ЗАПОЛНИТЕЛЬ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО ЦЕМЕНТНОГО БЕТОНА Российский патент 1995 года по МПК G21F1/00 

Изобретение относится к составам материалов для защиты от излучений, включая альфа-, бета- и гамма-излучения и проникающую радиацию.

Наиболее употребительным материалом для защиты от гамма-излучения является бетон, который содержит цемент в виде связующего и заполнители в виде песка, гравия, а также заполнители в виде барита и (или) руды тяжелых металлов (или сами металлы). Так, известный портландский бетон, повсеместно употребляемый для защиты от излучений, содержит в качестве заполнителя кремневую гальку, гравий, кварцевый песок и т.п. минеральные заполнители. Плотность различных видов обычного портландского бетона составляет 2,0-2,4 г/см³, линейный коэффициент ослабления (ЛКО) гамма-излучения составляет 0,11-0,13 см^-1 (для энергии γ -квантов 1-2 МэВ). Защита из бетона с такой плотностью довольно громоздка и должна иметь значительную толщину.

Для компактной защиты с меньшей толщиной защитного слоя применяют более плотные (более тяжелые) бетоны с железосодержащими или свинцовосодержащими заполнителями. Аналогами таких заполнителей являются свинец и галенит. Бетон с соотношением цемента, песка и заполнителя - свинца 1:2:4 при плотности ρ =5,9 г/см³ имеет следующие характеристики (для энергий γ -квантов 1,25 МэВ): ЛКО μ =0,380 см^-1; массовый коэффициент ослабления (МКО) μ/ρ=0,064 см²/г; слой половинного ослабления (СПО) для γ -лучей d_0,5=1,8 см. Бетон, содержащий цемент-связующее и заполнители в виде песка и галенита в соотношении 1: 2: 4, имеет (для энергии γ -квантов 1,25 МэВ) следующие характеристики: ρ= 4,27 г/см³; μ=0,260 см^-1; μ/ρ=0,06 см²/г; СПО d_0,5=2,7 см. Защита из бетона с заполнителем в виде свинца (свинцовой дроби) или галенита более компактна, чем из обычных бетонов, но она на порядок дороже обычных бетонов.

Основной задачей при конструкции защиты от γ -излучения можно считать снижение веса и толщины защиты. Однако создание компактной защиты с уменьшенной толщиной слоя ведет к возрастанию массы защитного слоя из-за использования тяжелых заполнителей. И наоборот, сохранение степени ослабления γ -лучей при снижении плотности материала влечет за собой необходимость увеличения толщины защиты. В этом заключается основное противоречие при создании эффективной компактной защиты от γ -излучения, поскольку одновременного снижения толщины и массы защитной конструкции практически невозможно достичь для известных применяемых для защиты заполнителей и материалов. Это противоречие требует компромиссного подхода к выбору толщины и массы защиты с учетом ее стоимости. Таким заполнителем бетона, удовлетворяющим этим компромиссным требованиям, является, по-видимому, барит, который наиболее близок к изобретению по технической сущности и достигаемому результату и поэтому принят за прототип.

Баритовый заполнитель [1] применяется в промышленности как утяжелитель (ρ=4,3-4,7 г/см³) для цементизации рыхлых пород при бурении на нефть, в качестве главной составной части штукатурки для стен рентгеновских лабораторий с целью защиты от рентгеновских лучей и т.д. Наличие в заполнителе баритового бетона элемента с большим атомным номером (барий, Z=56) позволяет использовать баритовый бетон для защиты от γ -излучений. Баритовый бетон (ρ= 3,0-3,6 г/см³) содержит в качестве заполнителей песок, гравий и барит и имеет следующие характеристики для энергии γ -квантов 1,25 МэВ: μ =0,15-0,17 см^-1; μ/ρ=0,054-0,057 см²/г, d_0,5=4,0 см.

Однако барит в качестве заполнителя бетона не устраняет изложенного выше основного противоречия при создании эффективной компактной защиты от γ -излучений, поскольку для сохранения степени ослабления γ -лучей при снижении плотности защиты необходимо увеличивать ее толщину. Общая масса защиты из баритового бетона для данной энергии γ -квантов остается неизменной и значительной, что вызывает серьезные трудности при сооружении защиты, особенно для защиты транспортных установок.

Цель изобретения - снижение общей массы слоя защитного материала при сохранении его толщины и степени ослабления излучения, т.е. устранение основного противоречия при создании эффективной компактной защиты от γ -излучения.

Цель достигается применением железомарганцевых конкреций (ЖМК) в качестве заполнителя радиационно-защитного бетона.

Изобретение основано на экспериментально установленном свойстве ЖМК, которое заключается в аномально высоком значении МКО γ -излучения.

ЖМК-минеральные стяжения гидроксидов железа и марганца, которые формируются в результате осаждения растворимых в воде веществ на дне океанов, морей и озер. Кроме железа и марганца в конкрециях присутствуют другие рудные металлы, нерудные элементы, редкие и рассеянные элементы, поэтому ЖМК добываются с морского дна как перспективное минеральное сырье. Кроме традиционного применения ЖМК в качестве минерального сырья на железо, марганец и цветные металлы, они используются также в качестве сорбента ионов металлов и в качестве сорбента отходящих газов.

Заявленный объект является новым, нетрадиционным применением ЖМК в качестве заполнителя радиационно-защитного бетона γ -излучений.

