Выбор эффективных химических элементов, составов и основные принципы создания радиационно-защитных материалов
|
Выбор химических элементов. Практика эксплуатации особо тяжелых и гидратных бетонов показывает, что эффективность таких материалов определяется сочетанием легких, средних и тяжелых элементов. При выборе таких элементов необходимо учитывать как их защитные характеристики, так и доступность (объем добычи). Одним из возможных обобщенных критериев выбора химических элементов для радиационно-защитных материалов является:  где μγ — коэффициент ослабления гамма-излучения; Σб — коэффициент выведения быстрых нейтронов; Σт — коэффициент выведения тепловых нейтронов; Vд — объем добычи элемента; αi — коэффициенты весомости; индексы «i» и «э», соответственно, относятся к выбираемому и эталонному элементам. Базами данных могут служить геологические сведения и физические свойства элементов, например приведенные в источниках. Для расчета по выражению (1) эталонными элементами выбраны: плутоний (при энергии гамма-излучения 0,5 МэВ — μγ = 82,2 см-1; при энергии 1,0 МэВ — μγ = 32,4 см-1; при энергии 2,0 МэВ — μγ = 19,6 см-1), гадолиний (Σт = 49000 барн) и водород (Σб = 0,344 см-1). Анализ расчетных данных (рис. 10) показывает, что значения критерия эффективности имеют существенный разброс: большинство элементов имеют значение kef ≤ 0,0001. Только 20 элементов обладают достаточно высокими значениями kef (табл. 8).  Также следует отметить, что распределение элементов по атомной массе соответствует основным положениям космохимии: наибольшее количество химических элементов относится к легким и средним элементам.  Анализ справочных данных (рис. 11) показывает, что радиационно-защитные свойства химических элементов для каждого вида излучения (кроме тепловых нейтронов) изменяются в зависимости от заряда ядра атома: с его увеличением эффективность защиты от гамма-излучения возрастает, а коэффициент выведения быстрых нейтронов уменьшается. Это вызывает естественные сложности при определении химического состава защитного композита. При использовании критерия вида  эффективными элементами для защиты от ионизирующего излучения являются: водород, свинец и кремний. При использовании критерия вида  эффективные элементы — кремний, хлор и марганец.  Очевидно, что на основе только указанных элементов синтезировать защитный композит с высокими показателями эксплуатационных свойств затруднительно. Определение химического состава композита. Учитывая аддитивное влияние каждого элемента на величину защитных характеристик логично предположить, что идеальный защитный материал должен содержать водород, кремнии и свинец в равных количествах. Установление рецептурных ограничений на содержание отдельных указанных химических элементов приводит к пропорциональному увеличению содержания оставшихся эффективных элементов. Отсюда очевидно, что остальные химические элементы (кроме водорода, кремния и свинца) в композите будут содержаться в микроколичествах, выполняя при этом функции легирующих элементов, модификаторов и т.д. Важным свойством, определяющим эффективность материала, является однородность состава, обеспечивающаяся равномерным распределением компонентов в объеме композита. Рациональным способом однородного распределения элементов, содержащихся в микроколичествах, является их размещение на высокоразвитой границе раздела фаз. Указанное предполагает целесообразность увеличения дисперсности специальных наполнителей и (или) предварительную обработку их поверхности и синтез наноструктур. Одним из вяжущих веществ, содержащих эффективные элементы (например, водород и кремний), традиционно применяемых в строительной индустрии, а также для изготовления радиационно-защитных бетонов является жидкое стекло. Его химический состав определяет содержание натрия, кремния, кислорода и водорода в композите. Учитывая указанное и используя формулы для расчета защитных характеристик ослабления излучения:  где Pi — содержание элемента; (μ/ρ)i — массовый коэффициент ослабления гамма-излучения химическим элементом; ρk — средняя плотность композита, вычислены составы жидкостекольных композитов, имеющие максимальные значения обобщенного критерия эффективности ослабления:  Значения kef зависят от количества жидкого стекла в композите Pw (5...50 %) и его силикатного модуля MSi (1...15). Значения αi в выражении (2) определяют вид излучения, а также его весомость в общем спектре потока ионизирующего излучения. Уравнения kef = f(Pw, MSi) в зависимости от значения αi (αi ∈ I[0;0,5]) приведены в табл. 9, а составы некоторых жидкостекольных композитов и их защитные характеристики — в табл. 10.   Анализ табл. 10 показывает, что обеспечить высокую эффективность защиты от ионизирующего излучения можно формированием многослойной конструкции, в которой каждый слой имеет высокие защитные характеристики к определенному виду излучения при незначительном изменении рецептуры слоя. Анализ полученных данных позволяет сформулировать принципы создания радиационно-защитных материалов: 1. Химический и фазовый составы материала должны быть эффективными и определяться фактическими материально-технической и ресурсной базами. 2. Фазовый состав должен обеспечивать получение композита с заданными показателями качества (совокупностью эксплуатационных свойств). 3. Распределение химических элементов по объему радиационно-защитного материала (как в микро-, так и в макрообъеме) должно быть однородным. 4. Размещение химических элементов, содержащихся в микроколичествах, должно осуществляться на границах раздела фаз. 5. Формирование структуры материала с минимальными внутренними напряжениями должно осуществляться путем уменьшения размеров частиц дисперсной фазы. 6. Применение многокомпонентных дисперсных фаз нецелесообразно вследствие существенного снижения устойчивости технологического процесса изготовления материала (воспроизводимости технологии). 7. Эффективность радиационной защиты повышается при использовании многослойных композитных материалов, в которых индивидуальные слои эффективно поглощают только определенный вид излучения. При этом изделие должно работать как монолитный материал. |
