Barite-containing radiation protective building materials

Full Text

Введение[‡‡‡‡‡] В современном мире ядерные технологии являются широко востребованными во многих отраслях промышленности. Наиболее активно использующей и развивающей эти технологии отраслью является ядерная энергетика. Согласно данным World Nuclear Industry Status Report, в 2018 году ядерная энергетика составляла 10,18 % от общей доли производства электроэнергии в мире, в России этот показатель составил 17,9 %. По данным на начало 2020 года количество действующих ядерных реакторов составляет 414, из них 38 на территории России. В стадии строительства находятся 49 атомных электростанций, в том числе 3 на территории России: Курская АЭС - 2, Ленинградская АЭС - 2, Плавучая атомная теплоэлектростанция г. Певек (Чукотский автономный округ) [1]. В соответствии с государственной программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса» ожидается, что к 2027 году объем выработки электрической энергии атомными электростанциями, расположенными на территории России, составит не менее 221,7 млрд кВт·ч в год [2]. Однако, как известно, использование ядерных технологий требует эффективной защиты как человека, так и окружающей среды от опасных последствий. По этой причине и на фоне активного развития атомной промышленности все больший интерес вызывает создание высокоэффективных и относительно дешевых радиационно-защитных материалов. 1. Ионизирующие излучения и радиационно-защитные материалы Существует два вида ионизирующих излучений: электромагнитные и корпускулярные. Электромагнитные ионизирующие излучения представляют собой поток фотонов с чрезвычайно малой длиной волны, к ним относятся рентгеновское излучение, γ-излучение и тормозное излучение, возникающие при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц. Корпускулярное излучение представляет собой пучки ядерных частиц, ядер элементов или ионов. Это могут быть либо заряженные электроны, протоны и ионы, либо не имеющие заряда ядерные частицы - нейтроны. Наибольшую опасность представляют частицы и кванты, обладающие высокой проникающей способностью, а именно рентгеновское излучение, γ-излучение и быстрые нейтроны. Проникающая способность электромагнитных видов ионизирующих излучений в материале в большей степени зависит от плотности и состава этого материала. Наиболее эффективно электромагнитные ионизирующие излучения ослабляются при столкновении с элементами, обладающими высокими атомными номерами. По этой причине для защиты от рентгеновского и γ-излучений целесообразно использовать бетоны на тяжелых заполнителях, таких как барит, железная руда, лимонтит, магнетит, металлический скрап и т. п. [3]. Высокая проникающая способность нейтронов обуславливается отсутствием заряда, вследствие чего они не взаимодействуют с электронами атомных оболочек и беспрепятственно проникают вглубь атомов. При столкновениях с атомами тяжелых элементов происходит упругое отталкивание, в результате которого нейтрон практически не теряет энергии, однако при столкновении с почти равными им по массе ядрами водорода - протонами - энергия нейтрона уменьшается в среднем вдвое, передаваясь протону отдачи [4]. Исходя из этого перспективно использование в качестве искусственной добавки для радиационно-защитных бетонов компонентов, способствующих образованию кристаллов эттрингита. Эттрингит является высокосульфатной формой гидросульфоаллюмината кальция 3CaO∙Al2O3∙3CaSO4∙32H2O [5]. Перспективность его использования определяется наличием в этих кристаллах большого количества химически связанной воды, что может способствовать замедлению быстрых нейтронов. 2. Баритовые бетоны Бетоны, содержащие в своем составе барит, получили широкое распространение в области радиационно-защитных материалов. В качестве сырья для радиационно-защитных бетонов используется баритовая руда. В состав баритовой руды входят минерал барит BaSO4, кремнезем SiO2, оксиды железа Fe3O4, оксид алюминия Al2O3, оксид магния MgO и оксид кальция CaO [6]. Плотность баритовых бетонов составляет от 2,7 до 3,8 т/м3, прочность на сжатие 16-30 МПа, на растяжение не более 3 МПа [6-9]. К преимуществам, по сравнению с другими материалами для защиты от ионизирующих излучений, следует отнести тот факт, что, в отличии от свинца, барит безвреден для человеческого организма и окружающей среды [10; 11], а среди материалов, включающих элементы с большими атомными номерами, является экономически выгодным. Еще одно важное преимущество барита - отсутствие вторичных гамма-излучений высоких энергий, которые могут возникать при поглощении нейтронов ядрами атомов [12]. Среди недостатков бетонов c баритовыми наполнителями и заполнителями отмечают высокую подверженность усадочным деформациям и слабую устойчивость к циклическим температурным воздействиям, обусловленную неодинаковым по кристаллическим осям температурным расширением dx = 19·10-6 К-1; dy = 22·10-6 К-1; dz = 35·10-6 К-1 [6; 7; 12]. Использование барита в качестве наполнителя и заполнителя для тяжелых бетонов активно исследуется учеными со всего мира. Чаще всего при исследовании баритовых бетонов предлагается частичная или полная замена кварцевого песка на баритовый в качестве мелкого заполнителя в составе бетонной смеси. При этом наблюдается прирост величины коэффициента линейного поглощения γ-лучей до 19 % [13-15], однако частичная замена кварцевого песка в объеме 40 % на баритовый позволяет добиться защиты как от γ-лучей, так и от нейтронного излучения. Что касается механических характеристик бетонов на баритовом песке, то присутствуют незначительное снижение прочности на сжатие и практически двукратное снижение прочности на изгиб, но при грамотной оптимизации состава возможно добиться показателей, равных или превосходящих показатели бетона на кварцевом песке [16]. Например, в составе с добавлением 5 % нанокремнезема прочность бетона на баритовом заполнителе на сжатие и изгиб была выше на 4 и 17 % соответственно, чем для бетонов на кварцевом песке [17]. Помимо использования барита в качестве наполнителя и заполнителя тяжелых бетонов, подтверждена эффективность сухих строительных смесей для нанесения в виде штукатурки или напольного покрытия на внутренние или наружные поверхности экранируемого помещения [18; 19]. Заключение Баритовые бетоны нашли широкое применение в области радиационно-защитных материалов благодаря экологичности, экономическим показателям и защитным свойствам. Несмотря на очевидные недостатки, баритовые бетоны остаются перспективным материалом, востребованным на объектах активно развивающейся атомной промышленности.

About the authors

Nikolay V. Novikov

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: okolnikova-ge@rudn.ru

1-year postgraduate student of the Department of “Technology of Binders and Concrete” of MGSU

26 Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation

Svetlana V. Samchenko

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Email: okolnikova-ge@rudn.ru

Professor of the Department of “Technology of Binders and Concrete” of MGSU, Doctor of Technical Sciences, Professor

26 Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation

Galina E. Okolnikova

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: okolnikova-ge@rudn.ru

Associate Professor of the Department of Construction of Engineering Academy of RUDN University, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

References

Supplementary files