Разработка радиационно-защитного металлокомпозиционного материала на основе оксида висмута

 

Министерство  образования и науки РФ

Белгородский государственный  технологический

университет им. В.Г. Шухова

кафедра стекла и керамики

 

 

ОТЧЕТ ПО УНИРС

 

По дисциплине: Теоретические основы технологии керамических материалов

На тему: Разработка радиационно-защитного металлокомпозиционного материала на основе оксида висмута

 

Выполнила студентка:

Гайнутдинова  Ольга Владимировна

ИСМиТБ

ХТ-41

Научный руководитель:

Канд. техн. наук, доц. Н.А. Перетокина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Белгород 2013

 

Оглавление

 

Введение 3

Глава 1 Литературный обзор 4

1.1 Суть ионизирующего  излучения 4

1.2 Радиационно-защитные  материалы, используемые в настоящее  время 6

1.3 Керамические  материалы, используемые в защите  от радиации в настоящее время 9

1.4 Оксид висмута.  Направление использования Bi₂O₃ 12

Глава 2 Экспериментальная  часть 15

2.1 Методики, использованные в работе 15

2.2 Исходные  материалы 21

2.3. Разработка  технологии функционально-конструкционных   радиационно-защитных композиционных  материалов 27

2.3.1. Отработка технологии  керамической  матрицы и композитов на основе  высокоглиноземистых масс 27

2.3.2. Разработка составов радиационно-защитных  композитов на керамической матрице 30

2.3.4 Исследование физико-механических  характеристик образцов 49

2.4 Микроструктура  исходного сырья 57

Заключение 59

Список использованной литературы 60

 

 

Введение

 

Интенсивное развитие атомной  энергетики требует создания нового типа композиционных материалов, обладающих комплексом высоких технологических, эксплуатационных, физико-механических, экологических и экономических показателей. Для радиационной защиты на сегодняшний день используют различные композиционные материалы, как облицовочные, так и материалы, несущие значительные конструкционные нагрузки. Матрицы таких композиционных материалов могут быть представлены резиноподобными полимерами, смесями эпоксидной смолы, портландцемента и жидкого стекла, баритовыми и сернистыми бетонами с различными модификаторами и многими другими. В качестве наполнителей используют соединения свинца, железооксидные системы, марганцевые и силикомарганцевые ферросплавы, стекло, керамику и др. [1; 2].

 

Глава 1 Литературный обзор

1.1 Суть ионизирующего излучения

 

Ионизирующее излучение — в самом общем смысле — различные виды микрочастиц и физических полей, способные ионизировать вещество. В более узком смысле к ионизирующему излучению не относят ультрафиолетовое излучение и излучение видимого диапазона света, которое в отдельных случаях также может быть ионизирующим. Излучение микроволнового и радиодиапазонов не является ионизирующим, поскольку его энергии недостаточно для ионизации атомов и молекул в основном состоянии. [3]

Альфа-излучение представляет собой  поток ядер атомов гелия, называемых альфа-частицами и обладающих высокой ионизирующей способностью. Однако проникающая способность их очень низка. Длина пробега альфа-частицы в воздухе составляет всего несколько сантиметров (не более 10 см), а в твердых и жидких веществах еще меньше. Обыкновенная одежда и средства индивидуальной защиты полностью задерживают альфа-частицы и обеспечивают защиту человека. Альфа-частицы крайне опасны при попадании в организм, что может привести к внутреннему облучению.

Бета-излучение - это поток быстрых  электронов, называемых бета-частицами, возникающими при бета-распаде радиоактивных  веществ. Бета-излучение имеет меньшую  ионизирующую способность, чем альфа-излучение, но большую проникающую способность. Одежда уже не может полностью  защитить, нужно использовать любое  укрытие. Это будет намного надежнее.

