atw - International Journal for Nuclear Power | 04.2022

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atw Vol. 67 (2022) | Ausgabe 4 ı JuliFEATURE | OTHER APPLICATIONS 16| Abb. 12Doktorand Markus Trunk mit Probe zur Untersuchung an der Prompten Gamma-Aktivierungsanalyse ander Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRMII) der Technischen Universität München ©Bernhard Ludewig, FRM II / TUModer in passenden Behältern auch als Flüssigkeitenoder Gase. Chemische Bindungen verändern dieResultate der Elementanalyse nicht. Ergebnis derzerstörungsfreien Untersuchung ist ein Massenanteilfür das jeweilige Element über den gesamtenProbenkörper im Strahl, d. h. eine Bulkanalyse.Die analytische Empfindlichkeit hängt hauptsächlichvom Neutroneneinfangsquerschnitt derElemente ab, aber grundsätzlich können allechemischen Elemente mit der PGAA analysiertwerden. Einige Elemente können nur als Hauptbestandteileidentifiziert werden (O, C, Be, Bi), anderekönnen auch als Spurenelemente (B, Cd, Metalleder seltenen Erde) bestimmt werden, mit Nachweisgrenzenbis in den Nanogramm-Bereich. Meistliegen die Nachweisgrenzen im Mikrogramm-Bereich. Besondere Vorteile hat die Methode beider Untersuchung von leichten Elementen, insbesonderebei Wasserstoff und Bor, die im part permillion- (ppm) beziehungsweise part per billion-Bereich (ppb) – gewichtsbezogen – nachgewiesenwerden können 23 .Die PPGA kann durch die In-beam-Neutronaktivierungsanalye(ibNAA) ergänzt werden. Vorteil deribNAA ist, dass die Neutronselbstabsorption ineinem Neutronenstrahl viel einfacher zu korrigierenist als in einem isotropen Neutronenfeld unddie Energieniveaus der Neutronen homogener sind.Mit der Hochflussbestrahlung werden vieleElemente aktiviert, die darüber hinaus mit einerbesseren Empfindlichkeit nachgewiesen werdenkönnen als mit PGAA alleine. Es können sogarkurzlebige Nuklide (Halbwertszeiten von wenigenSekunden) nachgewiesen werden. PGAA und NAAergänzen einander. PGAA eignet sich für dieBestimmung der Hauptbestandteile, mit NAAkönnen am besten Spurenelemente analysiertwerden 24 . Als Neutronenquellen kommen nebenForschungsreaktoren, in denen ggf. unterschiedlicheNeutronenenergieniveaus und vor allem hoheFlussdichten zur Verfügung stehen, besonders inindustriellen Anwendungen auch Alpha- (Am, Pu,Ra) oder Gamma-Berylliumquellen (Sb) oder Spontanspaltungsquellen(Cf-252) zum Einsatz.Fast Neutron-induced Gamma-raySpectrometry (FaNGaS)Im Gegensatz zu den oben genannten Verfahren,die v. a. mit kalten, thermischen und epithermischenNeutronen arbeiten, werden für die FastNeutron-induced Gamma-ray Spectrometryschnelle Neutronen verwendet. Ein solches Instrumentfindet sich ebenfalls am FRM II. Es bestehtaus einem gekühlten (elektrisch und mechanisch)HPGE Detektor (High Purity Germanium), der zurDatenerfassung mit einem Digital-Spektrometerverbunden ist. Das gesamte System ist abgeschirmt.FaNGaS ermöglicht die Bestrahlung von großenObjekten. Die durch Spaltneutronen hervorgerufeneprompte Gammastrahlung (beispielsweiseaus (n,n’), (n,2n), (n,p) und (n,α) Reaktionen)ermöglicht eine zerstörungsfreie qualitative sowiequantitative Elementanalyse 25 .C14-DatierungDie C14-Methode beruht auf der Ermittlung desAnteils des natürlich vorkommenden, radioaktivenNuklids Kohlenstoff-14, das aus stabilem atmosphärischemKohlenstoff durch kosmische Strahlunggebildet wird und im Gewebe jedes Lebewesensenthalten ist. Mit dem Tod nimmt der Gehaltim Körper allmählich entsprechend der Halbwertszeitvon 5.700 Jahren ab. Die C14-Methode ist ambesten auf Fossilien und organische Artefakteanwendbar, die zwischen 500 und 50.000 Jahre altsind. Auch andere Radionuklide sind für solcheAnalysen geeignet, zum Beispiel Kalium-40. MitRubidium-87 wurden die ältesten Mineralien derErde auf etwa vier Milliarden Jahre datiert.Uran-Blei-DatierungDie Uran-Blei-Datierung ist eine absolute Datierungsmethode,bei der der radioaktive Zerfall vonUranisotopen zur Datierung geologischer Proben23 https://mlz-garching.de/pgaa/de24 https://mlz-garching.de/naa/de25 https://mlz-garching.de/fangas/deFeature | Other ApplicationsJenseits der Stromerzeugung – vielfältiger Nutzen der Kerntechnik ı Nicolas Wendler

