Особо тяжелые композиты на основе жидкого стекла для защиты от радиации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Козлов, Юрий Алексеевич

• Козлов, Юрий Алексеевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Козлов, Юрий Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ

ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Ионизирующие излучения и требования к материалам защиты

1.2. Бетоны на минеральной основе, применяемые в защитных конструкциях

1.3. Использование металлов для защиты от радиации

1.4. Радиационная стойкость полимерных материалов

1.5. Действие радиации на стекло

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особо тяжелые композиты на основе жидкого стекла для защиты от радиации»

Появление в последние десятилетия мощных источников ионизирующих излучений и внедрение их практически во все сферы человеческой деятельности, в особенности в энергетику, создали потенциальную угрозу здоровью человека и предпосылки для загрязнения биосферы радиоактивными веществами. В связи с этим вопросы защиты от ионизирующих излучений превратились в одну из важнейших проблем настоящего времени. Серьезность проблемы была ярко продемонстрирована после взрыва и пожара на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. Кроме загрязнения обширных территорий бывшего Советского Союза были частично загрязнены Румыния, Польша, Германия, Австрия, Венгрия, Югославия, Чехословакия, Греция, Турция и Швейцария. Масштабы и особенно последствия этой катастрофы для всего человечества еще далеко не полностью оценены. Авария привела к значительному радиационному воздействию на сотни тысяч участников работ по ликвидации последствий взрыва. В целом по Российской Федерации 7608 населенных пунктов с численностью населения свыше 2,6 миллионов человек отнесены к чернобыльским зонам радиоактивного загрязнения.

Чернобыльская авария, безусловно, является крупнейшей техногенной катастрофой двадцатого века. Последствия, связанные с генетическими изменениями, могут напомнить о Чернобыле через несколько поколений. Существует опасность и от отводов, образующихся в ре9 зультате повседневной работы ядерных реакторов, которых в настоящее время в мире насчитывается около 480. Все эти отходы подлежат тщательной очистке и надежному захоронению.

Несмотря на глобальный характер стоящих задач, многие из них пока находятся на стадии научно-технических разработок. Промышленное захоронение отходов низкой и средней активности осуществляется только Францией и Германией. В США первый склад для длительного хранения высокоактивных отходов, представляющих наибольшую трудность с точки зрения переработки и хранения, планируется ввести в действие в конце 1998 г. В остальных странах пока производятся временные захоронения. Проблема усугубляется тем, что срок эксплуатации ядерных реакторов составляет около 40 лет, то есть, к 2040 году будут закрыты все действующие реакторы, после чего они должны быть демонтированы и захоронены.

Актуальнейшей задачей обеспечения радиационной безопасности является создание эффективных защитных строительных материалов. Принятие окончательного решения о выборе материала для конструкций, длительное время эксплуатируемых в полях ионизирующих излучений, возможно только на основании детального исследования влияния облучения на изменение структуры и свойств применительно к конкретным эксплуатационным условиям (радиационным нагрузкам, напряженному состоянию, температуре, давлению, воздействию агрессивных сред).

В настоящее время защита ядерно-энергетических установок в основном выполняется из бетона на основе минеральных вяжущих с тяжелым заполнителем. В связи с этим проблема поиска эффективных заполнителей имеет особое значение.

Цель работы: создание особо тяжелых материалов, используемых для защиты от радиации и исследование их свойств.

Реализация поставленной цели достигается использованием в качестве заполнителя отходов производства оптического стекла, оптимизацией состава материалов, введением модифицирующих добавок и выбором метода изготовления.

Научная новизна состоит в создании радиационно-стойких высокоплотных композитов на основе жидкого стекла. Исследована структура жидкостекольных композитов методами инфракрасной спектроскопии, дифференциального термогравиметрического и рентгенофазового анализа. Изучены зависимости прочности, плотности, истираемости, дефор-мативных свойств, коэффициента ослабления у - лучей, радиационной стойкости предлагаемых материалов от различных факторов /модифицирующих добавок, изменения дисперсности наполнителя, степени наполнения, режима прессования/.

Практическая значимость работы заключается в создании особо тяжелых радиационно-стойких материалов с высокими значениями коэффициента ослабления гамма-излучения на основе отходов производства оптического стекла с использованием дешевого связующего - жидкого стекла. Разработанные материалы могут применяться в качестве несущих и ограждающих элементов конструкций защиты от ионизирующих излучений, использоваться в качестве защитных обмазок при ремонте и усилении существующих конструкций. Разработана и опробована технология изготовления прессованных 'штучных изделий в виде плитки, кирпичей и блоков.

