DE1771927A1 - Strahlungsschutz-Zusammensetzungen - Google Patents

Description

Chemtree Corporation, Chemtree Park, Central Valley, New York /USA

Strahlungsschutz-Zusammensetzungen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Strahlungsschutz-Zusammensetzung. Genauer betrifft die Erfindung eine trockene, schüttbare Zusammensetzung, welche nach dem Vermischen mit Wasser verwendet werden kann, um einen Strahlungsschirm mit erwünschten Eigenschaften herstellen.

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Fernschreiber: 05 4374 patent d

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Bayer. Staatsbank Lindau (B) Nr. 1562

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Im Atomzeitalter hat das Problem des Abschirmens von Personen vor Strahlung, besonders vor direkter Strahlung von solchen neuentuiickelten Vorrichtungen, wie Kernreaktoren und Beschleunigern eine u»eitverbreit»ete Beachtung erlangt· Im allgemeinen wurden jedoch alle Anstrengungen auf die Frage der materialien gerichtet, = ■.-die in der Lage sind, verschiedene Formen von direkter Strahlung abzuschwächen und abzufangen und welche in der Form einer geeigneten'Abschirmung zwischen der ι Strahlungsquelle und dem Bedienungspersonal angebracht werden könnten, um somit die Strahlungsgsfährdung der letzteren zu vermindern oder auszuschalten. Blei, Wasser, Beton hoher Dichte und dergleichen sind Beispiele solcher Materialien.

Ein anderes Problem, welches nicht die gleiche Beachtung erlangt hat, ist die Strahlungsgefährdung von Personen, die dan Reaktor- oder Beschleunigertunnel betreten, nachdem die primäre Strahlungsquelle entfernt oder inaktiviert worden ist. Diese Gefahr besteht infolge der Aktivierung von bestimmten Elementen, die auf oder in der Nähe der Innenfläche der Hauptabschirmung vorhanden sind, auf eine radioaktive Form als ein Ergebnis des Aussetzens

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an die primäre'Strahlungsquelle hoher Energie. Zum Beispiel natrium, welches als Verunreinigung in vielen materialien vorhanden ist, die zur primären Abschirmung verwendet werden, oder welches als ein Ergebnis der Spallation von in der Abschirmung verwendeten materialien höherer Atomzahl gebildet wird, wird beim Aussetzen an einen Protonenfluß hoher Energie zu radioaktivem Na-24 aktiviert, wie es normalerweise während der Tätigkeit verschiedener Arten von Beschleunigern erzeugt wird·

Das üblichste Verfahren mit diesem Problem fertig zu werden ist, den Gerät einen Zeitraum zum "Abkühlen" nach dem Stillegen zu gewähren, bis der Strahlungshintergrund im Inneren der Anlage beträchtlich vermindert ist· Ein solches V/erfahren hat bedeutende Nachteile« Während im allgemeinen die Halbwertszeit der aus der erwähnten Aktivierung staunenden Radioisotope verhältnismäßig kurz ist, ergeben nichtsdestoweniger solche "Abkühlungs¹¹—Zeiträume eine beträchtliche Stillegungszeit, eine NichtverfUgbarkeit der Anlage, falsche Verwendung von Personal und dergleichen. Beispielsweise sei erwähnt, daß Na-24, welches in beträchtlichen Mengen erhalten wird, wenn ein Hauptabschirmungsmaterial, wie Beton, einem Protonenfluß hoher

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Energie ausgesetzt wird, eine Halbwertszeit von etwa 15 Stunden aufweist und somit "Abkühlungs"-Zeiträume von beträchtlicher Dauer verursacht, jedesmal, wenn die Anlage stillgelegt wird.

