Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
В данной работе приведены области использования различных энергетических установок в жизнедеятельности человека. Приведены примеры традиционных и современных радиационно-защитных материалов, способных обеспечить необходимый уровень биологической защиты и выполнение современных требований норм радиационной безопасности при работе с такими установками. Приведены примеры ряда композиционных радиационно-защитных материалов на основе различных матриц и наполнителей. Приведены примеры композиционных материалов на основе, используемых в качестве строительного радиационно-защитного материала. Приведены некоторые характеристики композиционного материала на основе алюминиевой матрицы и железосодержащих наполнителей.
ионизирующее излучение, радиоактивные газы, биологическая защита, радиационно-защитный материал, композиционный материал, полимерный материал, металлическая матрица, наполнитель, алюминий, железосодержащий наполнитель, конструкционная нагрузка, строительное назначение.
Введение. На сегодняшний день во многих сферах жизнедеятельности человека используются различные энергетические установки, в том числе и те установки, при работе которых возможно испускание ионизирующего излучения различной природы. Ионизирующее излучение - это излучение, энергия которого достаточна для ионизации облучаемой среды (например, тканей тела человека). Человек может столкнуться со следующими разновидностями ионизирующего излучения: электромагнитное (рентгеновское и гамма-излучение) и корпускулярное (альфа-излучение, бета-излучение, нейтронное и протонное излучение, позийтронное излучение и пр.), а также облучением от радиоактивных газов, таких как радон, торон, актинон (образуются в горных породах и минералах при альфа-распаде естественных радиоизотопов радия). Ионизирующее излучение, в отличие от других видов излучений, к примеру, таких как ультрафиолетового, светового, инфракрасного, микроволнового способно вызывать различные физико-химические изменения в клетках организма, вплоть до необратимых [1–2].
И действительно, различные энергетические установки уже широко применяются не только на ядерно-энергетических объектах, но и во многих производственных процессах, медицине. В медицине на сегодняшний день применяют несколько видов радиотерапии: системная лучевая терапия (это лечение облучением всего организма, которое применяется, в частности в терапии злокачественных опухолей щитовидной железы); брахитерапия – лечение внутреннем облучением (метод основан на облучении пораженного органа изнутри с помощью радиоактивных веществ, которые находятся в имплантатах); наружная радиотерапия (источник радиации воздействует на определенную часть организма снаружи); различные рентгенологические диагностические методы. Человек использует в своей жизнедеятельности -дефектоскопы, много разновидностей радиационных приборов технологического контроля, радиационные g-установки, ускорители заряженных частиц, g-терапевтические установки, бортовые атомные электростанции, радионуклидные источники тепловой и электрической энергии, энергоблоки [3–4].
Использование такого большого количества радиационных приборов и установок в жизнедеятельности, конечно выдвигает на первый план проблему обеспечения высокой степени биологической защиты, организации безопасной работы рабочего и обслуживающего персонала с таким оборудованием, а также контакта с таким оборудованием лиц из населения при строгом выполнении требований обеспечения современных норм радиационной безопасности [3–4].
Целью настоящей работы является обзор результатов исследований и последних разработок в области создания современных композиционных радиационно-защитных материалов строительного назначения, способных обеспечить необходимый уровень биологической защиты при эксплуатации вышеперечисленного оборудования.
Основная часть. На сегодняшний день в области радиационно-защитного материаловедения используются такие традиционные материалы как: железосодержащие и вольфрамсодержащие (ослабляют потоки фотонного излучения); свинецсодержащие (ослабляют фотонное излучение); боросодержащие (поглощают тепловые нейтроны); тяжелые и серпентинитовые бетоны (наиболее широко распространенный строительный радиационно-защитный материал); гидриды металлов [4].
Кроме вышеперечисленных широко используемых радиационно-защитных материалов также в мировой практике широко использовались и такие полимер содержащие материалы как: отечественный материал "Неутростоп" (представляет собой защитные блоки, которые изготавливаются из полиэтилена высокой чистоты с определенными добавками и предназначены для защиты от нейтронного и гамма-излучения); зарубежный материал "Pb-B-Poly" (представляющий комбинацию свинца и бора в полиэтилене, содержит водород для торможения быстрых нейтронов, бор для захвата тепловых нейтронов и свинец для подавления гамма-излучения); зарубежный материал "Light-Lead" (предназначеный для защиты от гамма-излучения, представлял собой смесь свинца в инертном полимере); зарубежные гибкие свинцовые обмотки "Lead Blanket" (материал представляет собой гамма-защитный эластомер с высоким содержанием свинца) [4].