atw Vol. 67 (2022) | Ausgabe 4 ı Julioder von Meteoriten genutzt wird. Das Alter derErde von 4,55 Milliarden Jahren wie es heute angenommenwird, wurde mit der Uran-Blei-Datierungbestimmt. Das Alter des Sonnensystems konnte mitdieser Datierungsmethode durch Untersuchungvon Einschlüssen in Meteoriten auf 4,567Milliarden Jahre bestimmt werden. Die Altersbestimmungfür die ältesten auf der Erde entstandenenMinerale – Zirkone in australischenGesteinen – ergab ein Alter von bis zu 4,404Milliarden Jahren. Es werden dabei der Gehalt vonBlei-206 und Blei-207 in der Probe miteinanderverglichen. Ersteres entsteht in der Uran-Radium-Zerfallsreiche aus Uran-238, letzteres in der Uran-Actinium-Zerfallsreihe aus Uran-235. Darüberhinaus wird auch das Verhältnis von Blei zu Uranverglichen. Am besten funktioniert die Datierungbei einer ungestörten Geschichte des Gesteins, siekann aber auch an eine oder zwei für das Isotopenverhältnisrelevante Störungen angepasst werden.Ggf. gilt es den Anteil so genannten primordialen,nicht-radiogenen Bleis zu bestimmen und zuberücksichtigen 26 . Der beste Indikator ist dabei dasIsotop Blei-204, das ausschließlich primordialentsteht, aber in keiner Zerfallsreihe gebildet wird.Primordial meint hier in stellaren Prozessen vorBildung des Sonnensystems entstanden. Zwar istBlei-204 nicht stabil, die Halbwertszeit kann allerdingsvernachlässigt werden, da sie bei 1,4 × 10 17Jahren liegt, also rund 10 Millionen Mal so lang istwie das Alter des Universums gegenwärtigbestimmt wird 27 .Siliziumdotierung in industriellerAnwendungDer hohe Neutronenfluss in der Nähe des Reaktorkernseines Forschungsreaktors kann auch fürBestrahlungseinrichtungen verwendet werden.Dies geschieht auch an der Forschungs-NeutronenquelleHeinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TUMünchen zur Herstellung neuer, überwiegendradioaktiver Isotope für die medizinische als auchtechnische Nutzung. Dieser Hochflussbereich wirdauch für analytische Anwendungen, nämlich dieoben erwähnte Neutronenaktivierungsanalyse(NAA) genutzt. Kleine Spuren von Verunreinigungenwerden durch Neutronenabsorption radioaktivund können dann mit hoher Empfindlichkeitnachgewiesen werden.Bei der Dotierung von Silizium wird die neutroneninduzierteBildung stabiler Isotope wie etwa Phosphorgenutzt. Dazu werden Blöcke hochreinen| Abb. 13Silizium-Einkristall zur Bestrahlung in der Siliziumdotierungsanlage an der Forschungs-NeutronenquelleHeinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München (TUM);Coypright: Bernhard Ludewig / FRM II, TUMSiliziums mit einem hohen Fluss thermischer Neutronenbestrahlt. Die Absorption von Neutronendurch ein Silizium Atom führt nach einem kurzlebigenradioaktiven Zerfall zur Umwandlung in einstabiles Phosphor Atom. Die hohe Durchdringungsfähigkeitder Neutronenstrahlen im massiven SiliziumBlock gewährleistet eine sehr gleichmäßigeVerteilung der erzeugten Phosphor Atome undsomit eine extrem homogene Dotierung des Siliziums.Insbesondere bei der Herstellung vonThyristoren, die hohe Leistungen, bzw. hohe elektrischeStröme regeln, wird diese hohe Homogenitätbenötigt. Zur Anwendung kommen solche Komponentenetwa in der Hochspannungsgleichstromübertragung(Stromtransport über große Entfernungen)oder in der Leistungsregelung in Hochgeschwindigkeitszügen28 .Zerstörungsfreie Prüfung mitDurchstrahlungDie Durchstrahlungsprüfung ist ein bildgebendesVerfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung(ZFP) zur Darstellung von Materialinhomogenitätenund -fehlern. Mit Röntgen- oder Gammastrahlungaus unterschiedlichen Quellen entsprechendder Anforderungen (Röntgenröhre, Linearbeschleuniger,Isotop) wird die Dichte einesBauteils auf einem Röntgenfilm oder mittels digitalerRadiographie abgebildet. Es erscheint einProjektionsbild des Bauteils wobei sich am Gradder Schwärzung die unterschiedliche Materialdickeoder -dichte erkennen lässt. Je dicker oderdichter ein Bauteil, desto weniger Strahlung kannes durchdringen und desto heller erscheint dieFEATURE | OTHER APPLICATIONS 1726 https://www.chemie.de/lexikon/Uran-Blei-Datierung.html27 https://de.wikipedia.org/wiki/Uran-Blei-Datierung28 https://mlz-garching.de/industrie-und-medizin/isotopenherstellung.htmlFeature | Other ApplicationsJenseits der Stromerzeugung – vielfältiger Nutzen der Kerntechnik ı Nicolas Wendler

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