Brevet FR2567677A1 — publié le 19860117

Matériau de protection contre les rayonnements La présente invention concerne un matériau qui convient pour la protection contre des rayons radioactifs autres que les rayons neutroniques. On avait utilisé en général jusqu'à présent des blocs de protec- tion en béton ou en plomb comme matériaux de protection contre les rayonne- ments. Ces matériaux ont été utilisés comme matériaux de construction, par exemple pour construire des bâtiments dans lesquels on utilisait des iso- topes radioactifs. Les structures en béton du type ci-dessus doivent non seulement avoir la résistance structurale requise mais aussi une épaisseur de paroi qui est déterminée par la quantité des rayonnements radioactifs en provenance d'un isotope radioactif utilisé dans lesdites structures pour une protec- tion contre les rayonnements, ce qui donne des structures très lourdes par comparaison avec les bâtiments ordinaires. Le plomb est un matériau de pro- tection très efficace mais il est très lourd et, en outre, par suite de sa faible dureté, il exige des précautions particulières lors de la construction, d'o augmentation du prix de construction. La présente invention a pour objet un nouveau type de matériau de protection, d'un faible prix de revient, ne présentant pas les inconvénients précités et possédant des meilleures aptitudes au formage, au travail et aux applications. La Demanderesse a découvert qu'un matériau formé d'une matrice minérale obtenu par fusion et d'un composé de métal lourd possède un effet de protection important; elle a alors procédé à des études et des essais variés pour élaborer l'invention. L'oxyde de fer est physiquement le plus stable quand on l'emploie sous forme d'une matrice fondue; il est abondamment dis- ponible à bas prix et est en outre très utile comme véhicule pour dissoudre une matière minérale telle que le soufre, car le soufre possède une forte liaison covalente en fusion, atteint un équilibre avec son propre soufre monoclinique à la température de réaction mise en oeuvre dans l'invention pour contenir ainsi des molécules ayant un cycle S8 en forme de couronne et provoque une réaction de production de soufre caoutchouteux lors de la coulée dans un moule froid après traitement par la réaction de fusion avec l'oxyde de fer à 400 - 10 C, ce qui confère une certaine élasticité au soufre initial. Le soufre est également abondamment disponible. En ce qui concerne le composé de métal lourd qui doit établir l'effet de protection, on a choisi l'oxyde de plomb dont le métal possède la plus haute densité parmi tous les métaux du commerce. Les rapports pondéraux entre le soufre, l'oxyde de fer et l'oxyde de plomb sont dans les intervalles de 100: 60-110: 120-350. Le matériau de protection contre les rayonnements selon l'inven- tion, est caractérisé en ce qu'il est préparé en chauffant et en faisant fondre un mélange de soufre et de poudre d'oxyde de fer pour effectuer une réaction thermique suffisante, en ajoutant de l'oxyde de plomb granulaire à la masse fondue pour les mélanger ensemble et disperser le premier dans la seconde afin d'obtenir un mélange fondu, puis en façonnant ce mélange fondu à la forme désirée. Afin d'empêcher la pollution par SO2 formé en tant que sous- produit secondaire par la dissolution du soufre, il est préférable d'ajouter au préalable une certaine quantité de poudre de plomb au soufre étant donné que le SO2 produit est entièrement absorbé dans la solution solide, comme le montrent les équations suivantes: 2Fe203 + S __> 4Fe0 + S02 3Pb + S02 > 2PbO + PbS La poudre de plomb qui n'a pas réagi reste comme elle était dans la solu- tion solide et contribue à l'effet de protection contre les rayonnements. Le PbS ainsi produit est également efficace pour la protection contre les rayons radioactifs. On peut remplacer l'oxyde de plomb par le plomb dans un rapport pondéral de 87-95: 13-5. Le matériau de protection contre les rayonnements, selon l'inven- tion est obtenu par un procédé consistant à fondre le soufre à une tempé- rature de 115 à 440 C;à ajouter de l'oxyde de fer en poudre au soufre fondu pour les mélanger intimement et les faire réagir ensemble afin d'ob- tenir une matrice fondue; à ajouter ensuite la quantité désirée d'oxyde de plomb granulaire à la matrice fondue ainsi obtenue en vue de leur mélan- ge et de leur agitation à 125-420 C pendant 10-35 minutes pour ainsi entièrement disperser le premier dans la seconde; puis à mouler la dis- persion résultante pendant que sa viscosité est dans l'intervalle de Pa.s à 103Pa.s; et ensuite à refroidir le produit moulé résultant pour le solidifier dans les formes désirées, telles que,plaques, blocs ou cylindres selon l'emploi envisagé. Le soufre utilisé dans l'invention peut être en morceaux, en poudre ou en paillettes et on peut aussi employer des sous-produits de raffinerie de pétrole. L'oxyde de fer utilisé est de qualité industrielle, la dimension particulaire des granulés de cet oxyde est faible pour qu'il y ait une réaction suffisante avec le soufre fondu, cette dimension parti- culaire étant, de préférence,dans