В последнее время были разработаны новые виды материалов, которые состоят из двух и более разнородных компонентов, обладающих различными физико-химическими и механическими свойствами. Такие композиционные материалы проектируются на разных основах: полимерных, бетонных, металлических основах. Это и кремнийсодержащие материалы, полимерные композиционные материалы, материалы на основе термопластичных эластомеров, на основе бетонных и металлических матриц и пр. [5–21]. Многие такие композиционные материалы обладают и радиационно-защитными свойствами. Наполнителями таких радиационно-защитных композитов могут быть органосилоксановые материалы, железорудные породы КМА (на магнетитовой и гематитовой основе), термостойкие нанотрубчатые наполнители, нанопорошки вольфрамата свинца, наполнители на основе стальной и чугунной дроби и пр. [22–34].
Известны и такие радиационно-защитные материалы, как: защитные строительные бетоны на основе магнезий и цементов; материалы на основе порошка металлических отходов вольфрама и оксидов диспрозия, гадолиния, церия; полиэтиленсодержащие материалы с аморфным бором, гидроокиси алюминия, бромсодержащие ароматические соединения; на основе смеси каучуков с металлосодержащими наполнителями из оксидов висмута и оксидов редкоземельных элементов легкой и средней группы; жидкого стекла, кремнефтористого натрия, сульфата бария; бутадиенового или бутадиен-нитрильного и дивинилстирольного каучуков, фторопласта-4 и агидола; диметилсилоксанового каучука, катализатора - диэтилдикаприлата олова (IV) в растворе тетраэтоксисилана и наполнителя, содержащего смесь оксидов сурьмы (III) и иттрия; кремнийсодержащего низкомолекулярного каучука, диэтилдикаприлата олова (IV), оксида сурьмы (III), оксида иттрия и оксидов редкоземельных элементов; нефтяного дорожного битума с молотыми отходами оптического стекла; цемента, железорудного концентрата и баритового наполнителя; глетглицеринового цемента, оксида свинца, сажи и стального волокна; гипсосодержащих отходов промышленности и др. [4].
В последнее время интересным и перспективным направлением в области строительно-радиационного материаловедения является разработка новых видов композиционных материалов, на основе металлических алюминиевых матриц и железосодержащих наполнителей. Из композиционных материалов на основе металлических алюминиевых матриц возможно изготовление не только облицовочных материалов, но и сами несущие строительные конструкции, которые могут подвергаться кроме высоких механических воздействий интенсивному воздействию ионизирующего излучения и неоднократным знакопеременным температурным колебаниям [18, 21, 35–44].
Использование алюминия в качестве матрицы позволит придать материалу такие свойства как высокие значения теплопроводности и отражения тепловых потоков, свойства пластичности и стойкости к агрессивным средам, обеспечит монолитность конструкции, минимальную усадку при монтаже и эксплуатации защиты, водонепроницаемость и газонепроницаемость, коррозийную стойкость. Строительные конструкции на основе таких композиционных материалов способны сопротивляться внешним нагрузкам до 700 МПа, выдерживают 40 циклов нагрева до температуры 660 °С и резкого его охлаждения, 24 цикла нагрева до температуры 700 °С и резкого его охлаждения, 11 циклов нагрева до температуры 900 °С и резкого его охлаждения без изменения их геометрии (в случае отсутствие внешних нагрузок) и без образования микротрещин на их поверхности. Такие материалы стабильны по основным физико-механическим свойствам при облучении его потоками быстрых электронов с энергией до 6,2 МэВ с поглощенной дозой до 2 МГр и гамма-излучением с энергией до 1,2 МэВ с поглощенной дозой до 10 МГр [3-4, 42, 44].
Выводы. В данной статье дан обзор современных композиционных радиационно-защитных материалов, имеющие различную матричную основу и наполнители. Многие из таких материалов являются облицовочными. Для строительно-радиационной отрасли актуальным вопросом является использование радиационно-защитных материалов, способных нести значительные нагрузки, которые можно использовать в качестве несущих конструкций. Одними из таких материалов являются композиты на основе алюминиевых матриц с железосодержащими наполнителями, которые обладают высокими физико-механическими и радиационно-защитными характеристиками. Материалы с такими свойствами можно рассматривать в альтернативу традиционно используемых в строительстве бетонных и кирпичных конструкций.
1. Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Ма-тюхин П.В. Радиация и окружающая среда. Учебное пособие для студентов специальности 270105 - Городское строительство и хозяйство. Федеральное агентство по образованию, Белгородский гос. технологический ун-т им. В. Г. Шухова. Белгород, 2009.
