Сінгулярні ефекти в радіаційно-захисних властивостях бетелу-м

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Сінгулярні ефекти в радіаційно-захисних властивостях бетелу-м

В.Р. Сердюк, д.т.н., професор,

О.В. Христич, к.т.н

Проблема забезпечення радіаційної безпеки персоналу, населення і навколишнього середовища, є однією з найважливіших задач, від вирішення яких залежать масштаби практичного використання ядерної енергії в народному господарстві. В загальному комплексі технічних рішень захисту від іонізуючих випромінювань важлива роль відводиться спеціальним матеріалам і конструкціям, здатним послаблювати радіацію.

Світовий досвід будівництва об'єктів ядерної енергетики, сховищ для зберігання радіоактивної сировини та захоронення відходів, будівництва споруд цивільної оборони показує, що найбільш поширеного використання серед спеціальних матеріалів для захисту від радіоактивних випромінювань набули бетони. Завдяки можливості використання у складі цих композиційних матеріалів різноманітних наповнювачів, бетони поєднують і оптимізують в собі широкий спектр механічних, фізичних і спеціальних властивостей. На сьогоднішній день для захисних конструкцій ядерних установок розроблена велика кількість видів і складів бетонів [1].

Найбільш ефективними, з точки зору радіаційного захисту, матеріалами для виготовлення екрануючих конструкцій від нейтронного і фотонного випромінювань є багатошарові металоводні конструкції. Їх виготовляють шляхом розсташування у ємностях наповнених водою пластин сталі або свинцю. Оптимальною концентрацією металу в таких системах є вміст 65-80 мас %. Недоліком таких спеціальних варіотропних конструкцій є їхня висока вартість

Будівельні бетони, як конструкційного призначення так і спеціальні, можна віднести до одного із різновидів композиційних матеріалів. Для таких штучних будівельних матеріалів однією із характерних особливостей є набування ними якісно нових властивостей порівняно із відповідними характеристиками для кожного окремо взятого складового компоненту - так звані сенергетичні ефекти. Експлуатаційні характеристики отриманих нових будівельних матеріалів будуть регламентуватись як кількісними та якісними властивостями складових компонентів, так і варіюванням їхніх рецептурно-технологічних параметрів.

Наповнення матриці-в'яжучого - портландцементу дрібнодисперсним металевим наповнювачем і кварцевим піском, забезпечило отримання нового різновиду спеціальних бетонів - бетон електротехнічний металонасичений (бетел-м). Завдяки хорошій адгезії мінерального в'яжучого і частинок металевого порошку, наявності в складі композиційного матеріалу підвищеної кількості залізовміщуючих гідросилікатів та інших новоутворень цементного каменю з підвищеним вмістом хімічно зв'язаної води, бетел-м може бути представлений як новий композиційний матеріал з широким діапазоном теплофізичних, фізико-механічних, струмопровідних і радіаційно-захисних властивостей.

У фізичному розумінні бетел-м являє собою синтезовану гетерогенну систему, властивості кожного елементу якої різняться між собою. Так наприклад один являється діелектричною зв'язкою, а інший - електропровідною складовою матеріалу. Внаслідок рівномірного розподілу дрібнодисперсного металевого наповнювача в структурі композиту, отриманий матеріал з великими поверхнями розподілу фаз, що і є на мікроскопічному рівні аналогією багатошарових метало-водних екранів.

Взаємопов'язування в структурі дрібнозернистого металонасиченого бетону штучно синтезованих новоутворень (продукти гідратації мінерального в'яжучого і окисленого металевого наповнювача), які містять підвищений вміст водню у вигляді хімічно-зв'язаної води і важких елементів - металу, забезпечуватимуть набування бетелом-м проміжних радіаційно-захисних властивостей поміж металевими і звичайними бетонними екранами [2-3].

Для дослідження впливу рецептурно-технологічних параметрів виготовлення зразків бетелу-м на їхні радіаційно-захисні властивості, використовували плитки-моделі екранів товщиною від 10 до 70 мм різного компонентного складу. Значення кількісних характеристик процесів послаблення іонізуючих випромінювань визначались в лабораторії радіаційної гігієни Українського наукового гігієнічного центру (м. Київ).

Екрануючі властивості зразків (лінійний і масовий коефіцієнти послаблення, товщина шару половинного послаблення випромінювань та коефіцієнт масового захисту) звичайного і металонасиченого дрібнозернистих бетонів досліджувались в умовах геометрії вузького пучка (детектор, розташований за екраном, реєструє лише нерозсіяне випромінювання, спрямоване коліматором). Як джерела іонізуючих випромінювань, використовувались природні радіонукліди (таблиця 1). Вимірювання інтенсивності потоку проникаючої радіації визначались по кількості імпульсів в пікові повного поглинання.

