontwikkeling van materiaalkennis en -toepassingen, maar diebovendien een bijdrage kunnen leveren aan maatschappelijke ontwikkelingen.Deze voordracht kan dan ook worden gezien als een bijdrage van de Betonvereniging, alsoverkoepelende organisatie van de gehele Nederlandse betonwerel?l, aan debredemaatschap-pelijke discussie die de overheid over het nauwverwante onderwerp 'kernenergie' op gang wilbrengen. In dit artikel wordt op het onderwerp beton, radio-activiteit en straling nog ietsuitgebreider ingegaan.Het materiaal beton biedt met name bij de energie-opwekking, -transportsn -opslaq uitnemen-de mogelijkheden om dit op een maatschappelijk verantwoorde manier te realiseren, omdatbeton niet alleen een relatief goedkoop bouwmateriaal is, weinig energievergtbijvervaardigingen toepassing, milieuvriendelijk is enz., maar bovenal omdat beton aan de mens met have engoed de benodigde veiligheden kan bieden! Daarbij moet niet alleen aan de eigen rnoqelijkhe-den van beton worden gedacht. Evenzeer is van belang de samenwerking met andere materia-len te onderkennen om tot een optimaal functioneel totaalontwerp te komen.Zoals sommigen zich misschien kunnen herinneren werd door de Betonvereniging in hetverleden reeds de nodige aandacht geschonken aan boor- en produktieplatforms voor deoliewinning in de Noordzee, aan de mogelijkheden schepen van beton te maken en aanopslagtanks voor tot vloeistof gekoelde gassen.Aan het thema 'beton en energie' wordt nu het aspect van beton en de bescherming tegenradio-activiteit en straling toegevoegd.Een stukje fysica [1,2,3,4,]"Element en atoomIn de natuur komen 92 elementen voor, basisstoffen die uit ??n atoomsoortzijn opgebouwd. Defysicus heeft dit aantal elementen tot meer dan 100 uitgebreid. Enkele atomensamen vormenmoleculen, de bouwstenen van stoffen. Volgens het aanschouwelijke atoommodel van Ruther-ford en Bohr bestaat een atoom uit een kern waarin bijna alle massa is geconcentreerd (fig. 1).Om deze kern die is opgebouwd uit ongeladen neutronen en positief elektrisch geladenprotonen, beschrijven negatief elektrisch geladen elektronen hun eigen baan. Een atoom iselektrisch neutraal als de positieve kernlading in evenwicht is met de negatieve lading van deelektronen. Het aantal protonen in de kern is dan gelijk aan het aantal wetmatig over deverschillende banen verdeelde elektronen.Heeft een atoom een elektrische lading, dan heet het ion.Het aantal protonen dat in de kern aanwezig is, bepaalthet atoomnummerdat overeenkomt metdepiaats van hetelement in hetperiodieksysteem. Het lichtste element is waterstof{atoomnum-mer 1) bestaande uit 1 proton en 1elektron. Een zwaar element is uranium (atoomnummer 92).De kern van het atoom U238 bestaat uit 92 protonen en 146 neutronen, hetgeen volgt uit hetmassagetal 238 dat het aantal nukleonen, zoals protonen en neutronen samen worden ge~noemd, aangeeft. Om de kern cirkelen 92 elektronen in 7 elektronenschilIen. Men hanteert ookwel de schrijfwijze238U92IsotopenHet aantal neutronen per element kan binnen nauwe grenzen vari?ren. Men spreekt dan vanisotopen.120n./11 -, /10 /9 ./7 /0190180170160150= zuurstofZo is bijvoorbeeld U235 een uraniumisotoop. De kern bestaat uit 92protonen en 143neutronen.Het aantal om de kern cirkelende elektronen is 92.Van alle elementen zijn isotopen bekend. Daar de elektronenbezetting van de schillen door hetvari?ren van het aantal neutronen niet verandert,zullen ook de chemische eigenschappen vanhet element geen veranderingen ondergaan.Voor zuurstof zijn de bestaande isotopen 015t/m 019 in figuur2 aangegeven. De isotopen 016,017 en 018 zijn stabiel, de overige instabiel.Deze instabiliteit is de oorzaak van radio-activiteit. De oorzaak van instabiliteit, die gelegen is inde bindingsenergie, behoeft nog nadere toelichting.4 6 ij 10 20 40 60 80100 200 300A3Bindingsenergie van de kern4Totale bindingsenergie bij massagetal Aenper nucleon [3]Radio-activiteit - soorten stralingReeds aan het eind van de vorige eeuw werd door onder andere