Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Ястребинская А.В. 1 Матюхин П.В. 1 Павленко З.В. 1 Карнаухов А.В. 1 Черкашина Н.И. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Авторами рассмотрена возможность получения композиционного материала на основе дроби гидрида титана с целью его использования для биологической защиты транспортных ядерных энергетических установок. Проведены теоретические расчеты и экспериментальные исследования характеристик ослабления нейтронного и гамма излучения композициями на основе гидрида титана. Дана оценка влияния спектров нейтронов и гамма-квантов, падающих со стороны активной зоны на защиту из исследуемого материала, на формирование в нем нейтронных и гамма полей и распределений мощности дозы. Рассчитаны величины длин релаксации для плотности потока быстрых нейтронов и мощности дозы гамма-квантов в исследуемых материалах для областей с установившимся равновесным спектром. Кратности ослабления нейтронного и гамма-излучений зависят от их спектров на передней границе исследуемого материала. Эти спектры формируются материалами конструкций, находящимися перед исследуемыми материалами.

Статья в формате PDF

1299 KB

гидрид титана

дробь

композит

нейтронная защита

кратность ослабления

Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Соколенко И.В., Ястребинская А.В. Нанонаполненные полимерные композиционные радиационно-защитные материалы авиационно-космического назначения // Современные проблемы науки и образования.  – 2012.  – № 6.  – С. 128.

Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Композиционный материал, стойкий к воздействию высокоэнергетических излучений // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2012.  – № 2.  – С. 25–27.

Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. Перспективы создания современных высококонструкционных радиационно-защитных металлокомпозитов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2011.  – № 2.  – С. 27–29.

Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. Композиционный материал для радиационной защиты // Патент РФ №2470395, 20.12.2010.

Матюхин П.В., Ястребинский Р.Н. Исследование механизмов модифицирования поверхности природных железорудных минералов алкилсиликонатами // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология.  – 2005.  – Т. 48.  – № 4.  – С. 140.

Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В., Бондаренко Г.Н. Полимеризация эпоксидного связующего в присутствии добавки полиметилсилоксана // Строительные материалы.  – 2005.  – № 9.  – С. 82–87.

Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В. Структурообразование и свойства легированных эпоксидных композитов // Строительные материалы.  – 2004.  – № 8.  – С. 48–49.

Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Полимерные радиационно-защитные композиты / Монография.  – Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009.  – 199 с.

Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н., Куприева О.В. Термопластичные конструкционные композиционные материалы для радиационной защиты // Перспективные материалы.  – 2010.  – № 6.  – С. 22–28.

Павленко В.И., Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Черкашина Н.И. Радиационно-защитный композиционный материал на основе полистирольной матрицы // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2011.  – № 3.  – С. 113–116.

Павленко В.И., Ястребинская А.В., Павленко З.В., Ястребинский Р.Н. Высокодисперсные органосвинецсилоксановые наполнители полимерных матриц // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки.  – 2010.  – № 2.  – С. 99–103.

Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Ястребинская А.В. Полимерные диэлектрические композиты с эффектом активной защиты // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2009.  – № 3.  – С. 62–66.

Павленко В.И., Липканский В.М., Ястребинский Р.Н. Расчеты процессов прохождения гамма-квантов через полимерный радиационно-защитный композит // Инженерно-физический журнал.  – 2004.  – Т. 77, № 1.  – С. 12–15.

Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов // Перспективные материалы.  – 2006.  – № 3.  – С. 22.

Павленко В.И., Воронов Д.В., Ястребинский Р.Н. Радиационно-защитный тяжелый бетон на основе железорудного минерального сырья // Известия высших учебных заведений. Строительство.  – 2007.  – № 4.  – С. 40–42.

Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Смоликов А.А., Дегтярев С.В., Воронов Д.В. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов // Перспективные материалы.  – 2006.  – № 2.  – С. 47–50.

Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. Тяжелый бетон для защиты от ионизирующих излучений // Строительные материалы.  – 2007.  – № 8.  – С. 48–49.

Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. Исследование тяжелого радиационно-защитного бетона после активации быстрыми нейтронами и гамма-излучением // Инженерно-физический журнал.  – 2008.  – Т. 81.  – № 4.  – С. 661–665.

Павленко В.И., Смоликов А.А., Ястребинский Р.Н., Дегтярев С.В., Панкратьев Ю.В., Орлов Ю.В. Радиационно-защитный бетон для АЭС c РБМК на основе железо-серпентинитовых композиций с цементным связующим // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2004.  – № 8.  – С. 66.

Павленко В.И., Куприева О.В., Черкашина Н.И., Ястребинский Р.Н. Дефектность кристаллов модифицированного гидрида титана, подвергнутого термической обработке // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2015.  – Т. 58, № 5.  – С. 125–129.

Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Матюхин П.В., Ястребинская А.В., Куприева О.В., Самойлова Ю.М. Радиационно-защитные транспортные контейнеры отработавшего ядерного топлива на основе высоконаполненной полимерной матрицы и железорудного сырья КМА // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области.  – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015.  – С. 320–330.

