Радиационо-защитные сборки для нейтронной и гамма защиты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Радиационо-защитные сборки для нейтронной и гамма защиты

Павленко В.И.

Применяемые в России транспортные контейнеры ОЯТ типа ТК-18 (ТУК-108/1, ТУК 120) имеют ряд технологических и эксплуатационных недостатков, ограничивающих и усложняющих их применение. Большое сечение захвата тепловых нейтронов и значительное сечение неупругого рассеяния быстрых нейтронов приводят к образованию в стали мощных потоков вторичного гамма-излучения [1-15]. В связи с этим необходима разработка контейнера с использованием внутренней полимеркомпозиционной радиационно-защитной оболочки.

В полимерных радиационно-защитных композитах высокодисперсное железо и его оксиды ввиду высокой гидрофильности и абразивности в качестве наполнителей для неполярных полимерных матриц не используются, что послужило основанием для проведения дополнительных исследований [16-30].

В качестве наполнителя полимера использованы два вида железорудных концентратов:

Концентрат Лебединского ГОКа следующего химического состава: 94-96 % Fe₃O₄ - магнетит, 0.5-1.0 % Fe₂O₃ - гематит, 2-4 % SiO₂ - кварц. Плотность 5800 кг/м³. Твердость - 6. Цвет - черный. Размер частиц кристаллов 5-10мкм : кристаллы Fe₃O₄ октаэдрической формы.

Концентрат Шемраевского месторождения КМА (скважной гидродобычи-СГД), представляющий собой главный минерал - гематит (Fe₂O₃ - 98 %), преимущественно в виде мартита. Второстепенные минералы - гидроскиды железа (гетит) - 1.5 , магнетит - 0.3 %, кварц - 0.2%.

Мартит (Fe₂O₃) в СГД находится в виде отдельных неправильных, округлых зерен и полиэдрических сростков. Размеры зерен мартита колеблются в пределах от 7 до 40 мкм. Плотность 5100 кг/м³.

Изучение электрокинетических свойств поверхности железорудного концентрата представляет интерес, так как заряд поверхности может оказать влияние на взаимодействие основного минерала с ионами раствора, т.е. на их адсорбцию.

Электрокинетический потенциал Fe-концентратов в дистиллированной воде отрицателен (рис.1). Он уменьшается при снижении рН среды (при добавлении HCl), переходя из отрицательного значения в положительный потенциал при рН<4.

Рис. 1. Изменение о-потенциала магнетита (а), гематита (б) и величины адсорбции (Г) этилсиликоната натрия от концентрации ЭСН в водном растворе (рН = 7): 1 - раствор без ионов Ca²⁺; 2 - раствор с ионами Ca²⁺ (100 мг-экв/л)

Таким образом, заряд поверхности концентрата определяется концентрацией ионов Н⁺ и ОН- . Следовательно, Н⁺ и ОН- - ионы будут являться потенциалопределяющими. Обращает внимание слабая зависимость изменения электрокинетического потенциала гематита от концентрации ЭСН (рис.1). В связи с этим дальнейшие исследования по адсорбционной способности по отношению к ЭСН были выполнены с магнетивым концентратом.

Проводились эксперименты (рис. 1, 2) по изучению адсорбции ЭСН поверхностью концентрата в зависимости от концентрации ЭСН и рН среды (рН среды регулировали HCl и щелочным раствором ЭСН).

Предполагалось, что небольшие количества ЭСН активируют концентрат и снижают его x-потенциал.

Электрокинетический потенциал Fe-концентрата при добавлении небольших количеств ЭСН не снижается, а возрастает. Кривые 1, 2 (рис.3.13), полученные при изменении рН среды без ионов Ca²⁺ и в их присутствии, имеет одинаковый характер с кривой 1 на рис. 2. На основании этого можно предположить, что x-потенциал Fe-концентрата изменяется не вследствие адсорбции силикат-ионов ЭСН на поверхности сорбента, а за счет влияния рН среды. При наличии адсорбции силикат -ионов ЭСН поверхностью Fe-концентрата характер кривых был бы различен.

Рис. 2. Изменение дзета-потенциала магнетита и адсорбции (Г) ЭСН от рН водного раствора: 1 - ЭСН отсутствует; 2 - 1% раствор ЭСН; 3 - в растворе содержатся ионы Са²⁺ (100 мг-экв/л); 4 - в растворе содержатся ионы Са²⁺ (100 мг-экв/л) и ЭСН (1%-ный расвор)

Установлено, что ионы Pb²⁺ из водного раствора сорбируются очень слабо поверхностью Fe-концентрата. Cделана попытка осуществить активацию поверхности Fe-концентрата с помощью ионов Ca²⁺.

