Радиационно-защитный магнезиальный матери Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© В.А Тюльнин, Д.В. Тюльнин, 2011

УДК 621.315:539.16

В.А. Тюльнин, Д.В. Тюльнин

РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЙ МАГНЕЗИАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ

Предложен новый композиционный материал на основе магнезиального вяжущего, обладающий высокими радиационно-защитными, прочностными и водостойкими характеристикам с использованием простой (не требующей термических воздействий) и экологически чистой технологии.

Ключевые слова: материаловедение, водопоглощение, смола, полиэтилен-полиамин, каустический магнезит.

Создание специальных материалов, обладающих хорошими поглощающимися свойствами, обеспечивающими биологическую защиту от ионизирующих излучений электронного и корпускулярного характера, является ключевой проблемой радиационного материаловедения. Эта проблема в настоящее время, в связи с бурным развитием ядерной энергетики, особенно актуальна.

Пути диссипации энергии излучений, механизм ослабления и экранирующего действия различных материалов в достаточной мере уже изучены. Из ионизирующих излучений у — радиации обладает наиболее высокой проникающей способностью и взаимодействие у -квантов с веществом сложнее, чем при взаимодействии корпускулярного излучения. К потерям энергии у -излуче-ния приводят процессы, связанные с фотоэффектом, комптоновским рассеянием вторичных электронов в веществе и образованием электрон-позитронных пар. Экспериментальные данные свидетельствуют, что потеря энергии у -квантов в веществе описывается экспоненциальной зависимостью:

Пе = По в-*-в ,

где Пв — число у -квантов, прошедших через поглотитель; П0 — начальное число подающих квантов; ц — линейный коэффициент ослабления излучения.

Экспоненциальная зависимость ослабления предполагает отсутствие конечного пробега у -излучения в веществе, поэтому проникающую способность излучения характеризуют толщиной слоя половинного ослабления или коэффициентом ослабления ц. Коэффициент ц можно представить как сумму коэффициентов фотоэлектронного поглощения (х), комптоновского рассеяния (8) и образования электрон-позитронных пар (% ):

ц, = х + 8 + %.

Г амма-излучение наиболее сильно поглощается материалами, содержащими элементы с большими атомами массами (свинец, вольфрам, марганец, железо и д.р.). Так, например, в «горячих» лабораториях широко используются высокосвинцовые неорганические стекла (тяжелые флинты). Однако, по конструктивным, экономическим и техно-

логическим соображениям для защиты от ионизирующих излучений наибольшее распространение получили вяжущие композиционные материалы, в которых тяжелые металлы или их соединения играют роль заполнителей, а основную функциональную нагрузку несёт вяжущее вещество. Вяжущее вещество определяет механическую прочность, водо-морозостойкость и основные технологические параметры композиции. В настоящее время созданы радиационно-защитные материалы на основе цементного вяжущего (тяжелые бетоны) [1], полимерного (полимербетоны) [2], на основе серы [3], тетрабората натрия [4] и высокоплотных мастик. Каждый из перечисленных защитных композитов имеет свои преимущества и недостатки. Так, например, цементные тяжелые бетоны отличаются простотой технологии и экономичностью, но при высокой массовой доле тяжелого наполнителя в композиции они имеют низкую механическую прочность, особенно предельную прочность при изгибе и растяжении. Кроме того, бетоны на цементной основе имеют достаточно высокую величину водопоглощения (w^6 %). Высокими прочностными свойствами и хорошими радиационнозащитными характеристиками обладают полимербетоны. Однако, в качестве связующего в них используется смола, полиэтилен-полиамин и модифицирующая добавка в виде лака, а технология получения бетона предусматривает экологически неблагоприятный процесс нагревания. Кроме того известно, что под действием ионизирующих излучений происходит деструкция полимеров вследствие образования в них активных частиц свободнорадикального типа. Процессы терморадиационного разрушения полимеров особенно ускоряется при интенсивном облучении.