Ein anderes Verfahren, mit diesem Problem fertig zu werden, ist gewesen, die Innenwände der Anlage mit einem Abschirmungsmaterial zu überziehen, welches, sobald die Anlage stillgelegt war, die nach dem Stillegen in die Anlage eintretenden Personen wirksam gegen Strahlung schützte, die sich aus der Aktivierung der Hauptabschirmung ergab.· Die biahsr für diese Verwendung vorgeschlagenen materialien besitzen jedoch einen oder mehrere Nachteile, wie beispielsweise Hohe Kosten, schwieriges Auftragen, mäßige Wirksamkeiten und dergleichen*

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, neuartige Strahlungsschutz-Zusammensetzungen zu schaffen. Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, Strahlungsschutz-Zusammensetzungen zu schaffen, welche besonders zum Überziehen der Innenwände und Decken geeignet sind, die Strahlung hoher Energie ausgesetzt werden* Es ist eine weitere Aufgabe, Strahlungsschutz-Zusammensetzungen zu schaffen, welche frei von einem oder mehreren Nachteilen der bisher bekannten Materialien

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sind. Diese und andere Aufgaben werden im Fachgebiet Bewanderten angesichts der vorliegenden Beschreibung und der angehängten Patentansprüche teils offensteht- _; lieh sein und teils klarwerden. ...

Ein vorbildliches Material, welches verwendet werden kann.die Innenflächen zu überziehen} die während des Betriebes der Anlage Strahlung hoher Energie ausgesetzt sind, sollte die folgenden erwünschten Eigenschaften besitzen:

Io Es sollte verhältnismäßig billig sein. „

2. Es sollte leicht und bei minimalen Arbeitskosten aufzutragen sein. .......

3. Es sollte hohe strukturelle Festigkeit besitzen.

4. Es sollte beim Aussetzen an Schalung hoher Energie strukturell nicht versagen.

5» Es sollte während eines solchen Auasetzens nicht aktiviert werden. . ■. . _:

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6. Es sollte in einer geeigneten Form sein, um an die gewünschte Stelle transportiert zu werden.

7. Es sollte beim Abschwächen der Strahlung von den aktivierten Flächen wirksam sein«

Unerwartet ist festgestellt worden, daß Zusammensetzungen, die im wesentlichen aus einer Kalziumverbindung aus der Gruppe bestehen, die aus Kalziumkarbonat, Kalziumoxyd, Kalziumhydroxyd und mischungen davon besteht und in einem anorganischen Zementgrund gleichmäßig verteilt sind.für die vorgesehenen Zwecke hervorragend geeignet sind.

Solche Zusammensetzungen können in einer trockenen schüttbaren Partikelform zum gewünschten Ort transportiert werden, wo sie mit einer geeigneten Wassermenge gemischt, durch geeignete für Standardmörtel herkömmliche Verfahren aufgetragen werden, wie beispielsweise Sprühen, Schütten, Verputzen oder Uorgießen, und ihnen ein geeigneter Zeitraum zum Aushärten gewährt wird·

Wie im folgenden aus der ausführlichen Beschreibung der für die Verwendung in den vorliegenden Zusammensetzungen

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ORIGINAL INSPECTED

geeigneten (Materialien hervorgeht, sind diese Zusammensetzungen verhältnismäßig billig. Wie auch im folgenden dargestellt wird, besitzen die Zusammensetzungen der Erfindung, wenn sie mit Wasser gemischt und ausreichend ausgehärtet werden» gute strukturelle Eigenschaften·

Die in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Kalziumverbindungen können natürlich Kalziumkarbonat, Kalziumoxyd und Kalziumhydroxyd von hoher chemischer Reinheit sein. Jedoch werden aus Gründen des Vorteils und der lUirtschaftlichkeit natürlich vorkommende und leicht verfügbare kommerzielle Formen solcher Verbindungen bevorzugt verwendet, wie beispielsweise Kalkstein, Kalk und gelöschter Kalk.

