ПАНЕЛЬ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ

Заявляемая полезная модель относится к средствам обеспечения радиационной безопасности человека, в частности к конструкциям, применяемым для биологической защиты от ионизирующего излучения (нейтронов и гамма-излучения). Она может найти применение для биологической защиты транспортных энергетических установок, радиационных установок медицинского назначения, а также для изготовления защитных контейнеров, предназначенных для хранения и транспортировки радиоактивных источников.
Известно [Н.Г. Гусев, В.А. Климанов, В.П. Машкович, А.П. Суворов. Защита от ионизирующих излучений. М., Энергоатомиздат, т. 1, 1989], что для эффективной защиты от ионизирующего излучения (нейтронов и гамма-излучения) защитная панель должна быть выполнена из материала, содержащего в своей структуре большое число ядер водорода, не менее 2-2,5% масс, бора и тяжелые металлы.
3
Известна панель радиационной защиты, выполненная из серпентинитового бетона, включающего 31,0-55,0% масс, серпентинитового щебня фракции 5-20 мм, 6,0-30,0% масс, серпентинитовой гали и 8,0-10,0% масс оксидов щелочных металлов [RU 2529031, МПК G21F 1/04, 2014]. Серпентинитовый бетон имеет плотность 2500-2600 кг/м и прочность при сжатии 50-60 МПа; панель может эксплуатироваться при температуре 300-350°C. Защитные конструкции из бетона изготавливаются методом обычной заливки бетона по технологии, принятой в строительстве, и имеют высокую надежность биозащиты.
Эти свойства серпентинитового бетона определили его широкое применение в качестве основного материала конструкций биологической защиты для всех наземных реакторов, прежде всего реакторов АЭС, для которых весо-габаритные характеристики защитных конструкций не имеет решающего значения. Однако, для транспортных ядерных энергетических установок, например судовых, необходимо минимизировать весо-габаритные характеристики применяемой конструкции биологической защиты.
В связи с этим прочность защитной панели и эффективность ослабления ею ионизирующего излучения (нейтронов и гамма-излучения) становятся определяющими.
Также известна панель радиационной защиты, выполненная из гидрида титана [Ягодин Г.А. Технология редких металлов в атомной технике.1971, 344 с]. Гидрид титана имеет высокие защитные характеристики по отношению к ионизирующим излучениям (нейтронам и гамма-излучению) и высокую теплостойкость (температура эксплуатации 190-200°C). Однако его получают сложным методом сквозного насыщения водородом титановых заготовок в виде брикетов размером 100×100 мм, а полученный материал хрупок и не поддается механической обработке. В результате при формировании панелей защиты возникает необходимость заполнения образующихся зазоров крошкой гидрида титана. Используемая для этих целей фракция гидрида титана (менее 0,2 мм) пожаро- и взрывоопасна из-за выделения водорода при повышении температуры эксплуатации. Таким образом, защитная панель из гидрида титана, ввиду сложности и трудоемкости ее изготовления, несоизмеримо дороже защитных панелей из бетона. Кроме того, значительное число стыков между малыми блоками снижает эффективность биологической защиты в целом.
Также известна панель радиационной защиты, выполненная из борсодержащего полиолефина, которая включает полипропилен и частицы полиборида магния размером 60-400 мкм, взятые в количестве 16-18% мае. [RU 2260213, МПК G21F 1/10, 2005]. Высокое содержание водорода и требуемое содержание бора обеспечивают высокую эффективность защиты от нейтронного излучения; изготовление панелей из наполненной полимерной композиции не трудоемко, а сами панели легко монтируются.
Однако панели из наполненного полипропилена имеют низкую эффективность ослабления гамма-излучения, а также не обладают ни огнестойкостью, ни термостойкостью - температура их эксплуатации не превышает 130°C.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является панель радиационной защиты, включающая слои пропитанной полимерным связующим стеклоткани и металлический наполнитель [RU 2239895, МПК G21F 1/10, 2004]. В качестве металлического наполнителя панель содержит тонкодисперсный порошкообразный вольфрам, в качестве полимерного связующего - эпоксидную смолу или фенолформальдегидное связующее, при этом порошкообразный вольфрам взят в десятикратном избытке по весу по сравнению со связующим. Вольфрамовый порошок смешивают со связующим, которым пропитывают стеклоткань, пропитанные слои собирают в пакеты и формуют панель.
Недостатками данного технического решения, принятого за прототип, являются относительно невысокая конструкционная прочность панели, неэффективные защитные характеристики по отношению к нейтронам и гамма-излучению, а также низкие теплостойкость (температура эксплуатации 140-160°C) и огнестойкость, неудовлетворительные весо-габаритные характеристики.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение эффективности защиты от ионизирующего излучения (нейтронное и гамма-излучение) при одновременном повышении конструкционной прочности изделия, а также его огнестойкости в широком диапазоне температуры эксплуатации и снижении весо-габаритных характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что панель радиационной защиты, включающая слои пропитанной полимерным связующим стеклоткани и металлический наполнитель, дополнительно содержит пропитанные полимерным связующим слои параарамидной ткани, а в качестве металлического наполнителя - стальную плетеную одинарную сетку, размещенную между слоями пропитанных полимерным связующим тканей, при весовом соотношении металлической сетки и слоев пропитанных полимерным связующим тканей (40-50):(60-50).