Радиационно-защитный композит на основе серного вяжущего имеет хорошие радиационно-защитные свойства (ц = 0.490—0.495см-1) и высокую прочность при сжатии (33,3 МПа), но трещинонеустойчив и имеет низкую прочность при изгибе. Технология получения включает этапы раздельного нагревания компонентов в расплавленной сере, что является химически вредным производством.

Композиция с использованием в качестве связующего тетрабората натрия (совместно с цементом) имеет высокую механическую прочность, как при сжатии (54 МПа), так и при изгибе (13 МПа), но коэффициент линейного ослабления композиции достаточно низкий

(ц = 0,163 - 0,169 п! -1). Технология получения материала малопривлекательна, поскольку включает этапы прессования, длительного обжига и дополнительной термообработки.

Авторами настоящей работы создан композиционный материал на основе магнезиального вяжущего, обладающий высокими радиационно-защитными, прочностными и водостойкими характеристикам с использованием простой (не требующей термических воздействий) и экологически чистой технологии.

Для обеспечения высокого коэффициента линейного ослабления ионизирующего излучения в качестве наполнителя композиционного материала использована чугунная дробь диаметром 1.0—1.5 мм, а в качестве заполнителя — свинцовая дробь лиаметром 3 мм.

Важнейшие характеристики материала представлены в таблице.

Магнезиальное вяжущее, состоящее из каустического магнезита и солевого компонента в виде водного раствора хлористого магния, нами модифицировано добавками хлорида трехвалентного ме-

Таблица

Технические характеристики магнезиальной радиационно-защитной композиции

Коэффициент линейного ослабления* гамма излучения ц , см-1 0,525-0,530

Механическая прочность, МПа При сжатии 43,7

При изгибе 14,2

При растяжении 7,8

Водопоглощение по массе, % 0,08

Коэффициент водостойкости (Кв)** 1

Морозостойкость F200

Примечание. * ц определялся при энергии гамма-квантов Е = 1,25МэВ;

**Кв определялся как отношение прочности образцов, насыщенных водой в течение 30 суток, к

их прочности при полном отверждении на воздухе (28 сут.)

талла и смесью триглицеридов жирных кислот. Модифицирующие добавки препятствовали проникновению воды в магнезиальную массу вещества, обеспечивая высокую водо- и морозостойкость материала.

Технология получения композиционного материала включает следующие операции.

Вначале дозированная смесь порошкообразного каустического магнезита и модифицирующих добавок перешивается в смесителе с водным раствором хлористого магния до образования вяжущей массы. Затем в массу вводится наполнитель в виде чугунной дроби и заполнитель в виде свинцовой дроби заданных диаметров, и перемешивается в течение 10-15 минут. Далее из смесителя масса переносится в подготовленную форму для изготовления изделия той или иной конфигурации. Полученная масса

отвердевает в естественных условиях при комнатной температуре. За 1 сутки масса набирает прочность от 40 до 50 % от максимального значения, а полный набор прочности происходил за 28 суток.

Описанная технология созданного на основе магнезиального вяжущего радиационно-защитного материала предельно проста, экономически рентабельна и отличается от ранее предложенных технических решений экологической чистотой. Отсутствие в технологии дополнительных операций, связанных с термическими воздействиями, прессованием и т.д. позволяет получать из материала изделия сложной формы и массогабаритные конструкции для биологической защиты от воздействия ионизирующих излучений.

------------------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент RU №2029399 по кл. G21F 1/04 1995

2. Патент RU №2119899 по кл. С4В 26/14 1997

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------

Тюльнин В.А., Тюльнин Д.В. — ИГД УрО РАН, direct@igd.uran.ru

3. Патент RU №2294029 по кл. МПК G21F 1/00, C04B 28/36, 2003

4. Патент RU №2285303 по кл. МПК G21F 1/06, 2004. ЕШ