Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
BBK 383 Строительные материалы и изделия
In this work we present the use of various power plants in human life. Examples of traditional and modern radiation-protective materials that can provide the necessary level of biological protection and implementation of modern requirements of norms of radiation safety when working with such plants. Examples of a number of radiation-protective composites based on different matrices and fillers. Examples of composite-based materials used in the repair of radiation-protective material. Given some of the characteristics of composite material based on aluminum matrix and ferrous fillers.
ionizing radiation, radioactive gases, biological protection, radiation protection material, composite material, polymeric material, metal matrix, filler, aluminum, iron filler, structural loading, and construction purposes
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. Pavlenko V.I., Yastrebinskiy R.N., Ma-tyuhin P.V. Radiaciya i okruzhayuschaya sreda. Uchebnoe posobie dlya studentov special'nosti 270105 - Gorodskoe stroitel'stvo i hozyaystvo. Federal'noe agentstvo po obrazovaniyu, Belgorodskiy gos. tehnologicheskiy un-t im. V. G. Shuhova. Belgorod, 2009.
2. Pavlenko V.I., Vetrova Yu.V., Matyuhin P.V. Emaniruyuschaya sposobnost' radona mineral'nogo syr'ya, ispol'zuemogo pri izgotovlenii stroitel'nyh betonov // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2007. № 9. S. 39–43.
3. Matyuhin P.V. Metallobetonnyy kompozit na osnove modificirovannogo vysokodispersnogo oksida zheleza i metallicheskogo alyuminiya: avtoref. dis. na soiskanie uchenoy stepeni kand. tehn. nauk / Belgorodskiy gosudarstvennyy tehnologicheskiy universitet im. V.G. Shuhova. Belgorod, 2004.
4. Matyuhin P.V. Metallobetonnyy kompozit na osnove modificirovannogo vysokodispersnogo oksida zheleza i metallicheskogo alyuminiya: dis. na soiskanie uchenoy stepeni kand. tehn. nauk / Belgorod, 2004.
5. Potapov Yu.B., Solomatov V.I., Laptev G.A., Romanov E.P. Metallobetonnaya smes' // Patent na izobretenie RUS 614069 03.01.1977.
6. Cherkashina N.I., Matyuhin P.V., Yastrebinskiy R.N., Pavlenko Z.V., Demchenko O.V Ispol'zovanie kremniysoderzhaschih struktur dlya polucheniya kompozitov s povyshennoy ustoychivost'yu k atomarnomu kislorodu // Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnyh i fundamental'nyh issledovaniy. 2015. № 12-6. S. 991–994.
7. Korolev E.V., Evstifeeva I.Yu., Samo-shin A.P. Kompoziciya dlya kapsulirovaniya radioaktivnyh i vysokotoksichnyh othodov //Patent na izobretenie RUS 2319677 24.07.2006.
8. Cherkashina N.I. Fiziko-mehanicheskie harakteristiki polimernyh kompozitov, ustoychivyh k ioniziruyuschemu izlucheniyu // V sbornike: Energo- i resursosberegayuschie ekologicheski chistye himiko-tehnologicheskie processy zaschity okruzhayuschey sredy Mezhdunarodnaya nauchno-tehnicheskaya konferenciya. 2015. S. 277–280.
9. Avraamov Yu.S., Kravchenkov A.N., Kra-vchenkova I.A., Trubicyn P.N., Shlyapin A.D. Poluchenie antifrikcionnogo kompozicionnogo materiala na osnove silumina AK12 // Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo industrial'nogo universiteta. 2011. № 3 (23). S. 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 // Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnyh i fundamental'nyh issledovaniy. 2011. № 2. S. 42.
11. Cherkashina N.I. Vozdeystvie vakuumnogo ul'trafioleta na polimernye kompozity termoreguliruyuschego naznacheniya // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal, 2016. № 7-4 (49). S. 72–77.
12. Potapov Yu.B. Effektivnye stroitel'nye kompozity i konstrukcii na ih osnove s kompleksom zadannyh svoystv // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2010. № 9. S. 9–11.
13. Matyuhin P.V. Termostoykie polimernye kompozity dlya neytronnoy i gamma-zaschity // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal. 2014. № 9 (28). S. 39–40.
14. Pavlenko V.I., Matyuhin P.V. Teploizolyacionnyy bescementnyy beton iz vtorichnyh mineral'nyh resursov // Stroitel'nye materialy. 2005. № 8. S. 22–25.