Результаты разработок внедрены в производство научно-производственной фирмой "Экватор", и/я А-3293.

Апробация работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 научных работ, получено три патента, сделаны доклады и сообщения на межреспубликанском семинаре "Новые строительные композиты из природных и технологических продуктов", Калининград - Юрмала, 1991 г., научно-технической конференции "Утилизация отходов в производстве строительных материалов", Пенза, 1992 г., $

XXIV Международной конференции по 6е1чэну и железобетону "Кавказ -92",Москва, 1992 г., научно-технической конференции "Экологические аспекты технологии производства строительных материалов, изделий и конструкций", Белгород, 1993 г., на XXVII научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в строительстве", Пенза, 1993 г., на XXVIII научно-технической конференции, Пенза, 1995 г., Международной конференции "International cooperation in the field of Arhitec-ture, civil Engineering and Environment protection", Турция, 1997 г., Международной научно-технической конференции "Problems of Ecopo-lis", Таиланд, 1998 г.

Настоящая работа выполнена в рамках комплексной госбюджетной научно-технической программы Пензенской ГАСА Минвуза РФ по теме «Создание и исследование свойств высоконаполненных материалов для защиты от радиации» (№ г.р. 01940006418).

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Козлов, Юрий Алексеевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны новые эффективные радиационнозащитные композиты на основе жидкого стекла и отходов производства оптического о стекла. Композиты имеют плотность 3800-4150 кг/м и предел прочности при сжатии 35-50 МПа. Коэффициент ослабления у - лучей при энергии фотонов 0,662 МэВ составляет 0,290-0,325 см"1.

2. На основании экспериментальных и расчетных данных показано, что разработанные композиты, содержащие компоненты различного химического состава, эффективно сочетают в себе защитные свойства от гамма-излучения и нейтронов (для полученных материалов макроскоА пическое сечение выведения нейтронов составляет 0,086-0,093 см" , для обычного бетона — 0,094 см"1).

3. Изучено влияние термообработки на характер процесса твердения композитов. Экспериментально установлена предельная температура их эксплуатации.

4. Установлены зависимости средней плотности, прочности, пористости и износостойкости композитов от вида и концентрации добавок, степени наполнения, вида отвердителя, дисперсности наполнителя, технологии изготовления и поглощенной дозы у - облучения. Показано позитивное влияние добавок оксида свинца и барита на свойства композитов. Выявлено, что наибольший эффект от введения модифицирующих добавок достигается при добавлении их в количестве 5-10 % от массы наполнителя.

5. Изучено влияние различных факторов на деформативные свойства композитов и усадочные деформации. Линейная усадка композитов оптимального состава составляет 0,31-0,43 %. Добавки оксида свинца и сульфата бария снижают усадочные деформации на 10-25 %.

6. Исследованы водопоглощение и водостойкость композитов, а также степень их выщелачивания в воде. Водопоглощение композитов оптимального состава после 3-х месячного пребывания образцов в воде составляет 1,5 %, коэффициент водостойкости равен 0,87-0,91. Пропитка образцов расплавленной серой приводит к значительному снижению их водопоглощения. Изучено влияние у - облучения, а так же вида наполнителя и ускорителя твердения на степень выщелачивания композитов в воде.

7. С помощью инфракрасной спектроскопии, термических и рентгеновского методов анализа проведены исследования структуры композитов и выявлены изменения, происходящие в структуре в результате воздействия различных доз гамма-облучения. Установлено, что с возрастанием поглощенной дозы происходит уменьшение количества воды в композитах. Показано, что в структуре композитов, изготовленных на основе отхода производства оптического стекла, до облучения преобладает цепочечный кремнекислородный мотив, с возрастанием поглощенной дозы постепенно происходит частичная перестройка цепочечного мотива в ортосиликатный.

8. На основании данных термогравиметрического анализа проведено сравнение влияния гамма-облучения на структуру композитов, изготовленных на различных наполнителях. Установлено, что добавки оксида свинца и барита способствуют повышению стойкости композитов к гамма-облучению.

9. С помощью рентгенофазового анализа установлено, что в структуре композитов, несмотря на длительный срок твердения образцов, преобладают аморфные фазы. Показано, что гамма-облучение несколько повышает степень закристаллизованности структуры.