Характеристики защитных материалов

Материалы, используемые для защиты от излучений, должны обладать определенным набором свойств, главным из которых следует считать высокие защитные свойства по отношению как к нейтронам, так и к γ-излучению. Для этого материал должен

- содержать ядра легких и тяжелых элементов;

- иметь, по возможности, высокую плотность;

- обладать достаточной прочностью;

- обладать высокой радиационной и термической стойкостью;

- быть химически инертным и не выделять газов (особенно токсичных) при нагревании и воздействии излучения;

- обладать достаточно высокой теплопроводностью;

- обладать малыми линейными и объемными коэффициентами расширения при нагревании;

- иметь минимальную усадку;

- иметь невысокую стоимость.

Многие из этих требований противоречивы, и в природе не существует материалов одновременно удовлетворяющих всем им.

Выбор компоновки и материала защиты зависит от многих факторов, но прежде всего от источника ионизирующего излучения, в частности, от вида испускаемого излучения. Это обусловлено тем, что процессы взаимодействия различных видов излучения существенно различны. Так, для поглощения γ-квантов требуются тяжелые вещества, и основным показателем защитных свойств материала по отношению к γ-излучению служит линейный коэффициент ослабления. Защиту от нейтронов следует рассчитывать исходя из энергетического спектра нейтронов, падающих на защиту, т.к. материал, обладающий высокими защитными качествами для какой-то одной энергетической группы нейтронов, может иметь низкие защитные качества для другой группы. Поскольку вопрос о защитных свойствах материала по отношению к γ-излучению решается сравнительно просто[45], дальше при описании материалов приводятся, в основном, их характеристики защитных свойств по отношению к нейтронам.

Рассмотрим характеристики защитных материалов на примере излучения реактора (см. рис. 1.12, гл. 1).

По распространению нейтронов в средах обычно выделяются следующие группы материалов:

легкие водородсодержащие (вода, полиэтилен) – эффективные замедлители нейтронов;

легкие, не содержащие водород (углерод, карбид бора), используются при ограничениях на введение в защиту водородсодержащих сред;

состоящие из элементов со средним атомным номером (бетон, минералы);

тяжелые вещества (Fe, Pb, Mo, W), применяемые для снижения потока γ-излучения и улучшения свойств защиты от быстрых нейтронов благодаря высоким сечениям неупругого рассеяния;

металловодородсодержащие, железографитсодержащие среды.

Легкие материалы. В качестве легкого водородсодержащего вещества чаще всего используется вода. Это дешевый материал, легко подвергается очистке от примесей, обеспечивает хороший отвод тепла и обладает отличными защитными свойствами от быстрых нейтронов[46].

Прохождение быстрых нейтронов реактора в воде определяется, в основном, быстрыми нейтронами с энергией Е _n ≥ 1,5 МэВ; накопления замедляющихся нейтронов не происходит из-за большой относительной концентрации ядер водорода, и начиная с толщины водной защиты около 20 см устанавливается практически постоянное энергетическое распределение нейтронов. Поэтому на большой глубине в воде при исходном реакторном спектре вклад замедляющихся нейтронов в дозу можно учесть независимым от толщины множителем k _доз, который выражает отношение полной дозы нейтронного излучения к дозе быстрых нейтронов. Если в качестве граничной энергии быстрых нейтронов выбрать 2 МэВ, то k _доз ≈ 2,0, т.е. примерно половина дозы обусловлена быстрыми нейтронами, а другая половина – замедляющимися и медленными.

Следует отметить, что при прохождении нейтронов в воде образуется захватное γ-излучение с энергией 2,23 МэВ по реакции ¹Н(n, γ)²H, которое может дать значительный вклад в эффективную дозу за защитой, если в ней отсутствуют тяжелые поглотители. С целью уменьшения выхода этого излучения в водную защиту часто вводятся растворимые соединения бора. Добавка 1 % по массе бора приводит к уменьшению вклада захватного γ-излучения примерно в четыре раза.

Вместо воды в качестве водородсодержащих сред могут использоваться полиэтилен и гидриды металлов. В полиэтилене водорода содержится на 18 % (по массе) больше, чем в воде, поэтому для достижения одного и того же ослабления нейтронов требуется толщина полиэтилена меньшая, чем воды. Однако полиэтилен горюч и при горении выделяет токсичные газы.