Ионы Ca²⁺ способствуют адсорбции ЭСН Fe-концентратом (рис.2). Адсорбция ЭСН растет с увеличением концентрации ЭСН, а также с ростом значения рН. В кислой среде адсорбции ЭСН не происходит. Заметное поглощение ЭСН Fe-концентрата наблюдается только при рН>6. Возможно, ионы Ca²⁺ при поглощении их поверхностью Fe-концентрата, создают кальциевую оболочку и поверхность Fe-кон-центрата становится подобна поверхности кальцита, на которой затем закрепляется ЭСН. Несомненно, что адсорбируемые поверхностью ионы Ca²⁺ будут оказывать влияние на изменение x-потенциала Fe-кон-центрата.

Кривые 1 и 2 (рис. 1), отражающие зависимость x-потенциала от концентрации ЭСН, имеют различный характер. Присутствие ионов Ca²⁺ резко снижает x-потенциал поверхности Fe-концентрата. Повышение же концентрации ЭСН вызывает медленное возрастание электрокинетического потенциала. Можно предположить, что ионы Ca²⁺ адсорбируются во внутреннюю обкладку двойного электрического слоя (ДЭС), а затем происходит вторичная адсорбция ЭСН. Если в растворе , кроме ионов Н⁺ и ОН- , присутствует ЭСН (ионная форма в растворе, кривая 2 на рис. 2), то x-потенциал поверхности Fe-концентрата плавно повышается с увеличением рН среды. Ионы Ca²⁺ снижают x-потенциал концентрата как в кислой, так и в щелочной среде (кривая 3 на рис. 2). Из этого сопоставления кривых можно предположить, что ионы Ca²⁺ адсорбируются поверхностью Fe-концентрата в широком интервале рН. Совместное присутствие ионов Ca²⁺ и ЭСН также снижает величину x-потенциала, который с ростом значений рН среды практически остается постоянным (кривая 4 на Рис.2). Очевидно, указанные ионы адсорбируются в пропорциональных количествах, чем и объясняется постоянство величины x-потенциала.

Попытка сорбировать ионы Pb²⁺ на модифицированной ионами Ca²⁺ поверхности Fe-концентрата не дало заметного положительного эффекта (величина максимальной адсорбции ионов Pb²⁺ не превышало 0.5 мг-экв/г адсорбента). В связи с этим целесообразным оказалось проводить модификацию Fe-концентрата первоначально ионами Ca²⁺, а затем ЭСН при рН=8-10 с последующим соосаждением в данном растворе ионов Pb²⁺ по реакции:

Pb²⁺ + 2ОН- > Pb(ОН)₂ (1)

в виде гидроксида, т.е. провести со осаждение алкилсиликоната свинца на поверхности Fe-концентрата. В результате происходит образование гидрофобизированного Fe-концентрата. Косинус краевого угла смачивания железорудного порошка составляет - (0.4-0.5). Модификация Fe-концент-рата вследствие гидрофобизации практически не изменяет его магнитные свойства. Магнитная восприимчивость гидрофобного (краевой угол смачивания равен 95-100°) магнетитового концентрата при сорбции на его поверхности 3-5% алкилсиликоната свинца составляет c=0.15 см³/г.

Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K и гранта РФФИ, проект. № 14-41-08067.

Литература

композиционный материал защитный оболочка

1. Матюхин П.В. Композиционный материал, стойкий к воздействию высокоэнергетических излучений / Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 2. С. 25-27.

2. Композиционный материал для защиты от гамма-излучения / Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Матюхин П.В., Четвериков Н.А. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 3. С. 17-20.

3. Ястребинская А.В. Модифицированный конструкционный стеклопластик на основе эпоксидных олигомеров для строительных изделий: Автореф. дис. канд. техн. наук. / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород. 2004. 19 с.

4. Ястребинский Р.Н. Модифицированные железооксидные системы - эффективные сорбенты радионуклидов / Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Бондаренко Г.Г., Ястребинская А.В., Черкашина Н.И. // Перспективные материалы. - 2013. - № 5. - С. 39-43.

