Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2005.

Universiẗat, Diss., 2004--Mainz.

Universiẗat, Diss., 2004--Köln.

University, Diss., 2004--Köln.

Freie Universiẗat, Diss., 2000--Berlin. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Durch die Kopplung von Szintillationskristallen an Lichtwellenleiter könnten robuste Messgeräte für die spektroskopitsche Messung von Strahlungsfeldgrößen in Bohrlöchern in Betonstrukturen beim Rückbau von Kernkraftwerken realisiert werden. In dieser Arbeit wurden zwei Prototypen solcher Messgeräte entwickelt, wobei ein auf einem Gadolinium-Aluminium-Gallium-Granat-Szintillationskristall basierendes Messsystem mit einem Kunststofflichtwellenleiter mit hohem Durchmesser aufgrund seiner hohen Zählrate bevorzugt wurde. Mit diesem Messystem konnten spektroskopische Messungen von Gammastrahlung durchgeführt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Kontaminationen einer bestimmten Aktivität bis in einen Abstand von mehreren Zentimetern von der Messsonde im Beton nachweisbar sind. Ein Schätzwert der minimale Messzeit zur Erkennung einer nachweisbaren Kontamination konnte bestimmt werden. Eine hinreichend große, gemessene Ereigniszahl ermöglicht zusätzlich die Bestimmung des Abstands einer radioaktiven, punktförmigen Kontamination eines bekannten Nuklids. Für ein bekanntes Nuklid konnte weiterhin aus der Zählrate ein Schätzwert für die Energiedosis am Ort der Messsonde mithilfe von Referenzmessungen der Dosis mittels Berylliumoxid-Detektoren bestimmt werden.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis vii Tabellenverzeichnis ix 1 Einleitung 1 2 Physikalische Grundlagen 3 2.1 Radioaktiver Zerfall 3 2.2 Gröÿen des Strahlungsfelds 3 2.3 Wechselwirkungen von Photonen mit Materie 5 2.4 Lichtentstehung in anorganischen Szintillatoren 8 2.5 Lichtmessung 10 2.6 Pulshöhenverteilungen von Szintillationsdetektoren 12 2.7 Ein ussfaktoren der Lichtausbeute 14 3 Material und Methoden 16 3.1 Aufbau LSO-Sonde und Messungen mit radioaktiven Quellen 16 3.2 Aufbau Lichtkopplung mittels Linse 18 3.3 Aufbau und Versuchsablauf Quarzglaskopplungen 20 3.4 Aufbau GAGG-Sonde 21 3.5 Aufbau des Betonphantoms 24 3.5.1 Dichtebestimmung des Betonphantoms 24 3.6 Messablauf Tiefenkurven in Betonphantom 27 3.7 Datenanalyse mittels Kolmogorv-Smirnov-Test 27 4 Ergebnisse 29 4.1 Spektroskopische Eigenschaften LSO-Sonde 29 4.2 Winkelverteilung austretender Photonen aus Szintillationskristall 33 4.3 Quarzglaskopplung 36 4.4 Spektroskopische Eigenschaften GAGG-Sonde 43 4.5 Vergleich GAGG- und LSO-Sonde 47 4.6 Abstandsabhängigkeit der Zählrate 50 4.7 Abschätzung der maximalen Abschirmdicke von Beton für Kontaminationserkennung 53 4.8 Abschätzung der minimalen Messzeit zur Kontaminationserkennung 56 4.9 Abschirmungsdickenbestimmung mittels Abschirmungsparameter 57 4.10 Bestimmung der Dosis 62 5 Diskussion 64 6 Zusammenfassung 67 / A robust measuring system for spectroscopic measurementes of gamma-ray radiation in boreholes in concrete structures can be built by coupling of a scintillation crystal to a light guide. Two prototypes of such measuring systems are developed one based on a Gadolinium-Aluminium-Gallium-Garnet scintillation crystal with a plastic optical fiber with a high diameter is preferred due to the higher count rate. Spectroscopic measurements of gamma-ray radiation with this measuring system can be performed. It can be shown that contamination of a specific activity can be detected even if they are located in concrete in a distance of several centimeters from the radiation sensor. for the minimal measurement time of 38 s An estimated value to detect a traceable contamination could be determined. If a high number of events can be detected, even the distance between a point like radioaktive source of a known nuclide and the radiation sensor can be determined. An estimated value for the applied dose at the place of the radiation sensor could be determined for a known nuclide with the help of the count rate. Therefore, reference measurements of dose with berylliumoxide detectors were performed.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis vii Tabellenverzeichnis ix 1 Einleitung 1 2 Physikalische Grundlagen 3 2.1 Radioaktiver Zerfall 3 2.2 Gröÿen des Strahlungsfelds 3 2.3 Wechselwirkungen von Photonen mit Materie 5 2.4 Lichtentstehung in anorganischen Szintillatoren 8 2.5 Lichtmessung 10 2.6 Pulshöhenverteilungen von Szintillationsdetektoren 12 2.7 Ein ussfaktoren der Lichtausbeute 14 3 Material und Methoden 16 3.1 Aufbau LSO-Sonde und Messungen mit radioaktiven Quellen 16 3.2 Aufbau Lichtkopplung mittels Linse 18 3.3 Aufbau und Versuchsablauf Quarzglaskopplungen 20 3.4 Aufbau GAGG-Sonde 21 3.5 Aufbau des Betonphantoms 24 3.5.1 Dichtebestimmung des Betonphantoms 24 3.6 Messablauf Tiefenkurven in Betonphantom 27 3.7 Datenanalyse mittels Kolmogorv-Smirnov-Test 27 4 Ergebnisse 29 4.1 Spektroskopische Eigenschaften LSO-Sonde 29 4.2 Winkelverteilung austretender Photonen aus Szintillationskristall 33 4.3 Quarzglaskopplung 36 4.4 Spektroskopische Eigenschaften GAGG-Sonde 43 4.5 Vergleich GAGG- und LSO-Sonde 47 4.6 Abstandsabhängigkeit der Zählrate 50 4.7 Abschätzung der maximalen Abschirmdicke von Beton für Kontaminationserkennung 53 4.8 Abschätzung der minimalen Messzeit zur Kontaminationserkennung 56 4.9 Abschirmungsdickenbestimmung mittels Abschirmungsparameter 57 4.10 Bestimmung der Dosis 62 5 Diskussion 64 6 Zusammenfassung 67