2. Павленко В.И., Ветрова Ю.В., Матюхин П.В. Эманирующая способность радона минерального сырья, используемого при изготовлении строительных бетонов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. № 9. С. 39-43.
3. Матюхин П.В. Металлобетонный композит на основе модифицированного высокодисперсного оксида железа и металлического алюминия: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород, 2004.
4. Матюхин П.В. Металлобетонный композит на основе модифицированного высокодисперсного оксида железа и металлического алюминия: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук / Белгород, 2004.
5. Потапов Ю.Б., Соломатов В.И., Лаптев Г.А., Романов Е.П. Металлобетонная смесь // Патент на изобретение RUS 614069 03.01.1977.
6. Черкашина Н.И., Матюхин П.В., Ястребинский Р.Н., Павленко З.В., Демченко О.В Использование кремнийсодержащих структур для получения композитов с повышенной устойчивостью к атомарному кислороду // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 12-6. С. 991-994.
7. Королев Е.В., Евстифеева И.Ю., Само-шин А.П. Композиция для капсулирования радиоактивных и высокотоксичных отходов //Патент на изобретение RUS 2319677 24.07.2006.
8. Черкашина Н.И. Физико-механические характеристики полимерных композитов, устойчивых к ионизирующему излучению // В сборнике: Энерго- и ресурсосберегающие экологически чистые химико-технологические процессы защиты окружающей среды Международная научно-техническая конференция. 2015. С. 277-280.
9. Авраамов Ю.С., Кравченков А.Н., Кра-вченкова И.А., Трубицын П.Н., Шляпин А.Д. Получение антифрикционного композиционного материала на основе силумина АК12 // Известия Московского государственного индустриального университета. 2011. № 3 (23). С. 10-15.
10. Matyukhin P.V. Theoretical preconditions of new kinds of nuclear protective metal composite materials development based on ferric and bismuth oxides capsulated into metallic aluminum matrix // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 2. С. 42.
11. Черкашина Н.И. Воздействие вакуумного ультрафиолета на полимерные композиты терморегулирующего назначения // Международный научно-исследовательский журнал, 2016. № 7-4 (49). С. 72-77.
12. Потапов Ю.Б. Эффективные строительные композиты и конструкции на их основе с комплексом заданных свойств // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 9. С. 9-11.
13. Матюхин П.В. Термостойкие полимерные композиты для нейтронной и гамма-защиты // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 9 (28). С. 39-40.
14. Павленко В.И., Матюхин П.В. Теплоизоляционный бесцементный бетон из вторичных минеральных ресурсов // Строительные материалы. 2005. № 8. С. 22-25.
15. Матюхин П.В., Косов А.В. Композиционные материалы для защиты от космической радиации // В сборнике: Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2016. С. 583-587.
16. Кошкин В.И., Кравченков А.Н., Руденко И.Б., Шляпин А.Д. Применение эффекта адиабатического сдвига для поверхностного легирования конструкционных материалов // Заготови-тельные производства в машиностроении. 2010. № 3. С. 40-43.
17. Матюхин П.В., Бабенко И.К. Материалы для биологической защиты ядерного реактора // В сборнике: Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2016. С. 588-592.
18. Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Дороганов В.А., Черкашина Н.И., Евтушенко Е.И. Термостойкие радиационно-защитные композиционные материалы, эксплуатируемые при высоких температурах // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 7-8. С. 23-25.
19. Павленко В.И., Бондаренко Г.Г., Черкашина Н.И. Разработка нейтронно-защитных полимерных композитов на основе тонкомолотого гидрида титана // Перспективные материалы. 2016. № 7. С. 16-21.
20. Павленко В.И., Черкашина Н.И. Полимерные композиционные материалы на основе полистирольной матрицы // В сборнике: Полимерные композиционные материалы нового поколения для гражданских отраслей промышленности Сборник докладов научной конференции, посвященной 85-летию со дня рождения профессора, д.т.н. Б.В. Перова. Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов. 2015. С. 8.
21. Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Черкашина Н.И., Дороганов В.А., Евтушенко Е.И. Жаропрочный радиационно-защитный композиционный материал конструкционного назначения // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 10. С. 32-36.
22. Баженов Ю.М., Королев Е.В., Самошин А.П., Королева О.В. Выбор заполнителя для радиационно-защитных бетонов вариатропно-каркасной структуры // Региональная архитектура и строительство. 2009. № 1. С. 9-13.
23. Матюхин П.В. Нанотрубчатые наполнители радиационно-защитных композиционных материалов // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 6-1 (25). С. 59-60.
24. Матюхин П.В. Электронно-микроскопические исследования магнетитового железорудного концентрата подвергнутого воздействию высоких давлений прессования // Вестник Белгородского государственного тех-нологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 12. С. 174-182.