Solche Verbindungen werden gewöhnlich als feinverteiltes schüttbareSjzerkleinertes Material verwendet, welches durch eine Siebgröße von 40 geht· In bestimmten Fällen, besonders wo eine ausgehärtete Zusammensetzung von etwas höherer Dichte erforderlich ist, kann jedoch die Kalziumverbindung in der Form von groben Massen zugeführt werden, wie beispielsweise Warmoreplitter oder Kalkstsinmassen, welche im wesentlichen reines Kalziumkarbonat sind, wobei die !Klassen in dem anorganischen Zementgrund gleichmäßig

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verteilt sind.

Für den Zweck der Erfindung wird erwünscht, daß die verwendeten Kalziumverbindungen in den Kostengrenzen so rein ujie möglich sind und vorzugsweise nicht mehr als Spuren von Natriumverbindungen und Verbindungen anderer Elemente enthalten, die höhere Atomzahlen als 20 besitzen, u/ie beispielsweise Eisenoxyd.

Typische kommerzielle Kalziumverbindungen sind z. B. ein Kalkstein guter Qualität, welcher ein minimum von 97,5% Kalziumkarbonat enthält und sehr niedrige Verunreinigungen aufweist; Austernschale, welche im wesentlichen vollständig aus Kalziumkarbonat mit geringen Verunreinigungen besteht; ein Kalk guter Qualität, welcher aus etwa 97,9% Kalziumoxyd besteht und auch sehr niedrige Verunreinigungen aufweist; ein gelöschter Kalk guter Qualität, welcher einen Kalziumhydroxydgehalt von etwa 98,2$ besitzt.

Die ungefähre Analyse eines Kalksteines guter Qualität, welcher eich in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gut vertuenden läßt, ist wie folgtt

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Chemische Zusammensetzung

Ca CO₃

HRgCO₃ 1,5

2_V5

Al₂O₃ 0,4

Fe₂O₃ 0,05

Feuchtigkeit- weniger als 0,3%

Physikalische Eigenschaften

Spezifisches Gewicht 2,71

Schüttdichte 961 bis 1120 kg/m³ (60-70 1b/cu.ft,

Siebanalyse

Durch 200 Waschen 99,9$ Durch 325 Maschen 99%

Ein Kalk guter Qualität hat ungefähr die folgende Zusammen setzung :

- TO -

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SiO₂ 0,43 ^

Al₂O₃ 0,45

Fe₂O₃ 0,45

IYIgD 0,52

Der anorganische Zement, welcher als der Grund und schließlich als das Bindemittel in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, sollte vorzugsweise einen so hohen Kalziumgehalt wie möglich besitzen, und minimale Mengen von Natriumverbindungen und Verbindungen von Elementen, deren Atomzahl höher ist als 20, enthalten. Ein Zement enthält Kalzium, berechnet als CaO, in einer !Klenge von mehr als etwa 64,5jGewichts-/ß, Natriumverbindungen in einer menge von weniger als etwa 0,EJGewichts-^ und Verbindungen von Elementen höherer Atomzahl, berechnet als die Oxyde, in einer Menge von weniger als etwa 2,5JGeuiicht8-$»

Ein handelsüblich verfügbarer Zement, welcher sich hervorragend für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung eignet, ist jener, weicher aus reinem Kalzit-Kalkstein hergestellt ist. Ein solcher Zement ist infolge seines niedrigen Eisenoxydgehaltes üblicherweise als "weißer Zement" bekannt, wobei Eisenoxyd der Bestandteil

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ist, welcher den Standardzementen die charakteristische graue Farbe verleiht.

Eine typische Analyse von weißem Zement ist wie folgt:

CaO 65$

SiO₂ 25,5

Al₂O₃ 5,9

Fe₁₅O, 0,6

(KIgO 1,1

SO₃ 0,1

Bei der Herstellung der Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung werden zwei trockene schüttbare Bestandteile durch übliche mechanische mittel innig miteinander vermischt. Wenn zur Verwendung nötig, werden die Zusammensetzungen mit ll/asser auf die gewünschte Konsistenz gemischt und auf herkömmliche Weise gesprüht, geschüttet, verputzt oder vorgegossen·