Bequerel en het echtpaar Curieontdekt dat sommige in de natuur voorkomende atomen straling uitzenden. Men noemde ditverschijnsel radio-activiteit. Deze radio-actieve straling bleek de drie componenten alpha-,b?ta- en gammastraling te bevatten.Alpha-straling ontstaat door het uit de kern stoten van 2 protonen en 2 neutronen. Dituitgestoten kerndeel komt overeen met een kern van een hellumatoom en bezit een positievelading, daar er geen elektronen aanwezig zijn.Bij b?ta-straling is er bij het uitstoten van kerndeeltjes een onderscheid tussen deeltjes meteennegatieve lading en deeltjes met een positieve lading (positron) -straling).Gammastraling is van elektromagnetische aard. Dezeelektromagnetische straling kan wordengezien als een gecombineerd elektrisch en magnetisch veld, dat zich als een lopende golfmetdesnelheid van het licht (3 x 108 m/sec) voortplant.Zowel bij r?ntgen- als bij gammastraling worden fotonen uitgezonden. Deherkomst van beidestralingen is verschillend: gammastralen komen uit de kern, r?ntgenstralen uit de schil. Hetdoordringingsvermogen van gammastralen is groter dan die van r?ntgenstralen. Deze elektro-Bindingsenergie in de kernDe protonen en neutronen in de kern worden bij elkaar gehouden door de (bindende) kern-krachten die de (afstotende)Coulombkrachten overheersen. Dezekern krachtenzijn zeer groot.Doordeze aantrekkingskrachten isdemassa van de in de kern aanwezige nukleonen kleinerdandie van dat aantal nukleonen afzonderlijk. Dit tekort aan massa (massa-defect) is volgens detheorie van Einstein in energie omgezet: E =m.c2(c = lichtsnelheid). Massa is volgens Einsteineen andere vorm van energie, evenals bijv. straling en warmte.Het massa-defect, dat men constateert, kan dan ook worden gezien als de hoeveelheid massadie in de vorm van energie vrijkomt in het hypothetische geval dat een kern inderdaad uit zijnelementaire delen zou worden opgebouwd, dan wel als de energie die zou moeten wordentoegevoegd om het atoom in zijn afzonderlijke delen te splitsen.De energie, die het verschil is tussen die ten gevolge van de kernkrachten enerzijds en deCoulombkrachten anderzijds, wordt de bindingsenergie van de kern genoemd (fig. 3).Bij atomen met een massagetal A > 20 (dat is het aantal nukleonen) blijkt de bindingsenergie,pernukleon uitgedrukt, niet zo erg veel te verschillen en bedraagt globaal 8 MeV(fig. 4).(1 MeV= 1,6 X 10-13 Joules). Hieruit kan tevens de conclusieworden getrokken dat een nukleon alleende naastliggende nukleonen aantrekt.Kernen streven naar een toestand van minimum energie, dat wil zeggen, naar een toestandwaarbij de nukleonen elkaarhet sterkst aantrekken, dus de grootste bindingsenergie hebben.Bij lichte atomen is het aantal protonen vrijwel gelijk aan het aantal neutronen; bij zwaardereatomen overheerst het aantal neutronen. De aantrekkende kracht tussen een proton en eenneutron is groter dan die tussen protonen en neutronen onderling. Dit kunnen we concluderenuit het feit dat bij zwaardere atomen de bindingsenergie per nukleon vrijwel constant blijft.Enerzijds heeft het atoom de neiging het aantal protonen en neutronen in de kern metelkaar inovereenstemming te brengen, anderzijds zullen zwaardere kernen een overschot aanneutro-nen prefereren. De oorzaak daarvan ligt besloten in de Coulombkrachten. Bij toenemendmassagetal zullen deze Coulombkrachten. ten gevolge van hun grotere invloedssfeer tenopzichte van de kernkrachten, aan betekenis winnen. De kern zal daarom extra kernkrachtennodig hebben die alleen door neutronen kunnen worden geleverd. Het bestaansgebied zaldaarom onder de lijn N = Z gelegen zijn (fig. 5).Door voornoemde oorzaken zullen de zwaardere kernen minder stabiel zijn. Niet stabielekernen streven er van nature naar om stabiel te worden, hetgeen door het uitstoten vankerndelen tot stand komt. Dit uitstoten van kerndelen noemt men radio-activiteit.BindingsenergieBindingsenergie tussen elektronen en kernDe elektronen cirkelen in banen rond de kern. De afstand baan - kern is slechts