Соколенко И.В., Ястребинский Р.Н., Крайний А.А., Матюхин П.В., Тарасов Д.Г. Моделирование прохождения высокоэнергетических электронов в высоконаполненном полимерном композите // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2013.  – № 6.  – С. 145–148.

Ястребинская А.В., Огрель Л.Ю. Разработка и применение композиционного материала на основе эпоксидиановой смолы для строительных конструкций и теплоэнергетики // Современные наукоемкие технологии.  – 2004.  – № 2.  – С. 173.

Ястребинская А.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Коррозионностойкие полимеркомпозиты на основе эпоксидных и полиэфирных олигомеров для строительства // Перспективы развития строительного комплекса.  – 2012.  – Т. 1.  – С. 243–247.

Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Ястребинская А.В., Матюхин П.В. Структурообразование металлоолигомерных водных дисперсий // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2012.  – № 2.  – С. 121–123.

Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Матюхин П.В., Воронов Д.В., Павленко З.В., Самойлова Ю.М. Конструкционные радиационно-защитные композиционные материалы на основе модифицированных железорудных пород КМА // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области.  – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. –С. 491–499.

Ястребинская А.В., Павленко В.И., Матюхин П.В., Воронов Д.В. Механическая активация полимерных диэлектрических композиционных материалов в непрерывном режиме // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2009.  – № 3.  – С. 74–77.

Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Матюхин П.В., Четвериков Н.А. Композиционный материал для защиты от гамма-излучения // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2011.  – № 3.  – С. 17–20.

Ястребинская А.В. Модифицированный конструкционный стеклопластик на основе эпоксидных олигомеров для строительных изделий: Автореф. дис. канд. техн. наук. / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород. Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004.  – 19 с.

Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Бондаренко Г.Г., Ястребинская А.В., Черкашина Н.И. Модифицированные железооксидные системы  – эффективные сорбенты радионуклидов // Перспективные материалы.  – 2013.  – № 5.  – С. 39–43.

Ястребинский Р.Н., Бондаренко Г.Г., Павленко В.И. Транспортный упаковочный комплект для радиоактивных отходов на основе радиационно-защитной полимерной матрицы / Перспективные материалы.  – 2015.  – № 6.  – С. 25–31.

Pavlenko V.I., Yastrebinskii R.N., Kuprieva O.V., Epifanovskii I.S. Thermoplastic constructional composite material for radiation protection // Inorganic Materials: Applied Research.  – 2011.  – Т. 2, № 2.  – Р. 136–141.

Pavlenko V.I., Yastrebinskii R.N., Lipkanskii V.M. Simulation of the processes of gamma-radiation transport through shielding containers for radioactive waste // Russian Physics Journal.  – 2003.  – Т. 46, № 10.  – Р. 1062–1065.

Pavlenko V.I., Yastrebinskij R.N., Degtyarev S.V. Modeling of processes of interaction of high-energy radiations with radiation-protective oxide of iron composites // Электромагнитные волны и электронные системы.  – 2005.  – Т. 10, № 1–2.  – Р. 46–51.

Гидрид титана является наиболее перспективным материалом биологической защиты корабельных ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) нового поколения благодаря высоким защитным характеристикам по отношению к нейтронному излучению. В сравнении с наполненными полимерами гидрид титана имеет более высокие температуры эксплуатации и допустимый флюенс нейтронов [1-16].

На основе гидрида титана в настоящее время разработаны и внедрены в промышленность четыре материала: брикетированный гидрид титана, порошок гидрида титана, крошка гидрида титана и компактный гидрид титана. Брикетированный гидрид титана и крошка гидрида титана имеют низкую температуру эксплуатации (до 200 °С), что ограничивает их использование в защите ЯЭУ. Применяемый компактный гидрид титана (ГТК), получаемый методом сквозного насыщения титановых заготовок водородом, имеет более высокую термическую и радиационную стойкость. Однако он не поддается механической обработке, в результате чего при формировании блоков защиты возникает необходимость в заполнении образующихся зазоров и полостей материалом на основе крошки гидрида титана и связующего портландцемента. Образующаяся композиция (ГТК-ПЦ) содержит до 5 % мелкой пылевидной фракции (менее 0,2 мм), которая является пожаро- и взрывоопасной, а также основным источником выделения водорода при высоких рабочих температурах эксплуатации.

В связи с этим авторами разработан высококонструкционный материал на основе дроби гидрида титана (ДГТ), позволяющий упростить технологию монтажа защиты ЯЭУ, улучшить ее качество и снизить стоимость. Проведенные испытания показали, что гидрид титана в виде дроби более прочен, не имеет микротрещин, не растрескивается в процессе работы, не образует мелкой взрывоопасной фракции и имеет более высокую температуру эксплуатации. Термостойкость дроби позволит использовать материалы на ее основе в защите, в условиях температурного режима, непосредственно после корпуса реактора [17-25].