Die Mischungsverhältnisse der Kalziumverbindungen zum Zement in den vorliegenden Zusammensetzungen als auch die Proportionen der bestimmten Kalziumverbindungen re-

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lativ zueinander, uienn eine Mischung davon veru/endet wird, sind in keiner UJeise kritisch und können innerhalb vernünftig breiter Bereiche variiert werden. Die Proportionen sind gewöhnlich bestimmend für die Eigenschaften des ausgehärteten Materials und können deshalb demgemäß gewählt werden. Zum Beispiel wird durch Erhöhung der Proportion der Kalziumverbindung eine niedrigere Aktivierung erreicht, wohingegen höhere strukturelle Festigkeiten erhalten werden, wenn der Zementgehalt erhöht wird. Im allgemeinen wird ein Verhältnis von einem bis sechs Volumenteilen der Kalziumverbindung oder der Verbindungen pro Teil Zement bevorzugt.

Die physikalischen Eigenschaften der von den verschiedenen Zusammensetzungen der Erfindung erhaltenen ausgehärteten Produkte wurden bestimmt. Proben wurden unter Verwendung von Zement, Kalkstein und Kalk hoher Qualitäten durch gründliches Mischen der feingemahlenen trockenen Materialien in den angegebenen Proportionen auf Volumenbasis und anschließendes Beimengen von genügend Wasser präpariert, um einen steifen Mörtel, vergleichbar einer normalen Portland-Betonmiachung, herzustellen. Die Mörtel wurden in .Zylinder von 50,8 mm (2 inches) Durchmesser und 101,6 mm

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(4inches) Länge gegossen, um die Druckfestigkeit und die Dichte zu bestimmen. Die Standardform mit einem Hals won

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6,45 cm (1 square inch) Querschnitt ujurde für die Zug— festigkeitsv/ersuche v/eruiendet. Die Messungen wurden auf üblichen Tinius—Olsen—LaboratoriumsvBrsuchsmaschinBn durchgeführt. Die Aushärtzeit betrug etwa 60 Tage bei etwa 21 ⁰C (70 ⁰F). Die Uersuchsergebnisse werden in der folgenden Tabelle I angegeben:

T a b e 1 1 e I

Vergleich der physikalischen Eigenschaften der ausgehärteten Wlörtel»

Probe-I\lr. Zusammensetzung, Trockenbasis Dichte Festigkeit kp/cm'

Zement Kalkstein Kalk

1 1

1 2

1 3

1 0

1 0

D 0 0 1 2

g/cm (psi)

2,07 2,03 1,92 1,67 1,45

Druck-

Zug-

890 (12660) 28 (400) 421 (6000) 20 (287) 230 (3270) 8,1 (116) 360 (5270) 10,7 (151) 205 (2850) 5,8 (83)

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6	2	0	1	1,81
7	1	1	1	1,90
8	1	1	2	1 ,69
9	1	2	1	1,98
10	2	1	1	1,93

478 (6800) 11,9 (169)

499 (7100) 12,7 (181)

250 (3580) 8,4 (120)

455 (6470) 13,8 (196)

730 (10400) 16,7 (237)

Zum allgemeinen Vergleich weisen handelsübliche Betons für Bauzwecke Druckfestigkeiten zwischen 141und 352 kp/ cm (2000 und 5000 pounds per square inch) auf. Die Zugfestigkeiten sind nur ein Bruchteil der Druckfestigkeiten gewöhnlich etwa 1/10· Uiie aus dem obigen Ergebnis hervorgeht, sind die ausgehärteten Zusammensetzungen der Erfindung in den strukturellen Festigkeiten ausgezeichnet vergleichbar mit handelsüblichen Betons für Bauzwecke.

