СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ
METHOD OF PREPARING INORGANIC MATERIAL FOR RADIATION PROTECTION

Изобретение относится к материалам для защиты от ионизирующих излучений в атомной и радиохимической промышленности.
Известен способ приготовления тяжелого бетона, заключающийся в смешении цемента, обычного песка, гематита и воды (см. Бродер Д.Л. и др. Бетон в защите ядерных установок. М.: Атомиздат, 1973, с.21).
Недостатком известного способа является большая разность объемных масс компонентов бетона, особенно тяжелого заполнителя и цемента, что приводит к неоднородности материала, и как следствие, пониженным радиационно-защитным характеристикам. Кроме того, материал не обладает оптимальным зерновым составом, от которого зависят удобоукладываемость и радиационно-защитные свойства материала.
Известен также способ приготовления композиционного материала для защиты от радиации, изложенный в патенте RU 2193247, опубл. 20.11.2002, Бюл. №32, кл. G21F 1/01. В известном способе в барабан бетономешалки последовательно загружают расчетное количество жезезосодержащего гематитового концентрата, портландцемента, воды с пластификатором и стальные фибры. Общее время перемешивания 20 мин.
Недостатком известного способа является то, что получаемый продукт не обладает высокими радиационно-защитными характеристиками.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ приготовления неорганического материала для радиационной защиты, изложенный в патенте RU №2269832, опубл. 10.02.2006. Бюл. №4, кл. G21P 1/04.
В известном способе в качестве связующего используют портландцемент, а в качестве наполнителя тонкодисперсный железосодержащий магнетитовый концентрат с размером частиц 20-40 мкм, молотый хризотиловый асбест, строительную известь, вводят чугунную дробь и воду. Затем осуществляют перемешивание смеси до однородного состояния, производят укладку в формы для твердения, термовлажностную обработку в пропарочной камере в течение 7-8 час. Далее осуществляют сушку в сушильной камере при температуре 100-110°С в течение 3-5 час. Для приготовления материала используют следующее соотношение компонентов, мас.%: портландцемент 13-17; магнетитовый концентрат 10-14; хризотиловый асбест 0,55-0,75; известь 0,5-0,7; пластификатор 0,2-0,3; чугунная дробь 65-73; вода 2,3-2,7.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение радиационной защиты от нейтронного и гамма-излучения.
4
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявленный способ приготовления неорганического материала для радиационной защиты включает загрузку связующего, наполнителя и пластификатора в смеситель принудительного действия и перемешивание компонентов, при этом в качестве связующего используют портландцемент, а в качестве наполнителя тонкодисперсный магнетитовый концентрат (магнетит) с размером частиц 20-40 мкм, молотый хризотиловый асбест, строительную известь и дополнительно сульфат бария (BaSO), активированный гидроксидом железа с соотношением Ba/Fe=4. Затем вводят чугунную дробь и воду, осуществляют перемешивание смеси до однородного состояния, производят укладку в формы для твердения, термовлажностную обработку в пропарочной камере в течение 7-8 час, сушку в сушильной камере при температуре 100-110°С в течение 3-5 час при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент
14-18
Магнетит
16-19
Хризотиловый асбест
0,5-0,7
0,4-0,6
Известь
Пластификатор
0,25-0,35
Чугунная дробь
47-51
Сульфат бария, активированный
11-15
гидроксидом железа
Вода
2,55-3,65
Связующим компонентом неорганического материала является портландцемент марки 500-ПЦ 500-ДО (ГОСТ 10178-85).
3
В качестве железосодержащего сырья используют высокодисперсный магнетитовый концентрат Лебединского ГОКа с насыпной плотностью 3000 кг/мфракции 20-40 мкм (ТУ 14-9-288-84).
Использование данного железосодержащего концентрата в качестве наполнителя при производстве неорганического материала для радиационной защиты обусловлено высоким содержанием железа (70-72%).
Использование в качестве связующего хризотилового асбеста и извести обусловлено содержанием в них молекул связанной воды, что играет определяющую роль в защите от нейтронного излучения. Кроме того, известь обладает пластифицирующими, а хризотиловый асбест - армирующими свойствами, что повышает прочность получаемого композиционного материала.
3
Использование чугунной дроби (ГОСТ 11964-81) позволяет получать материал высокой плотности (до 4000 кг/м) и с высоким радиационно-защитными характеристиками.
Использование синтезированного сульфата бария, активированного гидроксидом железа с соотношением Ba/Fe=4, позволяет существенно повысить физико-механические и радиационно-защитные характеристики материала.
2
2
3
2
4
4
3
2-
-
Пример 1. В водный раствор с температурой 80°С, содержащий 110 кг хлорида бария (BaCl·2HO) в 500 л воды, добавляют подогретый до 80°С раствор, содержащий 30,58 кг хлорида железа (FeCl·6HО) в 300 л воды. Растворы перемешивают в течение 5 мин. Затем добавляют раствор: 50 л серной кислоты (плотностью 1,84 г/см) в 240 л воды, нагретый до 80°С. Выпавший осадок сульфата бария адсорбирует хлорид железа. Добавляют 20%-ный водный раствор аммиачной воды (NHOH) для осаждения на поверхности сульфата бария образующегося гидроксида железа. Отделяют осадок от водного раствора на центрифуге. Осадок промывают водой до отрицательной реакции на содержание сульфат (SO ) и хлорид (Cl)ионов. Промытый осадок сушат при температуре 110°С.