Kernthema der Dissertation ist die Weiterentwicklung von Kohle-Online-Messtechniken zur kontinuierlichen Bestimmung, das Brennstoffverhalten in Kraftwerkskesseln beeinflussender anorganischer Kohleinhaltsstoffe im Rheinischen Braunkohlerevier, die geologisch bedingt, natürlichen Schwankungen unterliegen. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden die Gammastrahlenabsorptionsverfahren zur Aschegehaltsbestimmung und die Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse (PGNAA) zur Multielement-Analyse als innovative Messmethoden zur Analyse des gesamten Kohlestroms auf Förderbandanlagen identifiziert, deren Eignung im Rahmen von Voruntersuchungen bestätigt, betrieblich eingeführt und unter Praxisbedingungen optimiert. Dabei wurde die Wechselwirkung zwischen Gamma- und Neutronenstrahlung unterschiedlicher Energien mit Braunkohlen und Fördergurten unterschiedlicher Eigenschaften sowie Einflüsse variierender homogener und inhomogener Elementzusammensetzungen bei verschiedenen Messsystemanordnungen und Förderleistungen auf die Messergebnisse systematisch erfasst und für die Versuchsanlagen in der betrieblichen Praxis umgesetzt. Die Gamma-Absorptionsmethode ist im betrieblichen Einsatz, die Erprobung der PGNAA-Prototypanlage steht bevor.

