Readymix entwickelt Strahlenschutzbeton für Max-Planck-Institut

Readymix entwickelt Strahlenschutzbeton für Max-Planck-Institut

„Cave“ aus Wand- und Deckenelementen schützt im Institut für Quantenoptik vor Gamma- und Neutronenstrahlung

Ultraschnelle Phänomene in Biologie, Chemie und Physik, die sich bislang nur theoretisch erörtern ließen, wird eine Forschungsgruppe des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) ab Mitte 2005 im Experiment messen können. Das ermöglicht das weltweit erste Laboratorium für Attosekunden- und Hochfeld-Physik im Erdgeschoss des Forschungskomplexes an der Hans-Kopfermann-Straße im bayerischen Garching. Herzstück der Anlage: ein Laser, ummantelt von einem eigens entwickelten Strahlenschutzbeton.Unter der Leitung von Prof. Ferenc Krausz werden die Wissenschaftler aus ca. zehn Metern verschiedene Teilchen mit einem OPCPA(Optical Parametric Chirped Pulse Amplification)-Laser in Bariumbetaborat-Kristallen beschießen. Aufs Korn nehmen werden sie biologische Proben, gasförmige Targets in Form von gepulsten Jets sowie Festkörpertargets, insbesondere Metallfolien. Pulsdauer: einige Femtosekunden (Femtosekunde = billiardstel Teil einer Sekunde), Wiederholrate: 10 Hz. Die Pulsenergie beträgt zunächst 100 mJ, eine Hochskalierung zu einigen Joules ist geplant.

Bei dem Beschuss werden Gamma- und Neutronenstrahlung freigesetzt. Um sie an einer Ausbreitung zu hindern, ist die Versuchsanlage mit einer unscheinbaren Ummantelung, dem „Cave“, versehen. Dieser 50 Quadratmeter umfassende, drei Meter hohe Schutzraum innerhalb des Labors besteht aus Hightech-Strahlenschutzbeton.

Die Betonrezeptur umfasst die Zuschlagstoffe Serpentin-Splitt, Colemanit-Pulver, Stahlgranulat und – bei den Deckenbauteilen – Tetraborcarbit. Jeder dieser Stoffe besitzt die Eigenschaft, eine bestimmte Wellenlänge zu absorbieren. Entwickelt wurde der Strahlenschutzbeton von den Readymix-Gesellschaft X. Buchenrieder Transportbeton, Landshut. Da der Cave aus unverfugten Betonbauteilen zusammengesetzt ist, lassen sich die Wandbauelemente (100 x 50 x 50 Zentimeter) und die sieben Meter langen, schmalen Deckenbalken bei Bedarf an anderem Ort neu kombinieren.

In Vorgesprächen bei der Ausschreibung erläuterten die Materialwissenschaftler des Max-Planck-Instituts die strengen Anforderungen an die Wand- und Deckenelemente. Sie wiesen die anwesenden Baustoffunternehmen auf die Tatsache hin, dass es zuvor noch nie gelungen war, die geforderten Inhaltsstoffe in einer Betonmischung zu verfestigen. Leonhard Grimm, Baustofftechniker der X. Buchenrieder Transportbeton und Abteilungsleiter der Readymix-Baustofftechnik Landshut: „Die Mitbewerber sagten: Dieser Beton ist nicht herstellbar. So sicherte sich die X. Buchenrieder den Auftrag, diesen neuen Baustoff zu entwickeln.“

Um die mineralischen Zuschläge sowie das Stahlgranulat in einem Beton fest zu verbinden, wählten die Baustofftechniker einen Tonerde-Sinter-Zement. Als Nicht-Normzement bedurfte er einer bauaufsichtlichen Zulassung im Einzelfall. Die entsprechenden Eignungsversuche führte die Readymix-Baustofftechnik Landshut durch. Für die Tests hatten die Experten 150 Probekörper anzufertigen. Dafür benötigten sie 1,5 Tonnen spezifischer Zuschläge mit exakt der selben Herkunft und von der selben Qualität, wie die später in der Ausführung zu verarbeitenden 100 Tonnen. Eine Nachfrage bei verschiedenen Schwerzuschlagstoffhändlern ergab: Ausreichend große einheitliche Chargen waren in ganz Europa nirgends auf Lager. Nach umfassender Recherche konnte ein Lieferant die Zusage geben, das Serpentin in einem eigens zu reaktivierenden Steinbruch in der Steiermark brechen zu lassen. In der Türkei ließ sich ein Colemanit-Vorrat auftun.

In umfangreichen Mischversuchen ermittelte die Readymix-Baustofftechnik Landshut ein Verhältnis von Fließmittel und Stabilisator, das den Beton einerseits fließfähig-verarbeitbar hält und andererseits verhindert, dass die Stahlpartikel im Bauteil nach unten sinken.

Für die unbewehrten Wandbausteine mit Tonerde-Sinterzement erhielt die X. Buchenrieder nach Versuchen des Materialprüfungsamts der TU München eine Zulassung im Einzelfall. Bei den Zugbelastungen unterliegenden baustahlbewehrten Deckenbalken musste die X. Buchenrieder die Kombination Colemanit/Tonerde-Sinter-Zement austauschen; hier dient Tetraborcarbit als Neutronenabsorber, gebunden in einem Normzement.

Die Readymix-Beteiligungsgesellschaft Transportbeton Mallersdorf mischte den Beton und lieferte ihn zum Fertigteilwerk Gretlmühle der X. Buchenrieder, wo die Wand- und Deckenbauteile gegossen wurden. Leonhard Grimm: „Die Fertigung des Strahlenschutzbetons unterlag der Überwachungsklasse 3. Ein Mitarbeiter der Abteilung Baustofftechnik war immer dabei: von der Materialzugabe in die Mischmaschine bis der letzte Krankübel im Fertigteilwerk in die Schalung gegeben wurde. Von jeder Tagesproduktion haben wir Probekörper genommen, um die Güte lückenlos nachzuweisen.“

Die Fa. Uhsler, Pfaffenhofen, montierte die Fertigteile. Sie durften jeweils nicht schwerer als zwei Tonnen sein, da ein kleiner Stapler sie über eine frei tragende Decke zum Einbauort transportierte.

Um eine hundertprozentige Dichte zu erzielen, wurden die Lagerfugen der Wandbausteine mit loser Bleiwolle ausgelegt und die Deckenbalken profiliert. Abschließende intensive Strahlenmessungen ergaben: Der Cave ist absolut strahlendicht. So kann sich das Forscherteam des MPQ in den weltweit ersten Versuchen der grundlegenden Frage widmen, was in ultraschnellen Prozessen auf der Zeitskala unterhalb eines billiardstel Teil einer Sekunde geschieht.