5. Перспективы создания современных высококонструкционных радиационно-защитных металлокомпозитов / Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 2. - С. 27-29.

6. Композиционный материал для радиационной защиты / Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. // Патент на изобретение, RUS 2470395, 20.12.2010.

7. Матюхин П.В. Исследование механизмов модифицирования поверхности природных железорудных минералов алкилсиликонатами / Матюхин П.В., Ястребинский Р.Н. // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - 2005. - Т. 48. - № 4. - С. 140.

8. Павленко В.И. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов / Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н. // Перспективные материалы. - 2006. - № 3. - С. 22.

9. Павленко В.И. Радиационно-защитный тяжелый бетон на основе железорудного минерального сырья / Павленко В.И., Воронов Д.В., Ястребинский Р.Н. // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2007. - № 4. - С. 40-42.

10. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов / Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Смоликов А.А., Дегтярев С.В., Воронов Д.В. // Перспективные материалы. - 2006. - № 2. - С. 47-50.

11. Павленко В.И. Тяжелый бетон для защиты от ионизирующих излучений / Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. // Строительные материалы. - 2007. - № 8. - С. 48-49.

12. Павленко В.И. Исследование тяжелого радиационно-защитного бетона после активации быстрыми нейтронами и гамма-излучением / Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. // Инженерно-физический журнал. - 2008. - Т. 81. - № 4. - С. 661-665.

13. Радиационно-защитный бетон для АЭС c РБМК на основе железо-серпентинитовых композиций с цементным связующим / Павленко В.И., Смоликов А.А., Ястребинский Р.Н., Дегтярев С.В., Панкратьев Ю.В., Орлов Ю.В. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2004. - № 8. - С. 66.

14. Полимерные радиационно-защитные композиты / Павленко В.И. монография // В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский. Белгород. 2009.

15. Термопластичные конструкционные композиционные материалы для радиационной защиты / Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н., Куприева О.В. // Перспективные материалы. 2010. № 6. С. 22-28.

16. Нанонаполненные полимерные композиционные радиационно-защитные материалы авиационно-космического назначения / Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Соколенко И.В., Ястребинская А.В. // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 6. С. 128.

17. Радиационно-защитный композиционный материал на основе полистирольной матрицы / Павленко В.И., Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Черкашина Н.И. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 3. - С. 113-116.

18. Высокодисперсные органосвинецсилоксановые наполнители полимерных матриц / Павленко В.И., Ястребинская А.В., Павленко З.В., Ястребинский Р.Н. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2010. № 2. С. 99-103.

19. Павленко В.И. Полимерные диэлектрические композиты с эффектом активной защиты / Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Ястребинская А.В. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. № 3. С. 62-66.

20. Ястребинская А.В. Разработка и применение композиционного материала на основе эпоксидиановой смолы для строительных конструкций и теплоэнергетики / Ястребинская А.В., Огрель Л.Ю. // Современные наукоемкие технологии. 2004. № 2. С. 173.

21. Ястребинская А.В. Коррозионностойкие полимеркомпозиты на основе эпоксидных и полиэфирных олигомеров для строительства / Ястребинская А.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. // Перспективы развития строительного комплекса. - 2012. - Т. 1. - С. 243-247.

22. Огрель Л.Ю. Структурообразование и свойства легированных эпоксидных композитов / Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В. // Строительные материалы. 2004. № 8. С. 48-49.

23. Расчеты процессов прохождения гамма-квантов через полимерный радиационно-защитный композит/ Павленко В.И., Липканский В.М., Ястребинский Р.Н.//Инженерно-физический журнал. 2004. Т. 77. № 1. С. 12-15.

24. Моделирование прохождения высокоэнергетических электронов в высоконаполненном полимерном композите / Соколенко И.В., Ястребинский Р.Н., Крайний А.А., Матюхин П.В., Тарасов Д.Г. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 6. С. 145-148.

25. Структурообразование металлоолигомерных водных дисперсий / Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Ястребинская А.В., Матюхин П.В. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 2. С. 121-123.

26. Механическая активация полимерных диэлектрических композиционных материалов в непрерывном режиме / Ястребинская А.В., Павленко В.И., Матюхин П.В., Воронов Д.В. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. № 3. С. 74-77.

27. Огрель Л.Ю. Полимеризация эпоксидного связующего в присутствии добавки полиметилсилоксана / Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В., Бондаренко Г.Н. / Строительные материалы. 2005. № 9. С. 82-87.

Размещено на Allbest.ru