15. Matyuhin P.V., Kosov A.V. Kompozicionnye materialy dlya zaschity ot kosmicheskoy radiacii // V sbornike: Mezhdunarodnaya nauchno-tehnicheskaya konferenciya molodyh uchenyh BGTU im. V.G. Shuhova Belgorodskiy gosudarstvennyy tehnologicheskiy universitet im. V.G. Shuhova. 2016. S. 583–587.
16. Koshkin V.I., Kravchenkov A.N., Rudenko I.B., Shlyapin A.D. Primenenie effekta adiabaticheskogo sdviga dlya poverhnostnogo legirovaniya konstrukcionnyh materialov // Zagotovi-tel'nye proizvodstva v mashinostroenii. 2010. № 3. S. 40–43.
17. Matyuhin P.V., Babenko I.K. Materialy dlya biologicheskoy zaschity yadernogo reaktora // V sbornike: Mezhdunarodnaya nauchno-tehnicheskaya konferenciya molodyh uchenyh BGTU im. V.G. Shuhova Belgorodskiy gosudarstvennyy tehnologicheskiy universitet im. V.G. Shuhova. 2016. S. 588–592.
18. Matyuhin P.V., Pavlenko V.I., Yastrebinskiy R.N., Doroganov V.A., Cherkashina N.I., Evtushenko E.I. Termostoykie radiacionno-zaschitnye kompozicionnye materialy, ekspluatiruemye pri vysokih temperaturah // Ogneupory i tehnicheskaya keramika. 2014. № 7-8. S. 23–25.
19. Pavlenko V.I., Bondarenko G.G., Cherkashina N.I. Razrabotka neytronno-zaschitnyh polimernyh kompozitov na osnove tonkomolotogo gidrida titana // Perspektivnye materialy. 2016. № 7. S. 16–21.
20. Pavlenko V.I., Cherkashina N.I. Polimernye kompozicionnye materialy na osnove polistirol'noy matricy // V sbornike: Polimernye kompozicionnye materialy novogo pokoleniya dlya grazhdanskih otrasley promyshlennosti Sbornik dokladov nauchnoy konferencii, posvyaschennoy 85-letiyu so dnya rozhdeniya professora, d.t.n. B.V. Perova. Vserossiyskiy nauchno-issledovatel'skiy institut aviacionnyh materialov. 2015. S. 8.
21. Matyuhin P.V., Pavlenko V.I., Yastrebinskiy R.N., Cherkashina N.I., Doroganov V.A., Evtushenko E.I. Zharoprochnyy radiacionno-zaschitnyy kompozicionnyy material konstrukcionnogo naznacheniya // Ogneupory i tehnicheskaya keramika. 2014. № 10. S. 32-36.
22. Bazhenov Yu.M., Korolev E.V., Samoshin A.P., Koroleva O.V. Vybor zapolnitelya dlya radiacionno-zaschitnyh betonov variatropno-karkasnoy struktury // Regional'naya arhitektura i stroitel'stvo. 2009. № 1. S. 9–13.
23. Matyuhin P.V. Nanotrubchatye napolniteli radiacionno-zaschitnyh kompozicionnyh materialov // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal. 2014. № 6-1 (25). S. 59–60.
24. Matyuhin P.V. Elektronno-mikroskopicheskie issledovaniya magnetitovogo zhelezorudnogo koncentrata podvergnutogo vozdeystviyu vysokih davleniy pressovaniya // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo teh-nologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2016. № 12. S. 174–182.
25. Matyuhin P.V., Yastrebinskaya A.V., Pavlenko Z.V. Ispol'zovanie modificirovannogo zhelezorudnogo syr'ya dlya polucheniya konstrukcionnoy biologicheskoy zaschity atomnyh reaktorov // Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2015. № 9-3. S. 507–510.
26. Yastrebinskaya A.V., Matyuhin P.V., Pavlenko Z.V., Karnauhov A.V., Cherkashina N.I. Ispol'zovanie gidridsoderzhaschih kompozitov dlya zaschity yadernyh reaktorov ot neytronnogo izlucheniya // Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnyh i fundamental'nyh issledovaniy. 2015. № 12-6. S. 987–990.
27. Korolev E.V., Koroleva O.V., Samoshin A.P., Smirnov V.A. Struktura i svoystva krupnoporistyh karkasov dlya radiacionno-zaschitnyh materialov // Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2010. № 1 (13). S. 308–314.