een fictieveafstand, een gemiddelde, daar het elektron rond deze fictieve baan vibreert en bovendienroterende bewegingen maakt. (Dit verschijnsel doet zich ook in het planetenstelsel voor.)Een atoom verkeert inzijn grondtoestand, dat isde meeststabieletoestand,wanneerdesomvande kinetische en potenti?le energie van alle elektronen ten opzichte van elkaar minimaal is. Indat geval zijn de banen, die het dichtst bij de kern gelegen zijn, bezet. Door het toevoegen vanenergie kunnen elektronen naar hogere banen verspringen, waardoor het atoom wordt 'aange-slagen' en in een toestand van hogere energie komt te verkeren. Een atoom streeft er naar omnaar zijn grondtoestand terug te keren, hetgeen geschiedt onder het uitzenden van fotonen(r?ntgenstralen of licht).zO?I B01I0II0-0 /_. -- -00 I0I0! I !0!I I I0I8 B6 I AI I1 1-- _. I2I I1/ IJ ,20020100IlOO6040Ca 238 U20 92t.g.v. -2590t.g.v. coulombkrachten + 70 800totaal +17908,5 7,5 MeV.2Isotopen van zuurstof88Cement XXXII (1980) nr. 3 121I I IAtom?Spektrum Kern-Spektrumn-ader p-DurchmesserKern-Durchmesser1Elektrische Wellen: BremsstrahlungMikro-und...Radio-Wellen, R?ntgen.Strahlen K . h.... . H I I osmlsceUltrarot Ultraviolett Gamma-5trahlenStrah!enI I/ 11Wellen- 1X-EinheitL?nge I I I I1 1?2 l?4 16101?14lil! I, I, ,! I, ,! I, ,! I, I! ',I! I, Ii i 1 i i i i ii i ij i lij i i 'IE [eV] 1 106 1010Photonen-Energie5Overzicht isotopenI IEnergieChemischeEnergie6Overzicht elektro-magnetische straling engolflengten [3]-stralingFiguur 7Cement XXXII (1980) nr. 3magnetische straling komt in de natuur voor, met sterk vari?rende golflengten. Naarmate degolflengte afneemt, onderscheiden we radiogolven, radargolven, infrarode straling, zichtbaarlicht, UV-straling, r?ntgenstraling en gamrnastraling (golflengte 10-12rn) (fig. 6).Nu iets meer in detailDe aangeslagen kern wil kerndelen uitstoten om in zijn grondtoestand terug te keren. Voor hetuitstoten van een neutron uit de kern is een energie van ca. 8 MeV nodig. Het omzetten van eenneutron in een proton en het uitstoten van een 'elektron' uit de kern --deeltje) vereistechter minder energie.Zo vervalt bijvoorbeeld het zuurstofisotoop 019 naar fluorium onder het uitzenden vanb?tastraling.19 19 0 .9 F+Een kern, die te veel protonen bevat, zal dit neutraliseren dooreen proton om te zetten ineenneutron en een positief 'elektron' (positron gen?amd) uit de kern te stoten.Zo vervalt bij voorbeeld het koolstofisotoop Cll naar borium onder het uitzenden van +-straling.llC11 0 .6 5 B + 1 e (IJ -deeltje).In beide gevallen ontstaat dus b?tastraling, hetgeen bij het verval van vrijwel alle kernen kanvoorkomen.Vrijwel uitsluitend bij zwaardere kernen met een atoomgetal tussen 80 en 90 ontstaat veelalnaast b?tastraling ook alphastraling. Zo vervalt uranium 238naarthorium 234door het afstotenvan alphadeeltjes uit de kern (fig. 7).Het thoriumatoom iseveneens instabiel en zal via zeerveeltussenprodukten vervallen tot lood Pb, via alpha-verval of b?ta-verval.Bij nog zwaarderekernen meteen atoom getal > 90 bestaat naast alphastraling ook de neiging tot spontanesplijting.Na het uitzenden van alpha- of b?tastraling verkeert een kern veelal in aangeslagen toestand,een toestand van hogere energie, en keert naar zijn grondtoestand terug onder het uitzendenvan fotonen, de elektromagnetische gammastraling. Het radioactieve verval van een kern toteen nieuwe kern is een eenmalige gebeurtenis en wordt ook desintegratie genoemd.De 1020 tot 1023 kernen per gram radioactieve stof zullen niet alle op hetzelfde tijdstip vervallen.Iedere kern heeft dezelfdestatistischewaarsch ijnHjkheid tevervallen. Detijd waarin50% van deoorspronkelijke kernen vervallen heet halfwaarden-tijd; deze kan vari?ren van enkele delen vanseconden tot miljarden jaren. De eenheid van activiteit is de curie, afgekort Ci. Een curie komtovereen met 3,7 x 1010 desintegraties per seconde.Wij hebben tot dusveralleen de natuurlijke radioactiviteit beschouwd. Door het beschieten vanatomen (kernen) met protonen,u-deeltjes (helium kernen), neutronen of elektronen ontstaannieuwe kernen, die niet stabiel zijn en onderhet uitzenden van radioactieve straling vervallen. Eris dus geen principieel verschil tussen kunstmatige en natuurlijke radioactiviteit.Doorhet samenvoegen van lichtekernen (A< 50),(de kernfusie) en hetspiijten vanzware kernen(A> 50) (de kernsplijting), komt energie vrij. Hierop wordt niet nader ingegaan.Wel is het nuttig op te merken dat ook de brokstukken die bij kernsplijting ontstaan radioactiefzijn.Radioactiviteit/leefomgeving [3,5]Radioactieve straling is schadelijk voor de mens. De mate waarin is afhankelijk van deontvangen stralingsdosis die in Rem's (H) of milliRem's (mR) wordt uitgedrukt.We zullen radioactieve bronnen dan ook dienen te isoleren van dewerk-en leefomgeving, doordermate eisen te stellen aan het afzwakken van de straling, dat de hoeveelheid radioactievestraling buiten de bron voor de mens niet meer schadelijk is.122Nu is er in onze leefomgeving altijd al radioactieve straling aanwezig,zoals kosmische stralinguit het heelal, de natuurlijke achtergrondstraling ten gevolge van in de natuur voorkomenderadioactieve stoffen. Zo bevinden zich in de zee relatief kleine hoeveelheden uranium, radiumen kalium die van nature radioactief zijn. Ook verschillende bouwmaterialen zijn als gevolg vande eigenschappen van de basisstoffen radioactief, zoals graniet en beton en sommige soortengips. De mens staat dus dagelijks bloot aan radioactieve straling. Onderstaand overzicht geeftenkele waarden.De inwerking op de mens is voor de verschillende radioactieve isotopen niet gelijk. Dekosmische straling en omgevingsstraling werkt op het gehele lichaam. Uit het kalium dat in denatuurvoorkomtwerkt vooral Ka40op de spieren. Het Ra226,dat bij voorbeeld in thee en notenvoorkomt, werkt op het skelet, terwijl uranium en thorium dat in stof voorkomt vooral de longenaantasten.Afscherming [3, 6]Willen wij radioactieve straling afschermen, dan zal de aard van de straling nader moetenworden bezien.Deze zijn te onderscheiden in:fotonen: y- en r?ntgenstraling,geladen deeltjes: U-, protonen- en elektronenstralingongeladen deeltjes: neutronenstraling.Voorhetafschermen van een radioactieve bron die alphastralen uitzendt is papieralvoldoende.B?tastraling kan met 10 mm water of 5 mm aluminium worden afgeschermd.Gamma- en r?ntgenstralen, die een hogere energie hebben, kunnen door zware materialen alsbeton of lood, afhankelijk van een zekere dikte, tot een aanvaardbaar stralingsniveau wordenafgeschermd.Zoals wij bij het verval spreken van een halveringstijd, kan bij afscherming voor gammastralenworden gesproken van halveringsdikte. Des te zwaarder het materiaal is, des te kleiner dehalveringsdikte.Erbestaan voorde bepaling van de dikte van de afscherming uit de normaleberekeningsmethode afgeleide praktische grafieken (fig. 8). Op deze grafiek is af te lezen hoegroot de vereiste afschermdikte dient te zijn.Een bron van Cs 137, meteen gamma-energie van 0,66 MeV, en een activiteit van 100Ci moetworden afgeschermd tot een stralingsdosis van 2,5 mR/h. Hiervoor is nodig:900m lucht,1,5 m water,0,6 m loodglas met een volumieke massa van 2700 kg/m 3,0,18 m loodglas met een volumieke massa van 6200 kg/m3 ,0,8 m grindbeton,0,5 mbarietbeton0,22 m staal,0,09 m lood met een volumieke massa van 11340 kg/m3of 0,05 m uranium....2. -S".h1on ??. :p _8Bepaling afschermdikte [3]Stralingsdoses in Nederland [5]categoriekosmische straling(primair en secondair)aardse stralingr?ntgendiagnosewoning, gebouweneigen lichaamfall-out, via gras, melk en vleeslichtgevende horlogeskerncentralesjaardosis in mR453530-605-201830,2-0,5< 0,001chemischesamenstelling(z.Alonverzwakte stralmg na (gedeeltelijke)stralin? afscherming9Parameters voor stralingsafscherming doorbeton [6]Cement XXXII (1980) nr. 3In het 'Merkblatt f?r das Entwerten, Herstellen und Pr?fen von Betonen des bautechnischenStrahlenschutzes' staat vrijwel in het begin van de tekst - vrij vertaald - aangegeven:Het aantonen dat