Металлобетон – новый высокоэффективный антирадиационный материал

  В связи с развитием ядерной энергетики и все более усиливающимся использованием энергии атома в научных исследованиях, промышленности, здравоохранении, необходимо обеспечить надежную защиту обслуживающего персонала, населения и окружающей среды от опасных радиоактивных воздействий. Особую актуальность проблема защиты получает в связи с аварией на ЧАЭС, участившимися случаями проявления аварийных ситуаций на других атомных станциях, с возрастанием потребности в новых хранилищах радиоактивных отходов и ремонте старых.
   В связи с вышеизложенным возникает необходимость в увеличении объемов изготовления традиционных защитных материалов (тяжелые и особо тяжелые бетоны, свинцовые плиты и трубы и т.д.).
   Следует отметить, что традиционные материалы, применяемые в качестве защиты от радиации, – тяжелые и сверхтяжелые бетоны – недолговечны, склонны со временем к потере радиационностойких свойств и разупрочнению из-за аморфизации кристаллических составляющих и потере конструкционной воды.
   Традиционный защитный материал – свинец, отличающийся высокой коррозионной стойкостью в воде, промышленной атмосфере, кислотосодержащих средах, хорошо ослабляет быстрые нейтроны и g-излучение, но он дорог и дефицитен.
   Целью настоящей работы является оценка возможности использования в качестве антирадиационного материала нового класса строительных материалов – металлобетона.
   Металлобетон (метон) представляет собой композит, состоящий из металлической матрицы, выступающей в качестве связующего, и заполнителей разной степени дисперсности, представляющих собой естественные материалы – горные породы и минералы или искусственные материалы – отходы абразивов, стеклянный и керамический бой, шлаки и др. Применение металлобетонов взамен традиционных бетонов и металлов обеспечивает удешевление изделий по сравнению с чисто металлическими, увеличение прочности, деформативности по сравнению с бетонными изделиями и позволяет сформировать ряд таких специфических свойств, как пониженная теплопроводность, повышенная износостойкость, улучшенные декоративные качества и т.д.
   На кафедре металлических конструкций и сварки в строительстве выполнен комплекс исследований по изучению природы и закономерностей формирования соединений между металлической матрицей и неметаллическими заполнителями в металлобетонах, сформулированы критерии выбора матриц и заполнителей, разработана методика прогнозирования свойств металлобетонов в зависимости от размеров заполнителей.
   На основании выполненных исследований сформулированы основные принципы выбора матриц и заполнителей, обеспечивающие оптимальную структуру и свойства металлобетонов:
   принципиальная возможность установления устойчивых связей между компонентами;
   сохранение сплошности металлической матрицы, заполнителей и зоны соединения между ними при изготовлении металлобетонов;
   возможность прогнозирования и оптимизации прочностных свойств композита;
   экономические аспекты.
   Опираясь на указанные принципы, нами в качестве нового антирадиационного материала разработан металлобетон со свинцовой матрицей и заполнителем из отходов стеклоизделий, содержащих оксиды свинца и бора (марки 3С–4).
   Выбор свинца в качестве материала матрицы объясняется тем, что свинец задерживает быстрые нейтроны и ослабляет g-излучение, имеет низкую температуру плавления, хорошие литейные свойства, характеризуется высоким запасом технологической прочности, что гарантирует получение плотных отливок без трещин и пор. Частичная замена дорогостоящего свинца на дешевый заполнитель обеспечивает экономичность применения нового металлобетона.
   Выбор заполнителя для металлобетона с антирадиационными свойствами определяется необходимостью получения высокоплотного материала с минимальной пористостью и трещиноватостью. Получение такого композита возможно лишь при физико-химической связи между матрицей и заполнителем.
   Показано, что такая надежная связь обеспечивается путем применения стекла с оксидами свинца, которые на поверхности заполнителя вступают в химическую реакцию со свинцовой матрицей, образуя физико-химические связи в зоне контакта матрица-заполнитель. Наличие свинцовых оксидов (до 30 %) в стекле обеспечивает максимальное ослабление g-излучения и способствует торможению и задержке быстрых нейтронов. Оксиды бора обеспечивают задержку тепловых нейтронов, так как бор имеет большое сечение захвата этих нейтронов.
   Выбор аморфного материала в качестве заполнителя, каким является стекло, обусловлен также тем, что этот материал, в отличие от традиционных кристаллических (тяжелых и особо тяжелых бетонов), практически не подвергается разупрочнению при радиационном облучении.
   Заготовки и изделия из нового композита можно получать на основе относительно дешевых литейных технологий, а соединение заготовок на монтаже осуществлять методами пайки низкотемпературными припоями.

   На диаграмме представлены коэффициенты ослабления для разных материалов при величине энергии излучения 1,25 МэВ. Сопоставление коэффициента ослабления в предложенном металлобетоне и известных конструкционных материалах (свинце, меди, железе, алюминии, стекле, бетоне, воде) показало, что он уступает только чистому свинцу. Несмотря на необходимость некоторого увеличения толщины металлобетонных пластин системы свинец – 40 % стекла марки 3С–4 по сравнению с пластинами из чистого свинца, применение предложенного металлобетона в защитных сооружениях позволяет сэкономить до 15 % свинца и дает существенный экономический эффект (340 тыс. руб./м3) при сохранении норм радиационного воздействия на окружающую среду.