Es ist auch ersichtlich, daß Zusammensetzungen, welche Kalkstein als Kalziumverbindung enthalten, bedeutend höhere strukturelle Festigkeiten und höhere Dichten aufweisen als Zusammensetzungen, welche Kalk enthalten. Andererseits besitzt die Kalkmischung einen Vorteil für viele Abschirmzwecke infolge ihres beträchtlich höheren Kalziumgehaltes und deren lilasserstoffgehaltes, wobei der letztere auch beträchtlich zur Abschirmwirkung des Ma-

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terials beiträgt. Deshalb kann die Zusammensetzung der Mischung, wie bereits angegeben, über einen beträchtlichen Bereich variiert werden, um den Merkmalen und Notwendigkeiten des einzelnen Strahlungsabschirmerfordernisses zu begegnen·

Eine Materialprobe der vorliegenden Erfindung, die aus zwei Teilen von feingemahlenem Kalkstein und einem Teil weißem Zement in trockener Pulverform gestampft, wurde mit einem reinen Protonenstrahl von 600 HiIeU, 10 Protonen/cm -see. für einen Zeitraum von 4 Stunden bestrahlt. Es wurde festgestellt, daß die Gammaaktivierung der Probe gemessen durch verschiedne Energiebereiche, durchschnittlich etwas mehr als halb so viel betrug, wie jene einer trockenen Zement—Sandmischung und nur etwa 1/3 so viel wie Aluminium, welches gleichermaßen bestrahlt wurde.

Es wurde auch festgestellt, daß die Abschirmwirksamkeit der Probe etwa dieselbe ist, wie jene von massivem Marmor.

lUährend im allgemeinen die Hauptverwendüng der Zusammen setzung der vorliegenden Erfindung das überziehen von

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Flächen ist, welche absatzweise Strahlung von hoher Energie ausgesetzt werden» können sie auch in vielen anderen Anwendungen benutzt werden, besonders in Fällen, wo eine niedrige Grundbestrahlung erwünscht ist.

U/ie bekannt, besteht eine Grundstrahlung überall, vorwiegend von der Sonne, dem Kosmos, den radioaktiven Iso— topen in der Erde undYradioaktiven Niederschlag und anderen industriellen Einwirkungen«

Die Zusammensetzungen der Erfindung sind infolge ihrer Abschirmwirksamkeit und ihrer niedrigen Eigenstrahlung sehr gut für den Bau von Räumen mit niedriger Grund— strahlung geeignet. Solche Räume werden zunehrrtfiend in Krankenhäusern und bei großen Kernforschungslaboratorien für die Untersuchung von Personen benötigt,die in Strahlungsunfälle verwickelt waren. Strahlen mit niedriger Strahlungszahl und Blei sind gewöhnlich für solche Objekte verwendet worden, jedoch die hohen Kosten dieser Materialien als auch die hohen Kosten der mit dem Einbau derselben verbundenen Arbeit sind ein beträchtlicher wirtschaftlicher Nachteil gewesen.

Ähnliche Räume mit niedriger Grundstrahlung werden in

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missenschaftlicherij medizinischen und industriellen Forschungslaboratojcien und in Ausbildungainstitutionen für die genaue messung von Eigenstrahlungen für Materialien und biologischen Proben und von Aktivierung durch Bestrahlung der Proben benötigt·

Die Zusammensetzungen der Erfindung sind infolge der niedrigen eigenen Grundstrahlung, der mäßigen Kosten und der Leichtigkeit beim Einbau außerordentlich gut für den Bau solcher Räume geeignet.

Die Erfindung ist in weiterer Hinsicht nicht auf die dargestellten und beschriebenen speziellen Zusammensetzungen, Verfahren und Uerfahrensstufen begrenzt, sondern es können innerhalb des Bereiches der begleitenden Ansprüche Abweichungen gemacht werden, ohne von den Prinzipien der Erfindung abzuweichen und ohne auf ihre Hauptvorteile zu verzij/chten.

