КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
COMPOSITE MATERIAL FOR PROTECTION AGAINST RADIATION

Заявляемое изобретение относится к средствам защиты от радиоактивного излучения и может применяться в производстве контейнеров для хранения радиоактивных материалов, а также изоляции помещений.
Защита от радиоактивного излучения имеет большое техническое и экономическое значение. При этом любой материал поглощает радиоактивное излучение до определенной степени. В частности, α-излучение, как правило, поглощается полностью без особых проблем. Для защиты от β-излучения часто также не требуется дополнительных мер безопасности. Проблему представляет собой защита от излучения нейтронов, γ-излучения и рентгеновских лучей. Она включает в себя, с одной стороны, эффективную изоляцию от долговременных источников излучения, например, при хранении радиоактивных отходов и, с другой стороны, защиту от временных или непостоянных радиоактивных выбросов, происходящих при работе рентгеновской аппаратуры или проведении различных научных и технических экспериментов.
Известна полимерная композиция для биологической защиты от радиоактивных излучений, состава мас.%:
Порошковый вольфрам дисперсностью 0,5-160 мкм 49,7-72,2
Порошковое железо 6,8-10,0
Полипропилен остальное,
при этом содержание фракции вольфрама до 30 мкм не превышает 7 мас.% (патент РФ №2326905, 2006 г.).
Недостатком указанной композиции является отсутствие защиты от излучения нейтронов и низкая химическая устойчивость.
Также известен эластичный материал для защиты от рентгеновского и γ-излучений, содержащий связующее и наполнитель - порошкообразный вольфрам или оксиды тяжелых металлов, при этом связующее выполнено из термопластичного полиуретана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Термопластичный полиуретан 10,0-80,0
Порошкообразный вольфрам или оксиды тяжелых металлов остальное
(патент РФ №2364963, 2007 г.).
Недостатком указанного эластичного материала является отсутствие защиты от излучения нейтронов и невозможность его применения для упаковки радиоактивных отходов.
Также известен материал, являющийся продуктом реакции по крайней мере одного полиизоцианата; подпол-компонента; добавок для защиты от излучения, содержащих около 26 мас.% гадолиния, от 10 до 74 мас.% бария, индия, олова, молибдена, ниобия, тантала, циркония или вольфрама и от 0 до 64 мас.% висмута, лантана, церия, празеодимия, неодимия, прометея, самария, европия, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, тулия, иттербия или лютеция; вспомогательных веществ и огнезащитных компонентов (патент EP 1621719, 2005 г.). Данный материал принят за ближайший аналог.
Недостатком указанного материала является отсутствие защиты от излучения нейтронов и низкая огнестойкость.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании композиционного материала для защиты от радиоактивного излучения, имеющего огнестойкость более 1000°C и поглощающего излучение нейтронов наряду с поглощением γ-излучения и рентгеновских лучей. Дополнительной задачей является возможность определения класса опасности радиоактивных отходов в случае использования заявленного композиционного материала для их упаковки.
Поставленная задача решается за счет того, что композиционный материал для защиты от радиоактивного излучения, содержащий компоненты полиуретана, частицы металлов, огнезащитные компоненты и вспомогательные вещества, дополнительно содержит борную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Полиуретан 10,0-80,0
Частицы металлов 10,0-60,0
Борная кислота 3,0-20,0
Огнезащитные компоненты 2,0-8,0
Вспомогательные вещества 0,1-3,0.
Указанный материал может дополнительно содержать маркирующие компоненты 0,2-1,0 мас.%.
Заявленный композиционный материал для защиты от радиоактивного излучения представляет собой твердую форму с пористой структурой.
Использование компонентов в заявляемых пределах соотношений обеспечивает требуемую совместимость компонентов и однородность готового материала.
Использование компонентов вне заявляемых пределов соотношений приводит к снижению огнестойкости и защитных свойств от радиоактивного излучения (в случае недостаточного количества компонентов) или к ухудшению физических свойств (в случае избыточного количества компонентов)
Полиуретан, применяемый в заявляемом изобретении, является смесью гидроксилсодержащего компонента, например, полиэфира-полиола или полиэстера или полиамина или гликоля или нескольких этих веществ, с изоцианатным компонентом, например, толуолдиизоцианатом или дифенилметандиизоцианатом. Полиуретан обеспечивает такие свойства заявляемого композиционного материала, как высокая прочность и стойкость к кислотам, щелочам, химикатам, влаге и прочим воздействиям окружающей среды, а также расширенный температурный диапазон использования (от -50°C до +100°C).