25. Матюхин П.В., Ястребинская А.В., Павленко З.В. Использование модифицированного железорудного сырья для получения конструкционной биологической защиты атомных реакторов // Успехи современного естествознания. 2015. № 9-3. С. 507-510.
26. Ястребинская А.В., Матюхин П.В., Павленко З.В., Карнаухов А.В., Черкашина Н.И. Использование гидридсодержащих композитов для защиты ядерных реакторов от нейтронного излучения // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 12-6. С. 987-990.
27. Королев Е.В., Королева О.В., Самошин А.П., Смирнов В.А. Структура и свойства крупнопористых каркасов для радиационно-защитных материалов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2010. № 1 (13). С. 308-314.
28. Матюхин П.В., Бондаренко Ю.М., Павленко В.И. Спектральный анализ наполнителя на основе оксида висмута радиационно-защитного металлокомпозиционного материала // Фундаментальные исследования. 2013. № 1-1. С. 148-152.
29. Гульбин В.Н., Колпаков Н.С., Поливкин В.В. Радио- и радиационно-защитные композиционные материалы с наноструктурными наполнителями // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2014. Т. 10. № 23 (150). С. 43-51.
30. Павленко З.В., Денисова Л.В., Матюхин П.В., Иваницкий Д.А. Использование органосилоксановых структур для получения материалов, устойчивых к вакуумному ультрафиолету // Успехи современного естествознания. 2015. № 9-3. С. 515-518.
31. Матюхин П.В., Ястребинская А.В., Павленко З.В. Использование модифицированного железорудного сырья для получения конструкционной биологической защиты атомных реакторов // Успехи современного естествознания. 2015. № 9. С. 507.
32. Павленко В.И., Черкашина Н.И., Павленко З.В. Синтез нанодисперсного наполнителя для полимерных композиционных материалов терморегулирующего назначения // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2016. Том 8, № 5.С. 21-37.
33. Гуревич Л.М., Новиков Р.Е., Евстропов Д.А. Моделирование прокатки слоистых композитов с алюминидами // Вестник научных конференций. 2016. № 7-3 (11). С. 28-29.
34. Матюхин П.В., Бондаренко Ю.М., Павленко В.И. Синтез высокодисперсного наполнителя на основе гематитового концентрата из водных растворов ионов алюминия для радиационно-защитного металлокомпозиционного материала // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. № 3 (74). С. 80-85.
35. Чердынцев В.В., Горшенков М.В., Данилов В.Д., Калошкин С.Д., Гульбин В.Н. Металломатричные радиационно-защитные композиционные материалы на основе алюминия // Металловедение и термическая обработка металлов. 2013. № 1 (691). С. 14-18.
36. Матюхин П.В., Бондаренко Ю.М., Павленко В.И. Исследование микроструктуры поверхности композиционного материала на основе алюминиевой матрицы // Перспективные ма-териалы. 2013. № 6. С. 22-26.
37. Гуревич Л.М., Арисова В.Н., Пономарева И.А., Щербин Д.В. Воздействие термпературно-временных условий процесса на свойства магниево-алюминиевого композита // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2016. № 2 (181). С. 17-20.
38. Matyukhin P.V. Theoretical preconditions of new kinds of nuclear protective metal composite materials development based on ferric and bismuth oxides capsulated into metallic aluminum matrix // International Journal of Applied and Fundamental Research. 2011. № 2. С. 42.
39. Шляпин А.Д., Кравченков А.Н., Баранов С.И., Михайлюк С.В. Антифрикционный сплав на основе алюминия и способ его получения // Патент на изобретение RUS 2542154 05.09.2013
40. Павленко В.И., Матюхин П.В. Основные аспекты разработки современных радиационно-защитных конструкционных металлокомпозиционных материалов // Современные наукоемкие технологии. 2005. № 10. С. 85-86.
41. Арисова В.Н., Гуревич Л.М., Пономарева И.А., Щербин Д.В. Формирование интерметаллидной зоны на границе двух- и трехслойного магниево-алюминиевого композита // Известия Волгоградского государственного техниче-ского университета. 2016. № 15 (194). С. 11-15
42. Матюхин П.В. Радиационно-защитный конструкционный композиционный материал // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 9 (28). С. 40-41.
43. Попов В.А., Щавелев Л.Н., Гульбин В.Н. Способ изготовления металломатричного композита // Патент на изобретение RUS 2158779 15.03.1999
44. Матюхин П.В. Неорганический радиационно-защитный металлокомпозиционныи материал строительного назначения // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. № 9. С. 35-39.
