Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОТРУБЧАТЫХ СТРУКТУР ДЛЯ СИНТЕЗА РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ

Ястребинский Р.Н. 1 Павленко В.И. 1 Демченко О.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Рассмотрены различные способы защиты от радиации (ионизирующего излучения). Показаны способы и материалы для защиты от радиации в космосе и на атомных электростанциях. В данной работе представлена возможность использования нанотрубчатых структур для синтеза радиационно-защитных экранов. В качестве нанотрубчатых структур использовали волокна хризотила. При синтезе волокон хризотила использовали добавки с содержанием кристаллизационной воды, в частности, буру и кристаллогидрат двухвалентного железа, а для поглощения тепловых нейтронов – борсодержащие соединения, в частности, борную кислоту. Установлена возможность получения бетонного композиционного материала, обладающего высокими термическими и нейтронно-защитными свойствами в сравнении с обычным тяжелым бетоном на основе волокон хризотила. 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.
нанотрубки
хризотил
радиационная защита
нейтронная защита
бетоны
растворы
1. Матюхин П.В. Жаропрочный радиационно-защитный композиционный материал конструкционного назначения / П.В. Матюхин, В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина, В.А. Дороганов, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 10. – С. 32–36.
2. Матюхин П.В. Термостойкие радиационно-защитные композиционные материалы, эксплуатируемые при высоких температурах / П.В. Матюхин, В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, В.А. Дороганов, Н.И. Черкашина, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 7–8. – С. 23–25.
3. Павленко В.И. Влияние вакуумного ультрафиолета на микро- и наноструктуру поверхности модифицированных полистирольных композитов / В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Перспективные материалы. – 2013. – № 3. – С. 14–19.
4. Павленко В.И. Влияние вакуумного ультрафиолета на поверхностные свойства высоконаполненных композитов / В.И. Павленко, В.Т. Заболотный, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Физика и химия обработки материалов. – 2013. – № 2. – С. 19–24.
5. Павленко В.И. Влияние содержания кремнийорганического наполнителя на физико-механические и поверхностные свойства полимерных композитов / В.И. Павленко, Н.И. Черкашина, В.В. Сухорослова, Ю.М. Бондаренко // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – С. 95.
6. Павленко В.И. Дефектность кристаллов модифицированного гидрида титана, подвергнутого термической обработке / В.И. Павленко, О.В. Куприева, Н.И. Черкашина, Р.Н. Ястребинский // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2015. – Т. 58. № 5. – С. 125–129.
7. Павленко В.И. Изучение коэффициентов ослабления фотонного и нейтронного пучков при прохождении через гидрид титана / В.И. Павленко, О.Д. Едаменко, Н.И. Черкашина, О.В. Куприева, А.В. Носков // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2015. – № 6. – С. 21.
8. Павленко В.И. Модифицирование поверхности гидрида титана боросиликатом натрия / В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, О.В. Куприева, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2014. – № 6. – С. 19–24.
9. Павленко В.И. Радиационно-защитный композиционный материал на основе полистирольной матрицы / В.И. Павленко, О.Д. Едаменко, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 3. – С. 113–116.
10. Павленко В.И. Расчет ионизационных и радиационных энергетических потерь быстрых электронов в полистирольном композите / В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2015. – № 8. – С. 5–11.
11. Павленко В.И. Повышение эффективности антикоррозионной обработки ядерного энергетического оборудования путем пассивации в алюминийсодержащих растворах / В.И. Павленко, В.В. Прозоров, Л.Л. Лебедев, Ю.И. Слепоконь, Н.И. Черкашина // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2013. – Т. 56. № 4. – С. 67–70.
12. Павленко В.И. Экспериментальное и физико-математическое моделирование воздействия набегающего потока атомарного кислорода на высоконаполненные полимерные композиты / В.И. Павленко, Л.С. Новиков, Г.Г. Бондаренко, В.Н. Черник, А.И. Гайдар, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Перспективные материалы. – 2012. – № 4. – С. 92–98.
13. Павленко В.И. Эффективный способ получения термостойкого кристаллического нанопорошка вольфрамата свинца для жаростойких радиационно-защитных материалов / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, В.А. Дороганов, И.В. Соколенко, Н.И. Черкашина, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 7–8. – С. 32–36.
14. Павленко В.И. Явления электризации диэлектрического полимерного композита под действием потока высокоэнергетических протонов / В.И. Павленко, А.И. Акишин, О.Д. Едаменко, Р.Н. Ястребинский, Д.Г. Тарасов, Н.И. Черкашина // Известия Самарского научного центра РАН. – 2010. – Т. 12. № 4–3. – С. 677–681.