В качестве частиц металлов, используемых в заявляемом изобретении, могут быть частицы свинца, вольфрама, висмута, тантала, бария, индия, олова, молибдена, ниобия, тантала, циркония, либо их оксидов, сульфидов, фторидов, либо смесей нескольких из этих веществ. За счет частиц металлов обеспечивается поглощение заявляемым материалом γ-излучения и рентгеновских лучей.
Борная кислота, применяемая в заявляемом изобретении, обеспечивает поглощение заявляемым материалом излучения нейтронов. Кроме того, сочетание полиуретана с борной кислотой повышает огнестойкость заявляемого композиционного материала.
В качестве огнезащитных компонентов, используемых в заявляемом изобретении, могут быть силикаты, фосфаты, сульфиды, гидраты, графиты, амиды, амины и оксиды металлов, например, диоксид титана или диоксид олова. За счет огнезащитных компонентов повышается огнестойкость заявляемого композитного материала.
Вспомогательными веществами, применяемыми в заявляемом изобретении, являются катализаторы, например, триэтилендиамин (DABCO); стабилизаторы, например, силиконовые поверхностно-активные вещества; вспенивающие вещества, например, пентан; а также замедлители реакции полиуретана, например, кетоны. Указанные вещества необходимы для процесса смешивания компонентов заявляемого композиционного материала. Кроме того, вспенивающие вещества улучшают огнестойкость заявляемого материала.
Маркирующими компонентами, используемыми в заявляемом изобретении, могут быть лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций, либо их оксиды, сульфиды, фториды, либо оксидсульфиды. Эти компоненты устойчивы к воздействиям любых явлений окружающей среды, включая радиоактивное облучение, высокие температуры и химикаты всех видов, и позволяют определить класс опасности радиоактивных отходов в случае использования заявляемого композиционного материала для их упаковки.
Композиционный материал получают следующим способом.
Вначале смешивают гидроксилсодержащий компонент полиуретана с частицами металлов, борной кислотой и огнезащитными компонентами при добавлении катализаторов, стабилизаторов и вспенивающих веществ. К смеси может быть добавлен маркирующий компонент. Полученную смесь перемешивают с изоцианатным компонентом полиуретана. Процесс смешивания осуществляют вручную или при помощи смесителей. При смешивании вручную используют замедлители реакции полиуретана.
Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами его конкретного осуществления.
Пример 1.
1. Полиуретан:
Полиэфир-полиол 21,5%
Моноэтиленгликоль 1,5%
Дифенилметандиизоцианат 28,5%
2. Частицы металлов:
Свинец 38,3%
3. Борная кислота 5,2%
4. Огнезащитный компонент:
Графит 4,3%
5. Вспомогательные вещества:
Катализатор DABCO 0,15%
Силиконовый стабилизатор 0,15%
Пентан 0,2%
6. Маркирующий компонент:
Лантан 0,2%
Пример 2.
1. Полиуретан:
Полиэфир-полиол 16,8%
Моноэтиленгликоль 0,8%
Дифенилметандиизоцианат 16,7%
2. Частицы металлов:
Вольфрам 58%
3. Борная кислота 4,8%
4. Огнезащитный компонент:
Графит 2,4%
5. Вспомогательные вещества:
Катализатор DABCO 0,1%
Силиконовый стабилизатор 0,1%
Пентан 0,1%
6. Маркирующий компонент:
Лантан 0,2%
Пример 3.
1. Полиуретан:
Полиэфир-полиол 33,2%
Моноэтиленгликоль 3,5%
Дифенилметандиизоцианат 40,7%
2. Частицы металлов:
Свинец 15,4%
3. Борная кислота 3,2%
4. Огнезащитный компонент:
Графит 3,1%
5. Вспомогательные вещества:
Катализатор DABCO 0,2%
Силиконовый стабилизатор 0,2%
Пентан 0,3%
6. Маркирующий компонент:
Лантан 0,2%
Процесс смешивания компонентов в Примере 1 и Примере 2 осуществляют при комнатной температуре. Процесс смешивания компонентов в Примере 3 осуществляют при температуре более 40°C.
3
Композиционные материалы, полученные в Примерах 1-3 могут быть обработаны в подходящих формах для массивных пластин с плотностью до 3 г/см.
Заявленный композиционный материал для защиты от радиоактивного излучения обладает огнестойкостью более 1000°C, поглощает излучение нейтронов наряду с поглощением γ-излучения и рентгеновских лучей, а также позволяет определить класс опасности радиоактивных отходов в случае использования для их упаковки.