В защите на АЭС полиэтилен не используют из-за невысокой рабочей температуры (максимальная температура использования полиэтилена в защите 60 ºС) и сравнительно высокой стоимости, но для лабораторных источников и исследовательских установок он очень удобен, т.к. не требует сооружения больших емкостей.

Если защита эксплуатируется при достаточно высокой температуре, а организовать ее охлаждение затруднительно, то в качестве легкого материала можно использовать графит или карбид бора. Графит применяют в виде блоков, а карбид бора – в виде засыпки.

Следует отметить некоторые особенности формирования поля излучения в углероде: в отличие от воды, в углероде равновесный спектр не устанавливается. Поэтому в зависимости от толщины среды вклад в полную мощность дозы от отдельных энергетических групп будет изменяться. Однако при толщине углерода 50 – 60 г/см² и более полная доза нейтронов от источника нейтронов деления определяется тепловыми нейтронами[47]. Графит является единственным материалом, в котором вклад в дозу от нейтронов тепловых энергий во много раз превышает вклад от нейтронов других энергий. Добавление в графит бора (2 – 3 % по массе) изменяет картину: вклад тепловых нейтронов в мощность дозы становится пренебрежимым, в защите устанавливается равновесное состояние с k _доз = 4,8 (при Е _гр = 2 МэВ).

Тяжелые материалы. Это понятие не связывают с удельной плотностью – к этой группе относят все материалы, для которых основным процессом взаимодействия для быстрых нейтронов является неупругое рассеяние. Поскольку этот процесс пороговый, а сброс энергии за счет упругого рассеяния в подпороговой области сопровождается слишком малой потерей энергии в каждом акте рассеяния, то в защите из материалов этой группы с ростом ее толщины происходит накопление нейтронов промежуточных энергий. Вследствие этого в защите из тяжелых материалов спектр нейтронов постоянно смягчается, и никогда не наступает равновесие между группами нейтронов разных энергий.

Наиболее подходящим материалом защиты от γ-квантов является свинец, но он обладает малым сечением неупругого рассеяния нейтронов, температура защиты из свинца должна быть не больше 250 ºС, кроме того, для монтажа свинцовой защиты приходится сооружать специальные конструкции, удерживающие эту защиту. Поэтому в качестве тяжелого материала защиты обычно используют железо.

Железо как основной компонент стали или чугуна находит широкое применение в защите реакторов АЭС, а также служит основным конструкционным материалом. Полная мощность дозы нейтронов в железной защите с расстояния примерно 50 – 60 см практически полностью определяется промежуточными нейтронами. Железо является хорошей защитой от γ-излучения из активной зоны, однако, обладая значительным сечением неупругого рассеяния быстрых нейтронов и большим сечением захвата тепловых нейтронов, оно является мощным источником вторичного γ-излучения. При малой толщине вторичное излучение определяется γ-квантами, возникающими при неупругом рассеянии нейтронов, а при толщине, большей 20 см, когда накопится достаточно много подпороговых и медленных нейтронов – захватным γ-излучением. Следует иметь в виду, что изотоп железа ⁵⁸Fe хорошо активируется тепловыми нейтронами, превращаясь в изотоп ⁵⁹Fe, испускающий при распаде γ-кванты с энергией 1,1 и 1,29 МэВ (Т _1/2 = 44,495 дней). Это γ-излучение ограничивает доступ к реакторной защите при остановленном реакторе.

Смесь из легких и тяжелых ядер. Используя в качестве защиты смеси из легких и тяжелых материалов, можно создать оптимальную защиту – с точки зрения ослабления нейтронного и γ-излучения. Добавление воды в железоводной защите (или графита к железографитовой смеси) снижает накопление промежуточных нейтронов. Защитные свойства смеси зависят от относительных концентраций легкого и тяжелого компонентов. Для железоводной смеси с объемной концентрацией железа 60 – 80 % защитные свойства от нейтронов и γ-квантов одинаковы. Важным моментом является также одинаковость защитных свойств смеси по отношению к нейтронам различных энергетических групп. С этой точки зрения оптимальной является объемная концентрация железа ~ 82 %.