la plage de 150 à 325 mesh (Norme Industrielle Japonaise-JIS). La dimension particulaire de l'oxyde de fer est dans la plage de 60 à 325 mesh (Norme Industrielle Japonaise-JIS), de préférencedans la plage de 60 à 200 mesh. La durée souhaitable pour la réaction thermique de l'oxyde de fer avec le soufre fondu est de 10 à 60 minutes environ, de préférence de 25 à 35 minutes environ, bien qu'elle'dépende de la grosseur de grain de l'oxyde de fer. L'oxyde de plomb que l'on doit ajouter à la matrice fondue ainsi obtenue est de qualité industrielle et sa grosseur de grain est, de pré- férence, situéedans la plage allant de 0,048 à 5 mm en diamètre. Avec une dimension inférieure à 0,048 mm, la viscosité d'un mélange de l'oxyde de plomb avec la matrice fondue devient trop élevée de sorte que la coulée du mélange est difficile. Si la grosseur de grain est principalement de mm en diamètre, le rayonnement risque d'être transmis à travers le pro- duit coulé. Fonction L'effet de protection contre les rayonnements peut être en général régi par la loi de masse, c'est-à-dire I = BI e_-x, dans laquelle o I est le débit de dose des rayons après la transmission à travers un matériau de protection, I est le débit de dose des rayons cavant la o transmission à travers ledit matériau, B est un coefficient d'accumula- tion,Àcest un coefficient d'atténuation et x est l'épaisseur du matériau de protection, et on considère que cet effet est proportionnel au poids volumique des matériaux de protection à épaisseur égale. Cependant, selon l'invention, comme on peut le voir dans les exemples et les exemples comparatifs ci-après, la masse fondue refroidie de soufre et d'oxyde de fer fait preuve d'un plus fort effet de protection que celui auquel on pourrait s'attendre en se basant sur le poids volumique. D'autre part, bien que le mécanisme ne soit pas connu, un mélange préparé par addition d'oxyde de plomb à ladite masse fondue de soufre et d'oxyde de fer fait preuve d'un effet de protection nettement plus marqué (résultat d'un effet synergétique) que celui auquel on pourrait s'attendre du fait au poids volumique. La raison pour laquelle apparaft cet effet de protection n'est pas connue théoriquement mais on pense que lorsqu'on envoie un rayonnement sur le matériau de protection selon l'invention, celui-ci confère une éner- gie cinétique aux atomes et molécules dudit matériau et le faisceau protoni- que perd de son énergie en provoquant une diffusion nucléaire non élasti- que. On pense encore que la collision du rayonnement avec le matériau de protection provoque un phénomène d'ionisation, ledit rayonnement perdant ainsi une quantité d'énergie égale à celle utilisée pour l'ionisation. On pense que ce phénomène a également lieu avec les rayons " et d'autres rayons lumineux. Le matériau de protection selon l'invention est suffisamment iso- trope et on considère donc que microscopiquement l'ion emprunte un trajet en zig-zag par la diffusion Rutherford mais que, macroscopiquement il pro- gresse pratiquement en ligne droite et on considère également que le rayon- nement ionique qui progresse en ligne droite perd rapidement son énergie. Les performances de protection du matériau selon l'invention dE/dZ, c'est- à-dire la force de frottement F est considérée à ce stade comme étant impor- tante. En outre, avec les rayons l'énergie initiale E change de temps à autre en une énergie différente E' par diffusion Compton, ce qui, on le pense, est provoqué par le fait que lorsque le faisceau de rayons "'vient heurter le matériau de protection selon l'invention, l'intensité du faisceau est réduite et des rayons sont éliminés par effet photoélectrique. Les exemples suivants servent à illustrer l'invention sans aucune- ment en limiter la portée, en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 montre la relation entre l'effet de protection et le poids volumique du matériau de protection selon l'invention et ceux d'un béton normalisé; - la figure 2 représente des modèles expérimentaux et de calcul; et - la figure 3 montre une comparaison entre les valeurs théoriques et expérimentales pour les effets de protection contre les rayonnements que l'on obtient à partir des essais et calculs apparaissant sur la figure 2. Exemples et exemples comparatifs On prépare des matériaux de protection selon l'invention (X-1, X-2 et X-3) par le procédé indiqué dans le Tableau I. X-B est une masse fondue de soufre et d'oxyde de fer et on la présente à titre de référence. Tableau I (% en poids) Exemple Pour référence X-1 X-2 X-3 X-B Poudre d'oxyde de fer 32,0 22,5 19,2 43 Soufre 22,5 15,5 13,5 57 Oxyde de plomb 45,5 62,3 67,3 - L'oxyde de fer utilisé est du Fe203 type hématite, contenant une certaine quantité de sodalite, ayant une pureté de 92 % et d'une grosseur de grain de 104 à 43 microns; le soufre utilisé est d'une pureté de 90 % et est floconneux; et l'oxyde de plomb est d'une pureté de 99,5 % et d'une grosseur de grain de 0,048 à 5 mm en diamètre. L'oxyde de plomb est partiel- lement remplacé par une poudre de plomb d'une pureté de 99,8 % et d'une grosseur de grain de 246 à 48 