straling voldoende wordt afgezwakt is de taak van de fysicus, de industrie diede apparatuur vervaardigt of de firma die daari n is gespecialiseerd. Zij moeten de betontechno-loog de vereiste gegevens verstrekken, zoals de volumieke massa,percentage gebonden wateren chemische samenstelling, opdat deze het toeslagmateriaal en de betonsamenstelling kankiezen. De mate waarin een straling wordt afgezwakt is een functie van de stralingsenergie, dedikte van de afscherming, de volumieke massa, de chemische samenstelling en het percentagegebonden water in het beton (fig. 9).Afhankelijk van het toepassingsgebied, dus de aard van de stralingsbron, kan uit verschillendetoeslagmaterialen een keuze worden gedaan. Bariet kan in verband met de hoge volumiekemassa worden gekozen voor gamma-, r?ntgen- of elektronenstraling.Bij neutronenstraling zijn veel lichte atomen in het afschermmateriaal gewenst, zodat menLimonitof Serpetin kan kiezen, wegens hun hoogpercentage(1O?12%) gebonden kristalwater.Veelal kan normaal grindbeton worden toegepast, waarbij dan wel een grotere dikte is vereist.12310BestralingsunitToepassingIn de navolgende sectoren werkt men met radioactieve stoffen:? de medische sector? de industrie? de research en het onderwijs? bij de verwerking van radioactief afval.Een toepassing in de medische sectorIn een ziekenhuis dat gespecialiseerd is in behandeling van kanker wordt, voor onderzoekenbehandeling het radioisotoop jodium 131(J 131) toegepast. De pati?nt krijgt een kleinehoeveelheid van dit radioisotoop te drinken, die door de schildklier wordt opgenomen. Uit desnelheid waarmee en de mate waarin dit gebeurt kan men de diagnose stellen.Met een grotere dosis kan het gezwel worden bestreden. Depati?nt is dan wel een actieve brongeworden, zij het in beperkte mate, omdat de halfwaarden-tijd van dit isotoop enige dagenbedraagt. Deze pati?nt wordt nu enkele dagen in een aparte kamer min of meer ge?soleerd. Deuitscheidingen en het waswater worden via een apart leidingstelsel naar een tank gevoerd, diepas geleegd mag worden nadat de activiteit van de tankinhoud beneden een door de overheidvastgestelde grens is vervallen. De kamer is rondom van zware wanden voorzien, terwijl onderde vloerbedekking rondom het bed loodplaten aanwezig zijn.Het stralingsniveau in de ruimte wordt door een meter geregistreerd.Kwaadaardige gezwellen kunnen ook worden behandeld door het inbrengen van een naaldgevuld met radium.In dit ziekenhuis staat ook verschillende typen bestralingsapparaten, waaronder ??n voorzienvan een cobalt 60 (Co 60)-bron, in bestralingscellen opgesteld (fig. 10). Het apparaat weegtenkele tonnen. Dit gewicht wordt hoofdzakelijk veroorzaakt door het lood dat om de bron alsafscherming is aangebracht. De hoeveelheid Co 60 zelf is erg klein.Voor een aantal van deze bestralingscellen is de bescherming schematisch aangegeven in defiguren 11 en 12. De afscherming bestaat uit ter plaatse gestort beton met daarv??r gestapeldebetonblokken met loodvoegen. Voor het dak, dat in verband met plaatsing en vervanginguitneembaar moest zijn, ziet men de constructie aangegeven in figuur 13.11Overzicht bestralingscellen12Bestralingscel met details13Details van de dakconstructie14Instituut voor kern fysisch onderzoek teAmsterdamSTORTPREFAB BALKEN... ......Cement XXXII (1980) nr. 3STORTEen toepassing in een onderzoeksectorEen andere toepassing van beton is die voor afscherming van straling van de lineaire elektro-nenversnellerdie op dit moment deels in gebruik is, in het Insituutvoor Kernfysisch Onderzoek,het IKO te Amsterdam (foto 14). Deze versneller is in een lange tunnel geplaatst, die zich deelsonder de bovenbouw bevindfen deels met grond is afgedekt (fig. 15 en foto 16). De wanddiktevan de tunnel varieert tussen 1,0 m en 4,0 m.124versnellertunnel,,IIIIrinth toe?IIII I- - - - - -eLectr:j' deflektiehaL15aOverzicht tunnel en onderzoekruimten;doorsnede chemiehal15bPlattegrond van de onderzoekruimte(lage energiehal)500+++ II1+II-. I+12500+i- - - - - -Door