Kernthema der Dissertation ist die Weiterentwicklung von Kohle-Online-Messtechniken zur kontinuierlichen Bestimmung, das Brennstoffverhalten in Kraftwerkskesseln beeinflussender anorganischer Kohleinhaltsstoffe im Rheinischen Braunkohlerevier, die geologisch bedingt, natürlichen Schwankungen unterliegen. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden die Gammastrahlenabsorptionsverfahren zur Aschegehaltsbestimmung und die Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse (PGNAA) zur Multielement-Analyse als innovative Messmethoden zur Analyse des gesamten Kohlestroms auf Förderbandanlagen identifiziert, deren Eignung im Rahmen von Voruntersuchungen bestätigt, betrieblich eingeführt und unter Praxisbedingungen optimiert. Dabei wurde die Wechselwirkung zwischen Gamma- und Neutronenstrahlung unterschiedlicher Energien mit Braunkohlen und Fördergurten unterschiedlicher Eigenschaften sowie Einflüsse variierender homogener und inhomogener Elementzusammensetzungen bei verschiedenen Messsystemanordnungen und Förderleistungen auf die Messergebnisse systematisch erfasst und für die Versuchsanlagen in der betrieblichen Praxis umgesetzt. Die Gamma-Absorptionsmethode ist im betrieblichen Einsatz, die Erprobung der PGNAA-Prototypanlage steht bevor.:1 Hintergrund und Motivation 5 1.1 Belagsbildungen bei der Verbrennung von Braunkohlen in Dampferzeugern 5 1.2 Bildungsbedingungen von Schmelzphasen in Mehrstoffsystemen 6 1.3 Methoden zur Bewertung des Ansatzbildungspotenzials 9 1.4 Geologie des Rheinischen Braunkohlenreviers 9 1.4.1 Tektonische Vorgeschichte der Niederrheinischen Bucht 9 1.4.2 Stratigrafischer und lithologischer Überblick des Rheinischen Braunkohlenreviers 11 1.5 Lagerstätten des Rheinischen Braunkohlenreviers 14 1.5.1 Tagebau Garzweiler 14 1.5.2 Tagebau Hambach 15 1.5.3 Tagebau Inden 16 1.6 Kohlesortenkonzept des Rheinischen Braunkohlenreviers 17 2 Ziel der Arbeit 21 3 Stand von Wissenschaft und Kohle-Online-Messtechnik 22 3.1 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 22 3.2 Laser-induzierte-Plasma-Spektroskopie (LIPS) 23 3.3 Gammastrahlenabsorption 24 3.4 Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse 28 3.5 Eingesetzte Messtechniken im Rheinischen Revier 30 4 Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 31 4.1 Revierweite Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 31 4.2 Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken zur Aschegehaltsbestimmung 31 4.3 Standortspezifische Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 32 5 Arbeits- und Versuchsprogramm 33 5.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 33 5.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 36 6 Versuchsergebnisse und Diskussion 41 6.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 41 6.1.1 Vorversuche mit einer Americiumquelle (Am-241) am Teilstrom (Firma Berthold) 41 6.1.2 Gammastrahlenabsorption eines stahlarmierten Fördergurts 46 6.1.3 Anlagengeometrie der betrieblichen Versuchsanlagen 57 6.1.4 Vollständige Erfassung der Bandbelegung (Detektorgeometrie) 59 6.1.5 Auswirkungen der Elementverteilungen auf die Gammastrahlenabsorption 60 6.1.6 Fehlerbetrachtungen der Gammastrahlenabsorption und Optimierungsansätze 66 6.1.7 Probennahme-Techniken für Referenzwerte der Kalibrierung 68 6.1.8 Anlagen-Kalibrierung für unterschiedliche Aschegehalte 75 6.1.9 Anlagen-Kalibrierung bei unterschiedlichen Förderleistungen 76 6.1.10 Langzeitversuche zu Lagerstättendaten und weiteren Analysetechniken 77 6.1.11 Zusammenfassung der Ergebnisse 81 6.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 83 6.2.1 Testmessungen mittels MEDINA-Anlage am Forschungszentrum Jülich (FZJ) 83 6.2.2 Simulationsrechnungen für heterogen verteilte Sandfrachten am FZJ 95 6.2.3 Testmessungen mittels Coalscan-Anlage bei der Firma Scantech (Australien) 99 6.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 105 7 Schlussfolgerungen und Fazit 106 7.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 106 7.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 107 8 Ausblick 108 8.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 108 8.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 109 9 Abbildungsverzeichnis 111 10 Tabellenverzeichnis 118 11 Abkürzungsverzeichnis 120 12 Literaturverzeichnis 123 13 Anhang 126