Таблиця 1

Характеристика природних джерел іонізуючих випромінювань

Як обладнання, використовувались: детектор з надчистого германію модифікації 7229 р; аналізатор імпульсів Canberra-35PLUS (виробництва США) свідоцтво перевірки №301572 і гамма-спектрометр з багатоканальним аналізатором "VARRO" SILENA №265 із напівпровідниковим детектором PRGC 3020 №Р140 (свідоцтво №05/98 від 20.03.98).

В результаті проведених досліджень встановлено загальну закономірність зміни радіаційно-захисних властивостей зразків в залежності від їх компонентного складу і фізичних характеристик, яка підпорядковується класичному закону Бугера-Ламберта. Так, в цілому для усіх енергій гамма-випромінювань зміна вмісту металевого наповнювача від 6 до 80 мас %, призводить до зменшення товщини екрану у 1.1-2.2 рази. Використання механічних впливів (вібропресування) під час формування зразків забезпечує підвищення середньої густини композиційного матеріалу на 18-36%, що відповідно і відображається на його екрануючих характеристиках. Для металонасичених зразків простежується зменшення товщини захисту в середньому у 2.6 раз при збільшенні середньої густини зразків від 1800 до 2760 кг/м³. При цьому також слід відмітити, що у вказаних рецептурно-технологічних параметрах змінюється питомий опір зразків бетелу-м в межах від 10⁴ до 10^-1 Омм.

Разом з тим, узагальнюючи отримані результати досліджень кількісних радіаційно-захисних характеристик зразків звичайного і металонасиченого бетонів у спектрі енергій гамма-випромінювань 60, 121, 661 і 1270 кЕв, виявлені дещо аномальні явища зміни екрануючої здатності композиційних матеріалів. Графічна інтерпретація впливу рецептурно-технологічних параметрів на товщину захисного матеріалу зображена на рис. 1.

Рис. 1. Вплив енергії гамма-випромінювань на товщину зразків-моделей захисту:

1 - контрольні цементно-піщані; 2 - з віброущільненого бетелу-м (вміст металевого наповнювача 36-42 мас %); 3 - з пресованого бетелу-м (теж 56-64 мас %); 4 - з вібропресованого бетелу-м (теж 68-76 мас %).

Для дисперсно-наповнених композиційних матеріалів (полімери, кераміка, вироби на основі мінеральних в'яжучих) залежність міцності від об'ємної концентрації частинок заповнювачів в їхньому складі також носить дещо аномальний характер і представлена у вигляді хвилеподібного графіку з чітко вираженими максимумами і мінімумами (рис. 2) [4, 5].

Такі хвилеподібні зміни механічних властивостей композиційних матеріалів мають адитивний характер, не підпорядковуються жодному з математичних законів і називаються ефектами сінгулярності [4, 5].

Рис. 2. Узагальнений хвилеподібний характер залежності міцності дисперсно-наповнених композиційних матеріалів від концентрації наповнювача

технологічний радіаційний захисний бетел

Графік, зображений на рисунку 2, доцільно розглянути топологічно-диференційовано з урахуванням інтервалів наповнення матриці-в'яжучого. З однієї сторони окремі частинки наповнювача в складі композиційного матеріалу при певних надмірних концентраціях призводять до зменшення міцності. З іншої сторони - взаємодія дрібнодисперсних частинок між собою призводить до виникнення кластерів, в яких складові елементи взаємодіють між собою через плівкові прошарки матриці-в'яжучого, що і забезпечує набування композитом тих чи інших механічних характеристик.

Тобто при дефіциті зв'язуючого матричного матеріалу створюються групи частинок, які не змочені в'яжуючим і взаємодіють між собою виключно за рахунок безпосереднього контакту по ювенільним дільницям їхніх поверхонь. Такі “сухі” агрегатовані новоутворення частинок капсулюються в матриці і по суті являються псевдопорами, які зменшують міцність. Вірогідність створення агрегатів, або аналогічних новоутворень залежить від частоти взаємодії частинок наповнювача шляхом прямого контакту.

Приведені на рис. 1 узагальнені результати досліджень радіаційно-захисних властивостей дрібнозернистих бетонів різного компонентного складу в діапазоні енергій гамма-випромінювань від 60 до 1270 кеВ також носять сінгулярний характер. Такі хвилеподібні ефекти зміни товщини шару половинного послаблення енергії гамма-квантів в товщині матеріалу зразка можна пояснити перш за все особливостями формування мікро і макроструктури цементного каменю при його насиченні дисперсним окисленим металевим порошком.

Крім того необхідно також враховувати якісні процеси взаємодії іонізуючих випромінювань різних енергій -квантів з елементами речовини екрану. Так при взаємодії фотонного випромінювання з енергією до 500 кЕв в товщині матеріалу для елементів з великими Z основним процесом є фотоелектричне поглинання (передача енергії електронам). Для елементів речовини з великими і середніми порядковими номерами некогерентне (комптонівське) розсіювання виразно проявляється в діапазоні енергій від 0,5 до 10 МЕв. Ймовірність розсіювання при збільшенні Е зростає пропорційно щільності речовини. Утворення електронно-позитронних пар розпочинається при енергії гамма-випромінювання Е 1,022 МЕв. Тобто коли Е рівна або більша за суму енергії взаємопов'язаної з масою спокою електрона і позитрона. Даний процес має місце при взаємодії -квантів з електричним полем ядра атома. Ймовірність таких взаємодій зростає із збільшенням Е пропорційно Z² поглинаючого матеріалу [6].