de onder hoge spanning gevoede injector (foto 17)worden elektronen in pulsen uitgezon-den, die dooreen focus worden gericht en met een snelheid van nabij de lichtsnelheid dooreenvrijwel vacu?m getrokken dunne buis lopen. De massa van het elektron, dat dan vrijwel delichtsnelheid heeft bereikt, is dan enkele honderden malen groter geworden.Met de in gebruik zijnde vier secties kan eenelektronenenergie-niveau worden bereikt van60 MeVdie, als alles gereed is,voor het normale onderzoektot 140MeV kan worden opgevoerd.De bundel wordt door grote magneten op diverse plaatsen afgebogen (foto 18) en zodoendeafgeleid naar een onderzoekafdeling (fig. 15). De wand tussen hal en onderzoekafdeling is indeze figuur niet aangegeven. Hij is van betonblokken gestapeld en op (foto 18) op de achter-grond zichtbaar.Cement XXXII (1980) nr. 3 12516Elektronenversneller in tunnel17Injector van elektronenversneller20Deuropening in wand19De deur18Afbuiging elektronenstralen door middel vanmagneten: gestapelde afsluitwand vanonderzoekafdelingGevolgen voor beton [3, 6 t/m 18]Het afzwakken van straling heeft voor beton evenals voor andere materialen gevolgen. Hetafzwakken van straling gebeurt zowel door absorptie, botsingen als door ionisering, waardoorenergie in hetafschermmateriaal vrijkomt. Ditheeftchemisch en fysisch gezien gevolgen,zodatdiverse materiaaleigenschappen wijzigingen zullen ondergaan. Op dit gebied is ten behoevevan reactorbouw veel onderzoek verricht, waaruit nu een paar globale conclusies wordenweergegeven. Bepaalde typen reactoren zijn, om het uittreden van de bij kernsplijting vrijko-mende straling te verhinderen, met een metalen afschermingsschild omgeven. Dit schild isechter niet in staat de totale radioactieve straling te absorberen, zodat niet geabsorbeerdeneutronen de binnenzijde van de als een 2e bescherming aangebrachte betonwand zullenbestoken.In deze onderzoekruimten worden bij voorbeeld trefplaatjes door de versnelde elektronengebombardeerd en het gedrag van de beschoten kernen bestudeerd.Vooral aan de toegangen en voegen is veel aandacht besteed. Dedeuren (foto's 19-20)zijn vanbeton, met een stalen beplating, die als bekisting dienst heeft gedaan. Indrukwekkend is dehoeveelheid afschermbeton die in de 'pi-on'-hal is aangebracht (foto 21) - wanddikte 5,50 rn,hoogte 9 m.ln deze hal, waar het elektronenenergie-niveau tot 500 MeV kan worden verhoogd,wordt het gedrag van pi-onenbestudeerd. Pi-onen zijn zeer kleine kerndeeltjes die verantwoor-delijk zijn voorde kernkrachten en een levensduur hebben van ca. 26miljardste seconde.16 1718 192021n-onen hal, van bovenaf gezienCement XXXII (1980) nr. 3 12622Opslag radioactief afvalCement XXXII (1980)nr. 3Uit het spectrum blijkt dat dit zowel snelle - hoger energetische - neutronen zijn als langzameoftewel thermische neutronen. Daarnaast treedt gammastraling op.De stroomdichtheid van de snelle neutronen (neutronen/ems/sec) wordt binnen 100mm betontot 10% teruggebracht. Voorde thermische neutronen tot 33%.Ind ien men voor de levensd uur van een reactor30 jaar aanhoudt, dan zijn in dietijd totaal 5x 102 1neutronen/cm" te verwachten. Afhankelijk van de aard van het toeslagmateriaal worden in deproefstukken ten gevolge van zo'n fotonen- en neutronenbelasting deels irreversibele volume-veranderingen geconstateerd, die voor wat het reversibele deel betreft, een gevolg zullen zijnvan temperatuurverhogingen doorenerg ie-overdracht envoorhet irreversi bele deel een geVQlgzijn van structuurwijzigingen in het beton.In alle onderzoeken vindt men een afname van dewarmtegeleidingsco?ffici?nt. De treksterkte,druksterkte, buigsterkte en de E-modulus nemen eveneens af, als gevolg van destructuurwijzi-gingen, de geconstateerde gasontwikkeling en de veranderingen in het vochtgehalte. Hetpercentage van de afnamevan de sterktewaarden bli jkt sterk van desamenstelling van het betonafhankelijk te zijn. De zone waarin deze veranderingen optreden, is beperkt van omvang.De processen die zich in het beton werkelijk afspelen zijn zeer ingewikkeld en van veleparameters afhankelijk. In de door ons onderzochte literatuur vindt men over dit onderwerpweinig gegevens.Niettemin kan men constateren dat ondanks deze voornoemde verandering in het beton, eenverantwoorde toepassing, zelfs voor reactordrukvaten goed mogelijk is.Radioactief afvalRadioactief afval is de verzamelnaam voor niet meer te gebruiken? radioactieve stoffen? radioactief besmette voorwerpen of? mogelijk besmette voorwerpen.Volgens het Ministerie van Volksgezondheid en Milieuhygi?ne produceert Nederland per jaarca. 