В качестве параарамидной ткани может быть взята параарамидная ткань из волокон СВМ (ГОСТ 28001-88), или параарамидных волокон типа Kevlar фирмы DuPont (США), или волокон РУСАР (ТУ 2272-001-51605609-00). Используются параарамидные ткани сатинового или саржевого типа. Параарамидные ткани не горючи.
В качестве стеклоткани используется стеклоткань, выполненная из алюмоборосиликатного бесщелочного стекловолокна с содержанием бора не менее 0,8% масс. Панель дополнительно содержит бор в форме карбида бора (ГОСТ 5744-85), введенного в полимерное связующее в количестве 5-10% масс.
В качестве стальной сетки панель включает плетеную одинарную сетку (сетку Рабица) без покрытий, с ромбовидными ячейками №№5-20 по ГОСТ 5336-88.
В качестве полимерного связующего используется связующее на основе термореактивных полиимидов, такое как «Р-СОД» и «Р-ОДФО», [Михайлин Б.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. С. - Петербург, Профессия, 2006, 623 с.], и в этом случае панель отличается высокой термостойкостью, температура ее эксплуатации составляет 200-250°C.
В качестве связующего могут быть использованы эпоксидные смолы, такие, например, как эпоксидиановые (ГОСТ 10587-84) или циклоалифатические (ТУ 2225-014-33-452160-2004) смолы, тетрафункциональная азотсодержащая эпоксидная смола (ТУ 2225-607-11131395-2003). В этом случае температура эксплуатации составляет 140-160°C, и панель может применяться для защиты от ионизирующего излучения установок, работающих при более низкой температуре, например медицинских установок, или контейнеров для хранения радиоактивных материалов или радиоактивных отходов.
Заявляемая панель радиационной защиты представлена на фиг. 1-2.
На фиг. 1 показан поперечный разрез заявляемой панели радиационной защиты.
На фиг. 2 показан вид сверху заявляемой панели радиационной защиты.
Слои стальной плетеной одинарной сетки 1 (фиг. 1) размещены между слоями пропитанной полимерным связующим стеклоткани 2 и/или между слоями пропитанной полимерным связующим параамидной ткани 3. Размещение полимерных слоев может быть таким, как на фиг. 1, или, в зависимости от назначения панели, другим; обязательным является расположение сетки между слоями тканей, предварительно пропитанных полимерным связующим. В качестве граничных (верхнего и нижнего) слоев желательно брать слой пропитанной полимерным связующим стеклоткани, для обеспечения большей механической прочности.
Панель радиационной защиты работает следующим образом: ионизирующее излучение в виде потока нейтронов, попадая на панель радиационной защиты, ослабляется полимерным связующим, армированным слоями стеклоткани (2) или параарамидной ткани (3), где количество слоев определяется необходимым уровнем защиты (уровнем ослабления ионизирующего излучения);
металлическая сетка (1), установленная между слоями обеспечивает ослабление мощности дозы проникающего гамма-излучения и повышает эффективность ослабления быстрых нейтронов;
снижение выхода захватного гамма-излучения достигается добавлением в связующее карбида бора;
органическая параарамидная ткань является негорючим материалом, что придает панели радиационной защиты огнестойкость.
Нами были изготовлены методом прессования образцы панели радиационной защиты с полиимидным полимерным связующим, в состав которого был введен карбид бора, размером 1000×2000×50 мм и определены их физико-механические показатели.
3
Заявляемая панель радиационной защиты имеет плотность 2500 кг/м, прочность при сжатии 350-400 МПа, температуру эксплуатации 200-250°C, и эффективно ослабляет нейтроны и гамма-излучение.
Для определения эффективности биологической защиты от проникающего излучения были проведены испытания по определению длины релаксации мощности дозы излучения в заявляемой панели радиационной защиты. Испытания проводились на исследовательском реакторе Крыловского государственного научного центра, г. Санкт-Петербург.
По определению, длина релаксации - это толщина материала, на которой величина мощности дозы, обусловленной рассматриваемыми видами ионизирующих излучений, снижается в 2,78 раза. В конечном счете, указанная величина длины релаксации определяет полную суммарную толщину конструкции биологической защиты.
В табл. 1 сопоставлены эти показатели для заявляемой защитной панели и наиболее изученного и широко применяемого в настоящее время серпентинитового бетона.
Из данных таблицы 1 следует, что толщина защиты, необходимая для ослабления потоков нейтронов и гамма-излучения, заявляемой панели меньше, чем у серпентинитового бетона.
Сравнительные оценки толщин слоев материалов, обеспечивающих равную эффективность защиты по нейтронам при заданной кратности ослабления мощности нейтронного излучения, приведены в таблице 2.
Как следует из табл. 2, заявляемая панель радиационной защиты имеет большую эффективность ослабления мощности дозы нейтронов, чем серпентинитовый бетон.
Заявляемая панель легко обрабатывается на металлорежущем оборудовании, что позволяет конструировать и изготавливать края плит, создавая пазы и выступы для сборки конструкций защиты практически без стыковочных зазоров по принципу сборки ламинатных плит.
Плотность заявляемой панели примерно в 2,4 раза ниже по сравнению с панелью прототипом.
1
Способ изготовления панелей позволяет получать прессованием не только плоские плиты (L до 2000 мм, L до 1000 мм, в зависимости от используемого прессового оборудования), но и изделия с определенной кривизной поверхности, вплоть до скругленных угловых панелей.