Полученные на основе дроби с использованием связующего портландцемента композиционные материалы (КДГТ), найдут широкое применение в конструкции биологической защиты транспортных ЯЭУ от нейтронного излучения. Модифицирование дроби путем введения борсодержащих материалов, с возможным их остекловыванием на поверхности, позволит повысить термическую устойчивость и улучшить защитные свойства композита (КМДГТ) [26-34].

Цель исследования

Для оценки возможности применения разработанных материалов в биологической защите ядерных реакторов провести теоретические расчеты и экспериментальные исследования характеристик ослабления нейтронного и гамма излучения композициями на основе гидрида титана.

Материалы и методы исследования

В работе используется дробь гидрида титана плотностью 3,8 г/см3 и содержанием водорода 3,6 % масс., полученная путем сквозного насыщения расплава гидрида титана водородом в аппарате с прямым нагревом.

Исходя из предположения, что в реальных компоновках защиты водородосодержащим материалам обычно, чаще всего, предшествуют такие, как сталь или свинец, рассматривалось два типа композиций.

В композициях первого типа перед исследуемым материалом располагается сталь. Состав композиций: активная зона (85 см), железоводный отражатель (20 см), стальной корпус реактора (12,5 см), исследуемый материал (150 см).

В композициях второго типа перед исследуемым материалом располагается свинец. До корпуса реактора включительно состав композиций второго типа аналогичен составу композиций первого типа. Далее после корпуса реактора размещается водяной бак (15 см) и защита из свинца (30 см), а затем исследуемый материал (150 см).

Результаты исследования и их обсуждение

На основании полученных нейтронных и гамма полей были рассчитаны величины длин релаксации для плотности потока быстрых нейтронов и мощности дозы гамма-квантов в исследуемых материалах для областей с установившимся равновесным спектром.

Результаты расчета представлены в табл. 1 и табл. 2.

Длина релаксации быстрых нейтронов зависит от содержания в композиционном материале дроби гидрида титана. Величины lбн для материалов КДГТ и КМДГТ (плотность, соответственно, 3,325 и 3,320 г/см3) с максимальным содержанием дроби гидрида титана (соответствующим уплотненному состоянию дроби) на 3-8 % больше по сравнению с материалами ГТК и ГТК-ПЦ большей плотности (плотностью 3,8 и 3,4 г/см3).

В исследуемых материалах водород присутствует за счет основы  – гидрида титана. Добавка водорода за счет затворенной воды, которая может остаться в смеси после сушки, по меньшей мере, на порядок ниже и играет второстепенную роль. Поэтому композиционные материалы ГТК-ПЦ после термообработки при 300 °С (в предположении, что вся затворенная вода уходит), по своим свойствам не уступают материалам КДГТ и КМДГТ, в которых некоторая часть затворенной воды остается.

Как можно заметить, с увеличением толщины расчетного слоя исследуемого материала возрастает величина lбн. Это происходит вследствие ужесточения нейтронного спектра по толщине. А несколько меньшие значения lбн для композиций со сталью можно объяснить тем, что после стали формируется более мягкий спектр для нейтронов в интервале энергий выше 2 МэВ по сравнению со спектром после свинца, поэтому групповое сечение выведения быстрых нейтронов будет больше, а длина релаксации, соответственно, меньше.

Что касается гамма-квантов, то величина lг в материалах в композициях со сталью и со свинцом практически одинакова. Это говорит о том, что характер распределения мощности дозы гамма квантов (МДг) по толщине и величину МДг за защитой определяют натекающие на переднюю стенку и захватные гамма-кванты в начальном слое материала, толщиной несколько сантиметров. Причем в данном случае первая составляющая меньше второй, за исключением материала КМДГТ (за слоем стали).

В пользу такого заключения говорит следующее. Поскольку в рассматриваемых материалах гамма-кванты ослабляются меньше, чем тепловые нейтроны (lг > lт), то по мере увеличения толщины материала убыль первоначальных гамма-квантов (натекающих или образовавшихся в начальном слое) будет меньше, чем прибыль новых захватных гамма-квантов за счет тепловых нейтронов, которые ослабляются более сильно и не в состоянии давать заметную добавку в суммарную величину МДг. Поэтому величина МДг за материалом определяется источником гамма-квантов, находящимся либо в начальном его слое, либо перед ним, и образование собственных захватных гамма-квантов в остальной части материала, а для материала КМДГТ (после стали) вообще во всем материале, роли не играет.

Длина релаксации мощности дозы гамма-квантов в водородсодержащих материалах также изменяется в зависимости от содержания в них дроби гидрида титана, но в установившейся области спектра уже не зависит от впереди стоящего материала. Величины lг для материалов КДГТ и КМДГТ больше по сравнению с материалами ГТК и ГТК-ПЦ на 5 %.

Заключение

Таким образом, кратности ослабления нейтронного и гамма-излучений зависят от их спектров на передней границе исследуемого материала. Эти спектры формируются материалами конструкций, находящимися перед исследуемыми материалами.

Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K и гранта РФФИ, проект № 14-41-08059.

Библиографическая ссылка