900 m3 radioactiefafval. Dit kan naarzijn activiteitworden onderscheiden in laag-, middel-enhoogactief afval, ook wel aangeduid met LAVA, MAVA en HAVA en kernsplijtingsafval KSA. Hetafval kan vast of vloeibaar zijn. Het vloeibaar radioactieve afval kan al of niet brandbaar zijn.Het Ministerie van Volksgezondheid en Milieuhygi?ne heeft aan dit onderwerp een uitgebreidepublikatie gewijd: 'Radioactief afval gedumpt'.Zo'n 850van de900 m3 is laag actiefenwordt in beton containers verpakt en onderinternationaaltoezicht in zee gedumpt. Op dedumpingsplaats is de zeeca.4000 m diep, zodat de containeraan400 ato druk wordt blootgesteld.Op het IRPA congres in oktober jl. te Keulen gehouden over kernafval-IRPA is de afkorting vanInternationaal Hadlation Protecting Association - werd door een vertegenwoordiger van dekerncentrale Doodewaard een lezing gehouden over het vervaardigen en het vullen vanbetoncontainers. Door een vertegenwoordiger van het ECN te Petten werd de dumping zelftoegelicht. Uit die lezingen zijn, op ons verzoek, doorde KEMA en de centrale Doodewaard voorde voordracht op de Betondag dia's ter beschikking gesteld. De gang van zaken is als volgt:Het laagactieve afval wordt in stalen vaten geperst. De overblijvende ruimte in het stalen vatwordt verder met cementgevuld, zodat een vaste massa wordt verkregen.De betonnen container, 180 mm dik, is uitgevoerd in beton B 37,5 klasse 11.Het gehele verdere proces dat hierna wordt beschreven is volledig geautomatiseerd. Het enigepersoneelslid die het proces begeleidt, verricht zijn werkzaamheden van achter een stra-Iingswerend scherm. Destalen vaten worden, nadat in de betonnen containers op de bodem eengroutlaag is aangebracht, in de container geplaatst. De ruimte tussen de containerwand en hetstalen vat wordt daarna met grout gevuld. Het aanmaken van het groutbeton geschiedt in eenandere ruimte. Hierna wordt de container aan de bovenzijde met beton dichtgestort. Debetonspecie wordt getrild. Na verharding kan de container als ??n massief geheel wordenbeschouwd.De stralingsdosis aan de buitenzijde van de container dient beneden een bepaald niveaugelegen te zijn. De stralingsdosis wordt te zamen met het gewicht geregistreerd en daarna alsgegeven op de containerwand geschilderd.Na een tussenopslag worden de vaten naar Petten afgevoerd en ??nmaal per jaar in zeegedumpt. Decontainers zijn getestvoorzware transportongevallen en kunnen een vrijeval van 9m doorstaan.Hetmidden- en hoogactief afval wordt bij hetECN of de centrales in opslag gehouden of wordt,indien het kernsplijtingsafval betreft, na een zekere tijd ter verrijking naar opwerkingsfabriekengezonden. In Nederland is, zoals in de meeste andere landen, geen definitieve opslagplaatsvoorhanden. Het probleem wordt naarmate wij verder in de tijd voortschrijden, nijpender. InAmerika is een omvangrijk onderzoek in gang gezet dat totaal 15 jaar zal gaan duren en waarbijalle mogelijke oplossingen voor berging in de oceaanbodem zullen worden bezien.Schetsmatig beschouwd zijn de volgende mogelijkheden voorhanden (fig. 22): Onder dezee, inde zee, op het vasteland, onder het vasteland en het afschieten per raket naar de zon. Niet alleoplossingen zijn even aanvaardbaar. Voorlopig gaan in Nederland de gedachten uit naar hetopbergen in zoutformaties. Deze oplossing schijnt, doordat veel barri?res tussen het leefmilieuen de opslag aanwezig zijn, voldoendezekerheid te bieden ,hoewel