За рахунок таких взаємодій радіаційно-захисні властивості матеріалу, лінійних коефіцієнт послаблення, дорівнює сумі лінійних коефіцієнтів, що характеризують кожний процес окремо (1).

(1)

де, - лінійний коефіцієнт фотоелектричного поглинання;

- лінійний коефіцієнт, що характеризує комптон-ефект;

- лінійний коефіцієнт поглинання при утворенні пар.

Таким чином ймовірність впливу того чи іншого процесу взаємодії на величину повного лінійного коефіцієнту послаблення іонізуючого випромінювання залежить від значення енергії -випромінювання і виду поглинаючого елементу. Внаслідок збільшення енергії і зменшення довжини хвилі, проникаюча здатність фотонного випромінювання збільшується.

В практиці радіаційного захисту часто використовуються композиційні матеріали до складу яких входять різноманітні елементи, тому для речовин різного хімічного складу значення масового коефіцієнта може розраховуватись за формулою 2.

_m=µ_m1 · Р₁ + µ_m2 · Р₂ + µ_m3 · Р₃ + . . . + µ_{mn ·} Р_n (2)

де Р - кількість елементу в відносних одиницях маси матеріалу.

Для композиційних матеріалів, до складу яких входять елементи з малими і середніми атомними номерами, для певних енергій гамма-квантів проявляються різні механізми взаємодії випромінювань з елементами речовини поглинаючого матеріалу. Згідно довідникових даних, для елементів з атомними номерами від 4 до 20 в діапазоні енергії гамма-випромінювань до 80 кЕв домінуючим процесом взаємодії є фотоелектричне поглинання, від 80 до 600 кЕв - комптонівське (некогерентне) розсіювання і від 550 та вище - утворення електронно-позитронних пар [6].

Таким чином, враховуючи обгрунтовані якісні характеристики процесів послаблення енергії гамма-квантів під час взаємодії із складовими елементами структури композиційних матеріалів, можна зробити висновок, що для кожного із енергетичних спектрів фотонних випромінювань проявляються різні механізми взаємодії.

Кількісною характеристикою таких взаємодій є середній або ефективний порядковий номер (Z_еф) полікомпонентного композиційного матеріалу. Для зразків бетелу-м отримані розрахункові середні значення Z_еф в залежності від рецептурних параметрів виготовлення моделей захисту знаходяться в межах від 14.5 до 18.8.

Враховуючи також, що високочастотним фотонним побічно-іонізуючим випромінюванням одночасно притаманні хвильові і корпускулярні властивості, цілком правомірним є те, що поглинання потоку гамма-квантів в структурі металонасиченої струмопровідної матриці відбуватиметься як за рахунок багаторазових відбивань поглинань і розсіювань поверхнею металу так і збудженим в структурі бетелу-м електромагнітним полем протидії. Наявність об'ємної струмопровідної матриці як і різні механізми послаблення енергії гамма-квантів в структурі металонасичених зразків в певній мірі накладаються на ефекти сінгулярності, виявлені в результаті досліджень радіаційно-екрануючих властивостей бетелу-м. Врахування виявленого явища забезпечуватиме в подальшому проектування безпечного і раціонального бар'єрного біологічного захисту від шкідливих іонізуючих випромінювань.

Список літератури

1. Дубровский В.Б., Аблевич З. Строительные материалы и конструкции защиты от ионизирующих излучений. Совместное издание СССР - ПНР / Под. ред. В.Б. Дубровского. - М.: Стройиздат, 1983. - 240 с.

2. Сердюк В.Р., Лемешев М.С., Христич О.В. Фізико-хімічні особливості формування структури електропровідних бетонів // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - Вінниця: ВДТУ, 1997.- №2.- С. 5-9.

3. Христич О.В., Лемешев М.С. Формування мікроструктури бетонів для захисту від іонізувального випромінювання// Вісник Вінницького політехнічного інституту.- Вінниця: УНІВЕРСУМ, 1998.- №2.- С. 18-23.

4. Соломатов В.И., Бобрышев А.Н. Структурообразование и технология полимерных композиционных материалов. // Полимерные композиционные материалы в строительстве.- М.: Стройиздат, 1988.- С. 5-167.

5. Ленг Ф.Ф. Разрушение композитов с дисперсными частицами в хрупкой матрице.// Композиционные материалы. Разрушение и усталость.- Т.5.- М.: Мир, 1978.- С. 11-57.

6. Гусев Н.Г., Машкович В.П., Суворов А.П. Защита от ионизирующих излучений. Т. 1. Физические основы защиты от излучений / Под общей редакцией Н.Г. Гусева. - М.: Атомиздат, 1980. - 461 с.

Размещено на Allbest.ru