Железоводная защита используется на всех АЭС с ВВЭР; обычно она располагается между активной зоной и корпусом реактора. Эта защита выполняет две функции: ослабляет поток нейтронов и γ-квантов на корпус реактора и одновременно является частью биологической защиты.

Бетон является наиболее употребительным материалом, используемым как в строительстве, так и в защите от излучения. Более 90 % стационарных реакторных установок имеют защиту из бетона.

Бетон имеет два основных компонента – заполнитель (песок, гравий, руда, железные обрезки и т.д.) и цемент, который служит связующим элементом между компонентами заполнителя, т.е. бетон представляет собой смесь атомов самых разных элементов, как легких, так и тяжелых. Атомы тяжелых элементов хорошо поглощают гамма-кванты, атомы легких элементов (особенно атомы водорода, входящие в состав воды, необходимой для схватывания цемента) хорошо замедляют быстрые нейтроны. Подбирая состав бетона, можно регулировать его свойства по отношению к ослаблению нейтронов и гамма-квантов.

В зависимости от предполагаемых условий эксплуатации в качестве заполнителя могут быть использованы различные вещества. Так, например, строительный бетон (ρ = 2,2 − 2,3 г/см³) применяется для защиты, которая эксплуатируется при низкой температуре. В качестве заполнителя в этом случае используют гравий, известняк, гранит, песок и другие, желательно, местные материалы, т.к. перевозка заполнителей удорожает стоимость бетона.

Баритовые заполнители состоят из широко распространенного минерала барита (сернокислый барий, BaSO₄). Благодаря наличию бария, имеющего большой атомный номер, баритовые бетоны (ρ = 3,0 − 3,6 г/см³) являются хорошими поглотителями гамма-излучения.

В качестве заполнителей также используются и многие другие минералы, например, серпентинит (3MgO·SiO₂·2H₂O с примесями Al₂O₃, FeO, Fe₂O₃), магнетит (магнитный железняк, Fe₃O₄), хромит (FeCrO₄), брусит (Mg(OH)₂ с примесями CaO и SiO₂)), лимонит (бурый железняк, 2Fe₂O₃·3H₂O) и т.д.

Наиболее тяжелые бетоны в качестве заполнителя имеют руды тяжелых металлов (магнетит, железный колчедан, барит) или сами металлы в виде стальной дроби, крошки или скрапа (крупный лом). Плотность бетона в таких случаях может достигать 5 – 7 г/см³. Введение различных добавок в бетон увеличивает плотность заполнителя, что позволяет существенно уменьшить размеры защиты, но при этом может существенно возрасти стоимость этой защиты. Так, «по оценкам американских специалистов, использование металлической дроби для повышения плотности бетона в два раза по сравнению с обычным бетоном приводит к увеличению стоимости бетонной конструкции в 7 – 8 раз».

Вторым элементом, входящим в состав бетона, является цемент, доля которого в бетоне составляет 10 – 15 % по массе. Наиболее употребителен обычный портландский цемент[48]; в его состав входят, в основном, CaO (~ 65 %) и SiO₂ (~ 20 %), в гораздо меньших количествах Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, Na₂O+K₂O, SO₃ (проценты – в обезвоженном цементе).   

Глиноземистые цементы по качественному составу повторяют портландский цемент, отличаясь только количественными соотношениями – больше Al₂O₃, меньше CaO и SiO₂.

При приготовлении бетона (смешивание заполнителя, цемента и воды) цемент химически связывает часть воды, которая при этом используется – таким образом в бетоне появляется водородсодержащая компонента, обладающая способностью эффективно замедлять нейтроны.

Для улучшения защитных свойств бетона в его состав может быть введен бор для уменьшения захватного излучения. Основным недостатком бетонов является низкая теплопроводность. Это затрудняет отвод тепла, выделяемого в защите, что в некоторых случаях может привести к конструктивным неполадкам.

Но достоинства бетона, кроме дешевизны, очевидны. Из бетона удобно формировать защиту любой конфигурации, т.к. свежеприготовленный бетон представляет собой вязкую массу, которая при затвердевании принимает любую форму. К тому же элементы, составляющие бетон, настолько разнообразны, что практически всегда можно подобрать композиции, дающие бетон с необходимыми в данном конкретном случае параметрами.