15. Павленко В.И. Суммарные потери энергии релятивистского электрона при прохождении через полимерный композиционный материал / Павленко В.И., Едаменко О.Д., Черкашина Н.И., Носков А.В. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2014. – № 4. – С. 101–106.
16. Черкашина Н.И. Воздействие вакуумного ультрафиолета и кислородной плазмы на структуру и устойчивость полистирольного композита с органосилоксановым наполнителем: диссертация ... кандидата технических наук. – Белгород, 2013.
17. Черкашина Н.И. Исследование влияния вакуумного ультрафиолета на морфологию поверхности нанонаполненных полимерных композиционных материалов в условиях, приближённых к условиям околоземного космического пространства / Черкашина Н.И., Павленко В.И., Едаменко А.С., Матюхин П.В. // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – С. 130.
18. Черкашина Н.И. Воздействие вакуумного ультрафиолета на полимерные нанокомпозиты // Инновационные материалы и технологии (ХХ научные чтения): Материалы Межд. научно-практич. конференции. – 2010. – С. 246–249.
19. Черкашина Н.И. Моделирование воздействия космического излучения на полимерные композиты с применением программного комплекса GEANT4 // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3. – С. 122.
20. Черкашина Н.И. Перспективы создания радиационно-защитных полимерных композитов для космической техники в Белгородской области / Н.И. Черкашина В.И. Павленко / Белгородская область: прошлое, настоящее, будущее. Материалы областной научно-практической конференции в 3-х частях. – 2011. – С. 192–196.
21. Черкашина Н.И. Разработка наноструктурированных вяжущих на основе местного сырья Белгородской области для штукатурных растворов// В сборнике: Материалы I Международной научно-практической конференции «Проблемы строительного производства и управления недвижимостью». – Кемерово, 2010. – С. 67–70.
22. Черкашина Н.И. Синтез высокодисперсного гидрофобного наполнителя для полимерных матриц / Н.И. Черкашина, А.А. Карнаухов, А.В. Бурков, В.В. Сухорослова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 6. – С. 156–159.
23. Ястребинский Р.Н. Модифицированные железооксидные системы – эффективные сорбенты радионуклидов / Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, А.В. Ястребинская, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2013. – № 5. – С. 39–43.
24. Ястребинский Р.Н. Структурно-фазовая характеристика боросиликатного покрытия // Р.Н. Ястребинский, О.В. Куприева, Н.И. Черкашина // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2014. – Т. 57. – № 9. – С. 20–23.
25. Matyukhin P.V. The high-energy radiation effect on the modified iron-containing composite material / P.V. Matyukhin, V.I Pavlenko, R.N. Yastrebinsky, N.I. Cherkashina // Middle East Journal of Scientific Research. – 2013. – Т. 17. № 9. – Р. 1343–1349.
26. Pavlenko V.I. Effect of vacuum ultraviolet on the surface properties of high-filled polymer composites / V.I. Pavlenko, N.I. Cherkashina, O.D. Edamenko, V.T. Zabolotny // Inorganic Materials: Applied Research. – 2014. – Т. 5. № 3. – Р. 219–223.
27. Pavlenko V.I. Modification of titanium hydride surface with sodium borosilicate / V.I. Pavlenko, O.V. Kuprieva, R.N. Yastrebinskii,N.I. Cherkashina, G.G. Bondarenko/ Inorganic Materials: Applied Research. – 2014. – Т. 5. № 5. – Р. 494–497.
28. Pavlenko V.I. Total energy losses of relativistic electrons passing through a polymer composite / V.I. Pavlenko, O.D. Edamenko, N.I. Cherkashina, A.V. Noskov // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2014. – Т. 8. № 2. – Р. 398–403.
29. Pavlenko V.I. Using the high-dispersity [alpha]-Al2O3 as a filler for polymer matrices, resistant against the atomic oxygen / V.I. Pavlenko, N.I. Cherkashina, A.V. Yastrebinskaya, P.V. Matyukhin.,O.V. Kuprieva // World Applied Sciences Journal. – 2013. – Т. 25. № 12. – Р. 1740–1746.
30. Pavlenko V.I. Study of the attenuation coefficients of photon and neutron beams passing through titanium hydride / V.I. Pavlenko, O.D. Edamenko, N.I. Cherkashina, O.V. Kuprieva, A.V. Noskov // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2015. – Т. 9. № 3. – Р. 546–549.
31. Slyusar’ O.A. Effect of additives on dispersed system structure formation / O.A. Slyusar’, R.N. Yastrebinskii, N.I. Cherkashina, V.A. Doroganov, A.V. Yastrebinskaya // Refractories and Industrial Ceramics. – 2015.
32. Yastrebinsky R.N. Modifying the surface of iron-oxide minerals with organic and inorganic modifiers/ R.N. Yastrebinsky, V.I. Pavlenko, P.V. Matukhin, N.I. Cherkashina, O.V. Kuprieva // Middle East Journal of Scientific Research. – 2013. – Т. 18. № 10. – Р. 1455–1462.

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.


Библиографическая ссылка

Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Демченко О.В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОТРУБЧАТЫХ СТРУКТУР ДЛЯ СИНТЕЗА РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 10. – С. 52-55;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35650 (дата обращения: 15.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074