ook ditwordt bestreden. Hetblijkt nog niet mogelijk de onzekerheden hieromtrent weg te nemen. Zelfs een proefboring tenbehoeve van verder onderzoek kan nog niet worden uitgevoerd.Naastwellicht nog onvoldoendevoorlichting en kennisomtrent het ged ragvan deze lagen in de127loop van de tijd, waarbij nog niet alleen behoeft te worden gedacht aan stralings- en daaruitvoortvloeiende warmtebelasting, speelt wellicht bij velen bij de meningsvorming ook hetoncontroleerbare een rol. En in deze tijd wordt juist om een stuk controleerbaarheid gevraagd.Zolang overde veiligheid van een definitieveopslag ingeologischeformatiesnog geen absolutezekerheden zijn te geven, zal naar andere mogelijkheden moeten worden gezocht.Over de aspecten controleerbaarheid en stralingsveiligheid nadenkend lijkteen 'semi-Iange-duur' opslag een mogelijkheid. Deze dient naar onze mening dan zo geconstrueerd te zijn dat:? de stralingsbescherming afdoende is, door bij voorbeeld het afval vooral in glas in te gieten enmeerdere barri?res aan te brengen;? de stralingsniveaus afdoende kunnen worden gecontroleerd, bij voorbeeld via een om de eerstecontainer aanwezig medium, dat tevens kan koelen;? uitwisseling mogelijk is, door meerdere containers te maken;? de opslag boven het grondwater is gelegen;? de opslag tegen externe invloeden is beveiligd.Beton bezit naar ons idee de mogelijkheden om aan straling en de daaruit voortvloeiendewarmtebelasting op een verantwoordewijzeweerstand te bieden. Een principeschetsvoorzo'nopslag is in figuur 23 aangegeven. Ook deze opslag zal in de loop der tijd radioactief besmetraken en zal dan weer radioactieve afval vormen, waardoor in verband met latere sloopwerk-zaamheden aan demontabel bouwen wordt gedacht. Door deze opslag niet aan onze waarne-ming te onttrekken, zou het een teken kunnen zijn dat het probleem van het radioactieve afvalook dan nog niet definitief is opgelost.Een en ander is niet los te zien van hetenergievraagstuk.Detijd dringtom te beslissen hoeveel enwelk soort energie wij willen consumeren, maar nog meer dringt de tijd om onzekerhedeninzake opslag van radioactieve afval door studie en onderzoek om te zetten in zekerheden.23Principe tijdelijke opslag. .BESTAND TEGEN EXTERNE INVLOEDEN III__ gasbetonnenmetselwerklood ertussenLiteratuur1. Elseviers Repetitorium2. Kernreactorkunde, door L.M.Caspers enD.J.van de Hoek3. Praktische Berechnung der Abschirmungvon radioaktiver und R?ntgen-Strahlung,door C?domir Dimitrijevi?4. Verschillende fysicaboeken ennaslagwerken5. Wat kan er gedaan worden tegen eentoenemende stralingsbelasting?, doorJ.A.van Best en L.M.van Putten; ba/juni1979/66. Strahlenschutzbetone. Merkblatt f?r dasEntwerten, Herstellen und Pr?fen vonBetonen des bautechnischenStrahlenschutzes; Beton 10/1978 en11/19787. DeutscherAusschussf?rStahlbeton, HeftCement XXXII (1980) 3237 - Spannbeton -Reaktordruckbehalter8. The design and construction ofprestressec concrete reactor vessels;FIP/3/3, maart 19789. Design and Construction of NuclearPowerPlants; FIP-papers Congress NewVork, 26 mei -1 juni10. Spannbetonbeh?lter f?r Kernkraftwerke,door Dipl.-lng.Harald Gruhl und Oberinq.Dr.techn. Heinrich Dorner; Beton- undStehlbetonbeu, Heft 1, januari 196911. Properties of concrete in reactor vessels,door R.D.Browne, Ph.D.; FIP-groupC,paper 1312. Irradiation effects on doorB.T.Kelly, B.Sc.; FIP-group C, paper 1613. Effect of irradiation on steels used inpressure vessels, door A.Cowan en128R.W.Nichols; FIP-group D, paper 2014. Modulusof ElasticityofConcreteaffectedbyelastic moduli of cement paste matrixand aggregate, doorT.J.Hirsch; Journalofthe American Concrete Institute, maart196215. ModulusofElasticity of Concrete affectedbyelastic moduli of cement paste matrixand aggregate, door John W.Dougill;Joumal of the American ConcreteInsitute, sept. 196216. Neuartiger Spannbeton-Druckbeh?lterf?r Atomreaktoren; Betonstein-Zeitung,Heft 1/196817. Results of concrete irradiationprogrammes, april 1971; Commission ofthe European Committees.