Гамма-излучение имеет внутриядерное  происхождение и представляет собой  электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света. Оно обладает очень высокой проникающей способностью и может проникать через толщу различных материалов. Гамма-излучение представляет основную опасность для жизни людей, ионизируя клетки организма. Защиту от него могут обеспечить только убежища, противорадиационные укрытия, надежные подвалы и погреба. [4]

Нейтроны образуются в зоне ядерного взрыва в результате цепной реакции деления тяжелых ядер урана-235 или плутония-239 и являются электрически нейтральными частицами. Под воздействием нейтронов находящиеся в почве атомы кремния, натрия, магния и др. становятся радиоактивными (наведенная радиация) и начинают излучать бета- и гамма-лучи.[5]

 

1.2 Радиационно-защитные материалы, используемые в настоящее время

 

Основной областью применения полимеров в строительстве является изготовление различных композиционных материалов: мастик, полимербетонов, волокнистых материалов, клеев, герметиков и других. Полимеры используются также для упрочнения, повышения непроницаемости и стойкости строительных материалов в различных агрессивных средах.

В настоящее время в  различных отраслях промышленности, в том числе в «Газпроме», широко используются различные аппараты, установки излучения. При строительстве и эксплуатации объектов атомной промышленности успешно применяются полимерные композиционные строительные материалы, обеспечивающих биологическую защиту от различных ионизирующих излучений:

• в технологическом оборудовании;

• для изготовления защитных покрытий ограждающих конструкций  внутренних помещений АЭС;

• при устройстве инженерных барьеров и экранировании радиоактивного оборудования; 
• при строительстве могильников и спецхранилищ, удерживающих и ограничивающих перемещение радионуклидов и токсичных веществ из мест их локализации и т.д.;

• при устройстве противорадиционных укрытий.

Специалистами ООО «ЗГМ»  разработан материал радиационно-защитный Абрис® РЗ ТУ6990-012-52471462-2009, предназначенный  для применения в качестве средства радиационной защиты конструкций зданий и сооружений от ионизирующих излучений; защиты радиационной техники медицинского и промышленного назначения от жесткого излучения. Материал радиационнозащитный Абрис® РЗ представляет собой композицию на основе полимерного связующего, наполнителя, пластификатора и технологических добавок. В качестве наполнителя используется барит. Материал радиационнозащитный «Абрис®РЗ» может поставляться заказчику в виде комплекта деталей требуемой толщины, ширины и длины, а также в виде ленты и шнура в рулонах. Возможно различное исполнение деталей: самоклеящееся (марка Абрис® РЗскДБ), несамоклеящееся (марка Абрис® РЗнк-ДБ), комбинированное, в том числе с армированием свинцовой пластиной (Абрис® РЗск-нк-ДБ, Абрис® РЗск/Pb-ДБ, Абрис®РЗск-нк/ Pb-ДБ). В зависимости от свинцового эквивалента защиты выбирается вариант конструкции защитного покрытия.

Свинцовый эквивалент материала  радиационно-защитного Абрис® РЗ марки  Абрис® РЗCК и Абрис® РЗНК для  рентгеновского излучения (при U=100 кВ) в толщине материала 9 мм составляет 1 мм Pb, для гамма-излучения с энергией 0,661 МэВ в толщине образца 6 мм марки Абрис® РЗCК составляет 0,76 мм Pb.

Материал Абрис® РЗ обладает достаточно высокой степенью ослабления гамма-излучения, возрастающей с падением энергии гамма квантов. Материал Абрис® РЗ толщиной 17 мм соответствует слою свинца 1,8 мм по высокоэнергетическому гамма-излучению (источник Cs-137, 0,661 МэВ) и 1,3 мм по низкоэнергетическому излучению (источник Am241, 60 кэВ). Степень ослабления потоков быстрых и особенно тепловых нейтронов соизмерима с ослабляющей способностью наиболее распространенных защитных материалов (полиэтилен). Длина релаксации по тепловым нейтронам (источник Pu-Be) материала Абрис® РЗ с толщиной защиты 17 мм составляет 3 см, по быстрым нейтронам (источник надкадмиевая область Pu-Be) 9 см, при этом длина релаксации полиэтилена в аналогичных условиях составляет 7,5 см.

Конкурентные преимущества материала Абрис® РЗ:

• безопасность;

• надежность изоляции поверхностей сложной конфигурации, криволинейных поверхностей и мест примыканий различных конструктивных элементов помещения за счет пласто-эластичных свойств материала; 
• возможность регулирования толщины защитного покрытия путем послойного наложения материала;

• возможность изготовления деталей требуемого размера по толщине, ширине и длине;

• легкость механической обработки (резки в размер, крепления).