Количественное содержание компонентов в предлагаемом и известном материале приведены в табл.1.
Таблица 1
Составы радиационно-защитных материалов
Компонент
Состав материала, мас.%
Предлагаемый
Известный
1
2
3
4
5
6
7
Портландцемент
13
14
16
18
19
15
Магнетит
20
19
17
16
15
12
Асбест *
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,6
Известь
0,7
0,4
0,5
0,6
0,3
0,6
Пластификатор
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,2
Чугунная дробь
52
51
49
47
46
69
Сульфат бария**
9,6
11,0
13,0
15,0
16,4
Нет
Вода
3,70
3,65
3,60
2,55
2,50
2,50
Примечание: * - асбест хризотиловый, ** - сульфат бария, активированный гидроксидом железа (соотношение Ba/Fe=4).
При соотношении Ba/Fe<4 и Ba/Fe>4 наблюдается заметное снижение механических характеристик материала (табл.2).
Таблица 2
Механическая прочность материала (состав №4) при различных соотношениях Ba/Fe в сульфате бария, активированном гидроксидом железа
Соотношение Ba/Fe
Предел прочности на сжатие, кгс/см<sup>2</sup>
3
540
4
670
5
590
Пример 2. К 640 кг магнетитового концентрата дисперсностью 40 мкм добавляют 680 кг портландцемента, 16 извести, 24 кг молотого хризотилового асбеста и 12 кг пластификатора и 520 кг сульфата бария, активированного гидроксидом железа. Далее в полученную смесь порциями вводят 1960 кг чугунной дроби и при постоянном перемешивании затворяют водой в объеме 144 л. Перемешивание проводят в течение 20 мин в смесителе циклического режима принудительного действия. Полученную смесь закладывают, уплотняют на стандартном вибростоле в течение 5 мин и оставляют для естественного твердения в течение 24 час. Далее образец материала подвергают термовлажностной обработке в пропарочной камере (85-95°С) камерного типа в течение 7-8 час. Далее образец извлекают из формы и подвергают сушке в сушильной камере при температуре 110°С (до постоянной массы) в течение 3-4 час.
2
60
-1
137
-1
60
Готовый материал имеет следующие характеристики: объемную массу 4000 кг/см, прочность на сжатие 670 кг/см, линейный коэффициент ослабления ионизирующего излучения (источник Со с энергией Е=1,2 МэВ) 0,26 см, линейный коэффициент ослабления ионизирующего излучения (источник Cs с энергией Е=0,66 МэВ) 0,60 см, длина релаксации быстрых нейтронов (Е>2 МэВ) 6,7 см (расчетная характеристика), длина релаксации мощности дозы нейтронов 8,0 см (расчетная характеристика). Радиационная стойкость материала по отношению к Со - источнику остается высокой (не менее 2 МГр).
Для получения сравнительных данных параллельно проводились аналогичные эксперименты на других составах материала.
Результаты радиационно-защитных и физико-механических испытаний представлены в табл.3.
Таблица 3
Физико-технические характеристики радиационно-защитных материалов
Свойство
Материал
Предлагаемый
Известный
1
2
3
4
5
6
7
Предел прочности на сжатие, кгс/см<sup>2</sup>
524
630
670
620
590
520
Коэффициент ослабления γ-фотонов (Е=1,2 МэВ), см<sup>-1</sup>
0,23
0,24
0,26
0,25
0,24
0,23
Коэффициент ослабления γ-фотонов (Е=0,66 МэВ), см<sup>-1</sup>
0,47
0,53
0,60
0,54
0,50
0,41
Длина релаксации быстрых нейтронов (Е>2 МэВ), см
8,1
7,8
6,7
7,1
7,7
8,8
Длина релаксации мощности дозы
10
9
8
9
10
10
Измерение радиационно-защитных свойств материалов по гамма-излучению осуществлено гамма-спектральным методом на базе многоканального анализатора с программным обеспечением "Прогресс" в аккредитованной в Госстандарте РФ лаборатории радиационного контроля "Спектр" при БГТУ им. В.Г.Шухова. Измерение радиационно-защитных свойств материалов по нейтронному излучению осуществлялось с помощью сцинтилляционного счетчика быстрых нейтронов на основе кристалла ZnS(Ag). Оценка физико-механических характеристик проводилась в государственном научном центре по сертификации строительных материалов и конструкций, аккредитованном в Госстандарте РФ "БГТУ-сертификация" в системе ГОСТ Р.
Анализируя данные, приведенные в табл.2, можно заключить, что предлагаемый неорганический материал является эффективным защитным экраном от гамма- и нейтронного излучения и позволяет повысить радиационно-защитные характеристики на 20-46% по сравнению с известным материалом.