microns, le rapport de mélange entre l'oxyde de plomb et le plomb (calculé en oxyde de plomb) étant de 90-93:10-7. On chauffe le soufre et on le fait fondre, on y incorpore de l'oxyde de fer, maintient le mélange à une température de 400 C et le fait réagir sous l'effet de la chaleur pendant 30 minutes. Dans cette réaction de l'oxyde de plomb avec le soufre, le dégagement de SO2 gazeux par la réaction était prévu mais en réalité pratiquement aucun dégagement de SO2 n'a eu lieu car ce gaz est absorbé dans la solution solide, de sorte qu'on supprime les risques de pollution. SO2 est stabilisé dans la masse fondue sous la forme de PbS par addition de plomb. On ajoute ensuite l'oxyde de plomb à cette masse fondue, on agite, mélange intimement, maintient le mé- lange à 410 C pendant 10 minutes, le coule puis le refroidit et le solidifie pour former des panneaux ayant 40 mm d'épaisseur. On soumet les panneaux obtenus à des mesures pour en déterminer le poids volumique apparent, la résistance à la compression et l'effet de protection contre les rayonnements. On mesure cette dernière variable en utilisant 1,5 Ci, Cs 37 placé à une distance de 600 mm du panneau, à titre de source radioactive. Les résultats apparaissent dans le Tableau II. Dans ce tableau, on a également fait figurer les valeurs pour un matériau de protection en béton usuel aux fins de comparaison. Tableau II Exemple Exemple de Exemple de éference comparaison X-1 X-2 X-3 i X-B Béton Poids volumique (g/cm3) 3,2 3,9 4,1 2,75 2,4 Epaisseur de la matière de protec- 40 40 40 40 40 tion (mm) Résistance à la compression (Pa) 370.105 418.105 440.105 --__ 185.105 1,02 1,02 1,02 1,02 Effet de protec- 0,098 0,075 0,070 0,22 0,25 tion(m rem/h) ______ __ _ _ __ __ __ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ Les relations entre l'effet de protection et le poids volumique apparent des panneaux-échantillons sont comme indiqués sur la figure 1. Comme on peut le voir sur la figure, X-B possède un effet de protection un peu plus marqué que celui auquel on pourrait s'attendre d'après son poids volumique, mais X-1, X-2 et X-3 ont un effet de protection de très loin supérieur. En outre, l'effet de protection de X-1, X-2 et X-3 est amélioré de manière linéaire proportionnellement au poids volumique. Comme on le voit sur le Tableau II, le matériau de protection contre lesrayonnements, selon l'invention, possède un effet de protection qui est 3,3 fois celui du béton standard et sa résistance à la compression est 2,3 fois celle du béton standard ayant les mêmes spécifications. Effet de l'invention Le matériau de protection contre liesrayonnements, selon l'inven- tion, possède un excellent effet de protection contre les rayonnements comme décrit plus haut. En conséquence, pour les bâtiments destinés à abriter des pièces o on utilisera des rayons X ou d'autres radiations, il est recommandé, par exemple, de le construire en béton ayant une résistance structurale standard, puis de le revêtir avec le matériau de protection selon l'invention sur une- épaisseur suffisante pour faire écran à la quantité de rayonnements utilisés et satisfaire ainsi à l'effet requis de protection. En conséquenceon construit d'abord un bâtiment normal éventuelle- ment caractérisé par sa résistance structurale, celui-ci étant ensuite re- vêtu par la matière de protection selon l'invention sans avoir à appliquer de tôles onéreuses en plomb ou à effectuer la difficile construction avec des blocs de plomb, pour obtenir ainsi un bâtiment très rationnel à un prix remarquablement bas. Ainsi, on peut dire que l'invention possède une grande valeur industrielle. Comparaison entre les valeurs théoriques et expérimentales pour les effets de protection contre les rayonnements. On mesure avec précision les valeurs expérimentales des effets de protection (figure 2) en utilisant le matériau X-2 selon l'invention, les valeurs théoriques étant obtenues par le calcul théorique (en utilisant un ordinateur qui emploie le Code ANISN) dans les mêmes conditions. Il a été constaté que les valeurs théoriques et les valeurs expérimentales sont à peu près en accord comme on peut le voir sur la figure 3; on confirme ainsi que les matériaux de protection selon l'invention peuvent être étudiés et construits rationnellement sous forme de structures de protection de types variés. REVENDICATIONS 1. Matériau de protection contre les rayonnements tel qu'obtenu en chauffant du soufre et une poudre d'oxyde de fer en mélange pour les faire réagir intimement et obtenir une masse fondue, en ajoutant des granules d'oxyde de plomb à la masse fondue ainsi obtenue pour les mélan- ger ensemble afin de disperser les premières dans la seconde, puis en façonnant toute la masse pour lui donner une forme prédéterminée. 2. Matériau selon la-revendication 1, caractérisé en ce que le soufre, la poudre d'oxyde de fer et les granules d'oxyde de plomb sont utilisés dans des rapports pondéraux de 100:60-110:120-350. 3. Matériau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 13 à 5 % en poids des granules d'oxyde de plomb sont remplacées par des granules de plomb.