Радиационно-защитный материал Абрис® РЗ рекомендуется использовать при создании радиационно-защитных экранов в регионах радиационного загрязнения, при сооружении мест захоронения радиоактивных отходов, строительстве объектов, снижающих радиационный фон, повышения защитных свойств и гидроизоляции убежищ от ионизирующего излучения.[6]

Также радиационно-защитными  свойствами обладают некоторые бетоны.

Радиационно-защитный бетон — это обычный бетон, хорошо поглощающий гамма-лучи и плохо поглощающий нейтроны. Бетоны, приготавливаемые с применением тяжелых заполнителей (магнетита, лимонита, барита, металлического скрапа) с добавкой соединений бора, кадмия и других веществ, хорошо поглощают нейтроны.

Химически связанная вода в радиационно-защитном бетоне является хорошим поглотителем нейтронов, и  ее наличие в тяжелых заполнителях либо в цементном камне в связанном виде — положительный фактор. Лучшим вяжущим веществом является порошок каустического магнезита, затворенный сернокислым или хлористым барием. При твердении он усваивает больше воды, чем портландцемент. [7]

 

 

1.3 Керамические материалы, используемые в защите от радиации в настоящее время

 

Большую группу изоляторов высокого напряжения составляют линейные подвесные изоляторы тарельчатого и стержневого типов, они так же обладают радиацинно-защитными свойствами. Они состоят из электрофарфоровых элементов и металлической арматуры.[8]

Разнообразные электрокерамические  изоляторы применяются в аппаратах высокого напряжения (аппаратные изоляторы) и распределительных устройствах. Из электрофарфора изготавливают также электроустановочные изделия низкого напряжения.

Стеатит служит для получения  изоляторов малых габаритов, предназначенных для работы на высоких частотах, а также установочных изделий сложного профиля с улучшенными электрическими и механическими характеристиками.[9]

Конденсаторные  керамические материалы обладают повышенными значениями диэлектрической проницаемости (е= 16^250). В электрических установках широко применяются керамические конденсаторы как низкого, так и высокого напряжения.[10]

Ряд керамических материалов применяют в атомной энергетике. По радиационной стойкости они занимают второе место после металлов. Непосредственно в реакторах керамика может встречаться в виде тепловыделяющих элементов, отражателей и замедлителей нейтронов, а также высокотемпературных покрытий для защиты сплавов от коррозии. Керамические материалы используют также в качестве электрической изоляции в системах управления и контроля. Из них изготавливают различные детали электровакуумных устройств, работающих в полях радиации.

Керамические материалы, применяемые в ядерной технике, должны иметь низкое значение поперечного  сечения захвата нейтронов и  высокое значение поперечного сечения рассеивания (табл.1.3.1). Поперечное сечение представляет собой вероятность, с которой может произойти определенная ядерная реакция при бомбардировке материала теми или иными частицами. Поперечное сечение имеет размерность площади.[11]

 

Таблица 1.3.1

Радиационная стойкость  керамических материалов из

высокоогнеупорных оксидов

Материал	Поперечное сечение 10-4, см4
	Захвата нейтронов	Рассеяния нейтронов
Оксиды:
Берилия	0,0007	0,68
Магния	0,0033	0,42
Кальция	0,182	0,34
Алюминия	0,01	0,34

 

Ухудшение свойств керамических материалов под влиянием излучения  может быть значительно уменьшено  путем обжига керамики. В результате возрастающего при этом теплового колебания структурных элементов кристаллическая решетка материалов приобретает первоначальное состояние.

В атомной энергетике применяют  керамику из оксидов бериллия, тория, урана.

В качестве конструкционных  материалов для ядерной техники  эффективны керметы—материалы, сочетающие свойства высокоогнеупорных оксидов или карбидов, боридов, нитридов, силицидов со свойствами металлов. Керметы получают спеканием смеси некерамического и металлического порошков. Для них характерны благоприятные электрофизические свойства, высокие термостойкость, сопротивление тепловому удару, механические свойства. Керметы применяют для изготовления тепловыделяющих элементов, защитной арматуры регулирующих и аварийных стержней реакторов.