28. Matyuhin P.V., Bondarenko Yu.M., Pavlenko V.I. Spektral'nyy analiz napolnitelya na osnove oksida vismuta radiacionno-zaschitnogo metallokompozicionnogo materiala // Fundamental'nye issledovaniya. 2013. № 1-1. S. 148–152.
29. Gul'bin V.N., Kolpakov N.S., Polivkin V.V. Radio- i radiacionno-zaschitnye kompozicionnye materialy s nanostrukturnymi napolnitelyami // Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2014. T. 10. № 23 (150). S. 43–51.
30. Pavlenko Z.V., Denisova L.V., Matyuhin P.V., Ivanickiy D.A. Ispol'zovanie organosiloksanovyh struktur dlya polucheniya materialov, ustoychivyh k vakuumnomu ul'trafioletu // Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2015. № 9-3. S. 515–518.
31. Matyuhin P.V., Yastrebinskaya A.V., Pavlenko Z.V. Ispol'zovanie modificirovannogo zhelezorudnogo syr'ya dlya polucheniya konstrukcionnoy biologicheskoy zaschity atomnyh reaktorov // Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2015. № 9. S. 507.
32. Pavlenko V.I., Cherkashina N.I., Pavlenko Z.V. Sintez nanodispersnogo napolnitelya dlya polimernyh kompozicionnyh materialov termoreguliruyuschego naznacheniya // Nanotehnologii v stroitel'stve: nauchnyy internet-zhurnal. 2016. Tom 8, № 5.S. 21–37.
33. Gurevich L.M., Novikov R.E., Evstropov D.A. Modelirovanie prokatki sloistyh kompozitov s alyuminidami // Vestnik nauchnyh konferenciy. 2016. № 7-3 (11). S. 28–29.
34. Matyuhin P.V., Bondarenko Yu.M., Pavlenko V.I. Sintez vysokodispersnogo napolnitelya na osnove gematitovogo koncentrata iz vodnyh rastvorov ionov alyuminiya dlya radiacionno-zaschitnogo metallokompozicionnogo materiala // Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2013. № 3 (74). S. 80–85.
35. Cherdyncev V.V., Gorshenkov M.V., Danilov V.D., Kaloshkin S.D., Gul'bin V.N. Metallomatrichnye radiacionno-zaschitnye kompozicionnye materialy na osnove alyuminiya // Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2013. № 1 (691). S. 14–18.
36. Matyuhin P.V., Bondarenko Yu.M., Pavlenko V.I. Issledovanie mikrostruktury poverhnosti kompozicionnogo materiala na osnove alyuminievoy matricy // Perspektivnye ma-terialy. 2013. № 6. S. 22–26.
37. Gurevich L.M., Arisova V.N., Ponomareva I.A., Scherbin D.V. Vozdeystvie termperaturno-vremennyh usloviy processa na svoystva magnievo-alyuminievogo kompozita // Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2016. № 2 (181). S. 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. S. 42.
39. Shlyapin A.D., Kravchenkov A.N., Baranov S.I., Mihaylyuk S.V. Antifrikcionnyy splav na osnove alyuminiya i sposob ego polucheniya // Patent na izobretenie RUS 2542154 05.09.2013
40. Pavlenko V.I., Matyuhin P.V. Osnovnye aspekty razrabotki sovremennyh radiacionno-zaschitnyh konstrukcionnyh metallokompozicionnyh materialov // Sovremennye naukoemkie tehnologii. 2005. № 10. S. 85–86.
41. Arisova V.N., Gurevich L.M., Ponomareva I.A., Scherbin D.V. Formirovanie intermetallidnoy zony na granice dvuh- i trehsloynogo magnievo-alyuminievogo kompozita // Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tehniche-skogo universiteta. 2016. № 15 (194). S. 11–15
42. Matyuhin P.V. Radiacionno-zaschitnyy konstrukcionnyy kompozicionnyy material // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal. 2014. № 9 (28). S. 40–41.
43. Popov V.A., Schavelev L.N., Gul'bin V.N. Sposob izgotovleniya metallomatrichnogo kompozita // Patent na izobretenie RUS 2158779 15.03.1999
44. Matyuhin P.V. Neorganicheskiy radiacionno-zaschitnyy metallokompozicionnyi material stroitel'nogo naznacheniya // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2007. № 9. S. 35–39.