Zum Beispiel kann es in bestimmten, besonderen Anwendungen erwünscht sein, in die beanspruchten Zusammensetzungen ein oder mehrere zusätzliche bekannte Abschirmungsmaterialien in zerkleinerter Form einzubringen, um dem aus-

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gehärteten Produkt bestimmte zusätzliche erwünschte Abschirmungseigenechaften zu verleihen·

Patentansprüche

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Claims (13)

1. Patentansprüche

   VJ »JStrahlungsschutz-Zusammensetzung, dadurch g θ k θ η η ζ e i c h η e t , daß gie im wesentlichen aus einer Kalziumverbindung besteht, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, die bus Kalziumkarbonat, Kalziumoxyd, KalzAumhydroxyd und (mischungen davon besteht und gleichmäßig in einem anorganischen Zementgrund dispergiert ist.
2. 2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Volumenverhältnis von Kalziumverbindung zu Zement von 1:1 bis 6:1 beträgt.
3. 3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Zement Kalzium, berechnet als CaO, in einer Menge von über etwa. 64,EjGeluichtsprozent enthält.
4. 4. Zusammensetzung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Zement weniger als etwa 2,5JGewichtsprozent van Verbindungen von Elementen enthält, die Atomnummern von höher als 20 auf-

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   weisen und dass der Zement weniger als etuia 0,5JGewichts· prozent Natriumverbindungen, berechnet als deren Oxyde, enthält.
5. 5. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kalziumverbindungen in der Form von feinzerteiltem schüttbaren, zerkleinerten Materialien zugesetzt werden, welche; ein Sieb der Größe 40 durchlaufen«
6. 6. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalziumverbindungen in der Form einer groben Masse zugesetzt werden.
7. 7. Strahlungsschutz-Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus einer Kalziumverbindung besteht, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, die im wesentlichen aus reinem Kalkstein, Kalk, gelösdtem Kalk und (mischungen davon besteht und gleichmäßig in einem anorganischen Zementgrund dispergiert ist, wobei das l/olumenverhältnis der Kalziumverbindung zum Zement von 1:1 bis 6:1 beträgt.

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8. 8. Zusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch g θ k θ η η ζ θ ich η β t , daß der Zement über 64,5JGeuiichtsprozBnt Kalzium, weniger als etua 2,£|Gewichtspxozent Verbindungen von Elementen mit Atomnummern höher als 20 und weniger als etwa 0, E^Gewichtsprozent Natriumverbindungen, berechnet als deren Oxyde, enthält,
9. 9. Zusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalziumverbindungen in der Form von feinverteilteii. schüttbaren zerkleinerten Materialien zugesetzt werden, welche ein Sieb der Größe 40 durchlaufen.
10. 10. Zusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalziumverbindungen in Form einer groben Masse zugesetzt werden.
11. 11. Trockene, schüttbare Zusammensetzung, die geeignet ist^mit Wasser gemischt zu werden^und die das Herstellen einer Strahlungs-Abschirmungsstruktur von vorherbestimmter Form erlaubt, dadurch g e k e η η ζ e i c h net , daß die Zusammensetzung im wesentlichen aus einer Kalziumverbindung besteht, welche aus der Gruppe

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    ausgewählt ist, die im wesentlichen aus reinem Kalkstein, Kalk, gelöschtem Kalk und mischungen davon besteht und gleichmäßig in einem anorganischen Zementgrund dispergiert ist, wobei das Volumenverhältnis der Kalziumverbindung zum Zement von 1:1 bis 6:1 beträgt.
12. 12· Zusammensetzung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Zement über 64,SJGeiuichtsprozent Kalzium, weniger als etwa 2,^Gewichtsprozent Verbindungen von Elementen mit Atomnummern höher als 20 und weniger als etwa Q,5jGewichtsprozent Natriumverbindungen, berechnet als deren Oxyde, enthält.
13. 13. Zusammensetzung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaliumverbindungen in der Form von feinverteilten, achÜttbaran, zerkleinerten materialien zugeführt werden, weiche ein Sieb der Größe 40 durchlaufen·

    14· Zusammensetzung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dia Kalziumverbindungen in der Form einer groben Masse zugeführt werden.

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