Существует несколько способов защиты от радиации (ионизирующего излучения): необходимо сокращать длительность облучения, увеличивать расстояние до источника радиации, а также использовать радиационно-защитные экраны. В настоящее время много исследований посвящено созданию таких радиационно-защитных и радиационно-стойких экранов [2, 9, 25, 32].
Они могут быть изготовлены из одного материала, однако применение различных композиционных материалов, которые включают в себя несколько компонентов, позволяет создавать экраны, обладающие наибольшей радиационной стойкостью [1, 13, 20, 21]. Известно, что свойствами композитов можно управлять, изменяя их состав и условия получения, так, например, можно просто увеличивать или уменьшать долю компонентов [5, 22, 23, 31], что позволяет создавать материалы с заданными свойствами для определенной цели.
Обычно используют комбинацию нескольких материалов, поскольку трудно подобрать универсальный материал для всех видов излучения. Так, например, в космосе действуют такие излучения, как электроны, протоны, вакуумный ультрафиолет и др. Соответственно для защиты от каждого из них требуется свой подход. Для защиты от вакуумного ультрафиолета необходимо использовать фотостойкие материалы, особенно если необходимо защитить полимер [3, 4, 16–18, 26]. Для защиты от электронов лучше использовать элементы с малой атомной массой [10, 14, 15, 19, 28]. Кроме того, в космосе еще необходимо защищаться от набегающего потока различных частиц, в особенности от атомарного кислорода. Существует ряд исследований, посвященных этой проблеме [12, 29].
На Земле же необходимо защищаться от других видов излучения. Для создания биологической защиты на атомных электростанциях необходимо создавать защиту от нейтронного излучения. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии и состава атомов вещества, с которыми они взаимодействуют. Слой половинного ослабления лёгких материалов для нейтронного излучения в несколько раз меньше, чем для тяжёлых. Тяжёлые материалы, например металлы, хуже ослабляют нейтронное излучение, чем гамма-излучение. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы [6, 7, 11, 30]. Обычно применяют воду, парафин, полиэтилен. Кроме того, нейтронное излучение хорошо поглощается бором, бериллием, кадмием, графитом [8, 24, 27].
Для защиты от нейтронов применяют бетонные конструкции, а задача проектировщиков состоит в правильном выборе толщины и состава бетонной защиты, которая могла бы обеспечить ослабление потоков ионизирующих излучений до безопасного уровня при минимальных затратах на сооружение реакторной установки.
В данной работе рассмотрена возможность применения нанотрубчатых волокон хризотила для синтеза радиационно-защитных бетонов.
Цель исследования
Изучить возможность создания волокнистых материалов из волокон хризотила и радиационно-защитных бетонов с их использованием, обладающих высокой стойкостью к нейтронному облучению.
Материалы и методы исследования
При синтезе волокон хризотила использовали добавки с содержанием кристаллизационной воды, в частности, буру (Na2B4O7∙10Н2О) и кристаллогидрат двухвалентного железа (FeSO4∙7Н2О – железный купорос), а для поглощения тепловых нейтронов – борсодержащие соединения, в частности, борную кислоту.
Для получения радиационно-защитного бетона в качестве вяжущего использовали глиноземистый цемент марки ГЦ 50, в качестве заполнителя – чугунную дробь (ρ = 7400 кг/м3) и разработанные синтезированные нанотрубчатые волокна хризотила. Для сокращения В/Ц применялись специальные модифицирующие добавки.
Результаты исследования и их обсуждение
Волокнистые кристаллы получены из шихты, состоящей из исходных компонентов в соотношении MgO:SiO2:B2O3 = 2,4:0,1:1,5, при давлении 9,81∙106 Па и температуре 423 K. При этой температуре для завершения процесса серпентинизации требуется трое суток, ввиду того что растворимость кремнезёма очень мала. Транспортирующим агентом для кремнезёма в гидротермальных условиях служат как вода, так и пар, следовательно, чем больше воды в реакционном объёме автоклава при данной температуре, тем больше в ней растворено кремнезёма, но увеличение количества воды приводит к увеличению давления. При увеличении температуры реакции до 573 К (давление 9,81∙106 Па) реакция завершается за два часа.
Физико-механические свойства разработанного бетона представлены в таблице. Содержание связанной воды после сушки (Т = 110 °С) – 2,3 %, после нагрева до рабочей температуры эксплуатации – 1,1 %.
Исследованы нейтронно-защитные свойства бетонного композита, наполненного нанотрубчатыми хризотиловыми волокнами.
На рисунке приведены экспериментальные функции ослабления плотности потоков тепловых и быстрых нейтронов в радиационно-защитном бетоне.
Плотность потока быстрых нейтронов уменьшается по экспоненциальному закону с длиной релаксации λ = (9,3 ± 0,2) см.
Физико-механические свойства радиационно-защитного бетона
|
№ п/п |
Параметр |
Значение |
|
1 |
Средняя плотность бетона, ρ, кг/м3 |
5200 |
|
2 |
Предел прочности при сжатии, МПа |
65 |
|
3 |
Предел прочности при изгибе, МПа |
11 |
|
4 |
Рабочая температура эксплуатации, °С |
750 |
|
5 |
Максимальная температура эксплуатации, °С |
1150 |
|
6 |
Содержание кристаллизационной воды после нагрева до рабочей температуры эксплуатации, % |
1,1 |
Функции распределения плотности потоков тепловых (1) и быстрых (2) нейтронов в разработанном радиационно-защитном бетоне
Плотность потока тепловых нейтронов в первых слоях (~ до 12 см) материала изменяется более резко по сравнению с быстрыми нейтронами. При толщине защиты более 12 см ослабление плотности потока тепловых нейтронов происходит одинаково с быстрыми нейтронами с длиной релаксации λт.н. = (8,3 ± 0,2) см, т.е. в материале не происходит накопление тепловых и промежуточных нейтронов.
Таким образом, на основании проведенных исследований установлена возможность получения бетонного композиционного материала, обладающего высокими термическими и нейтронно-защитными свойствами в сравнении с обычным тяжелым бетоном. Бетоны и растворы на основе разработанного нанотрубчатого хризотилового наполнителя способны без существенного ухудшения строительно-технических свойств выдерживать длительное действие радиации с интегральным потоком нейтронов до 5⋅1024 н/м2 при рабочих температурах до 750 °С. При локальных перегревах такие бетоны будут устойчивы до 1150 °С, хотя и потеряют до 35 % исходной прочности.
Заключение
В ходе проведенных исследований был разработан способ получения термостойкого нанотрубчатого наполнителя с высокой способностью замедления нейтронов.
Полученный нанотрубчатый наполнитель на основе хризотила может быть рекомендован для получения термостойких бетонов с повышенными нейтронно-защитными свойствами. Благодаря высокой температуре эксплуатации бетона (до 750 °С), и максимальных локальных перегревах до 1150 °С, полученный жаростойкий бетон может эффективно применяться при конструировании биологической защиты атомных реакторов.
Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K.