В качестве заполнителя материала для защиты от излучений использовались ЖМК, химический состав которых приведен в табл. 1.

Получение заполнителя из ЖМК состоит из следующих операций: измельчение до крупности 0,1-0,2 мм и прогревание до удаления свободной воды при температуре 110^оС в течение 40-48 ч.

Изобретение иллюстрируют следующие примеры.

П р и м е р ы 1-10. Измельченные до крупности 0,1-0,2 мм и прогретые при t^o= 110^oC в течение 48 ч ЖМК гомогенизировали в магнитном смесителе с полистиролом (ρ = 1,05 г/см³, μ=0,065 см^-1 при Е=1,25 МэВ) в соотношении, мас.%: ЖМК - 76, полистирол - 24, а затем прессовали на гидравлическом прессе при давлении 25-35 МПа в течение 30 с при t^o=20^оС. Полученные таблетки композиционного материала (десять образцов КМП различной толщины от 0,2 до 0,8 см и плотности от 1,68 до 1,72 г/см³) с заполнителем в виде ЖМК исследовались на полупроводниковом гамма-спектрометре при энергии γ -квантов Е₁= 1,17 МэВ и Е₂=1,33 МэВ с целью измерения коэффициентов ослабления (ЛКО) γ-излучения. В табл. 2 представлены средние по примерам 1-10 значения характеристик для десяти образцов защитного материала КМП при Е=1,25 МэВ, включая измеренные значения плотности ρ, ЛКО μ, вычисленные значения МКО μ, СПО μ/ρ, а также значения массы m=ρ ˙ d_0,5 столбика материала с сечением 1 см² и толщиной d_0,5.

П р и м е р 11. Измельченные до крупности 0,1-0,2 мм и прогретые при t^o= 110^oC в течение 46 ч ЖМК использовали в качестве заполнителя радиационно-защитного бетона путем гомогенизации с цементом и кварцевым песком, просеянными соответственно до крупности 0,1 и 0,2 мм, Гомогенизация связующего цемента и заполнителей в виде песка и ЖМК проводилась с добавлением воды (соотношение вода/смесь "цемент + +песок+ЖМК", мас.%: 0,30-0,40). Бетонную смесь разливали в штамп-формы и выдерживали для уверенного схватывания раствора в течение 72 ч.

Полученный бетон имел состав, об.%: Цемент 25 Песок 50 ЖМК 25
П р и м е р 12. Заполнитель на основе ЖМК и радиационно-защитный бетон получали по технологии примера 11 при следующем соотношении компонентов, об.%: Цемент 25 Песок 25 ЖМК 50
П р и м е р 13. Полученный по технологии примера 11 на основе заполнителя из ЖМК бетон содержит, об.%: Цемент 25 ЖМК 75
Полученные в примерах 11-13 бетонные пластины толщиной 14 мм и плотностью соответственно 1,34; 1,31 и 1,15 г/см³ с заполнителем в виде ЖМК исследовались на γ-спектрометре с целью измерения значений ЛКО при энергии γ -излучения Е₁=1,17 и Е₂=1,33 МэВ. Средние значения для Е=1,25 МэВ, измеренной величины μ, вычисленных значений МКО μ/ρ, СПО d_0,5, а также значения m= ρ ˙ d_0,5 приведены в табл. 2.

Полученные экспериментально данные и их сопоставление с известными, в том числе для прототипа, характеристиками показывают, что защитные материалы по примерам 1-13 с заполнителем в виде ЖМК имеют МКО на 25-35% выше среднего значения МКО для всех известных материалов. Экспериментально установленное новое свойство ЖМК, которое заключается в аномально высоком значении МКО γ -излучения, позволяет при сохранении степени ослабления излучения снизить общую массу защитного материала по отношению к известным материалам, включая прототип, в среднем на 20-30%.

Как видно из табл. 2, бетонные пластины с заполнителем из ЖМК (примеры 11-13) имеют меньшую плотность (на 25-45% меньше) и обладают более высоким (на 12-15% больше) значением МКО, чем спрессованные из ЖМК и полистирола таблетки (примеры 1-10), что указывает на практическую возможность использования более простой технологии приготовления эффективного защитного материала в обычных бетономешалках.

Наибольшее снижение общей массы защитного материала с заполнителем из ЖМК (30% по отношению к прототипу) наблюдается у бетонных пластин с соотношением цемента, песка и ЖМК 1:1:2 (пример 12), поскольку МКО для такого бетона выше МКО прототипа - баритового бетона - на 40%.

Снижая общую массу защиты, новое в отличие от традиционного применения ЖМК в качестве заполнителя радиационно-защитного бетона наиболее полно удовлетворяет противоречивым, требующим компромисса требованиям к защитным конструкциям: плотность-толщина, простота технологии, изготовления, удобство применения и стоимость. Поэтому изобретение может эффективно использоваться в различных областях атомной энергетики и экологии, включая защиту транспортных установок, где снижение общей массы защитных конструкций является первоочередной задачей.

Использование: при изготовлении материалов, защищающих от ионизирующих излучений. Сущность изобретения: железомарганцевые конкреции применяются в качестве заполнителя радиационно-защитного бетона на основе цемента. 2 табл.

ЗАПОЛНИТЕЛЬ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО ЦЕМЕНТНОГО БЕТОНА.

Применение железомарганцевых конкреций в качестве заполнителя радиационно-защитного цементного бетона.