Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

USING NANO TUBE STRUCTURE FOR SYNTHESIZING RADIATION-PROTECTIVE SCREENS

Yastrebinsky R.N. 1 Pavlenko V.I. 1 Demchenko O.V. 1
1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
2564 KB
Various methods of radiation protection (ionizing radiation). Showing methods and materials for protection against radiation in space and in nuclear power plants. This paper presents the possibility of using nanotube structures for the synthesis of radiation-shielding. As the nanotube structures used chrysotile fibers. In the synthesis of the chrysotile fibers with the additive used crystal-water content, particularly borax and hydrated ferrous iron, and for the absorption of thermal neutrons – boron compounds, particularly boric acid. The possibility of obtaining a concrete composite material, with high thermal and neutron shielding properties compared to conventional heavy concrete on the basis of chrysotile fibers. Concrete and solutions developed on the basis of chrysotile nanotube filler capable without a significant reduction of construction and technical properties to withstand long-term effect of radiation with the integral neutron flux to 5⋅1024 N / m2 at operating temperatures up to 750 °C. When local overheating of such concrete are stable up to 1150 °C, although it will lose up to 35 % of the original strength.
nanotubes
chrysotile
radiation protection
neutron shielding
concrete
solution

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

jstr1.wmf

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.