Самоклеящиеся эластичные радиационно-защитные покрытия
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………….. 4
ГЛАВА 1 РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ …………………………….. 12
1.1 Радиационно-защитные материалы на основе вулканизированных резин . 13
1.2 Радиационно-защитные материалы на основе полиэтилена ……………………. 18
1.3 Материалы, применяемые для защиты от ионизирующего излучения в
космосе ………………………………………………………………………………………………………. 21
Выводы по главе 1 ……………………………………………………………………………………… 24
ГЛАВА 2 ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ И
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ……………………………………………………………………….. 26
2.1 Характеристика материалов, принятых для исследований ……………………… 26
2.2 Методы испытаний ……………………………………………………………………………….. 26
2.2.1 Методы испытаний физико-механических свойств ………………………….. 26
2.2.2 Методы испытаний радиационно-защитных свойств ……………………….. 30
2.3 Математические методы планирования эксперимента …………………………… 39
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ……….. 43
3.1 Теоретическое обоснование создания радиационно-защитных покрытий . 43
3.2 Обоснование выбора оптимального варианта решения задачи получения
радиационно-защитных покрытий ………………………………………………………………. 47
3.3 Разработка эластичной самоклеящейся матрицы для радиационно-
защитного покрытия …………………………………………………………………………………… 50
3.4 Влияние количества и вида наполнителя на радиационно-защитные
свойства покрытия ……………………………………………………………………………………… 57
3.5 Разработка технологического режима изготовления радиационно-
защитных покрытий……………………………………………………………………………………. 67
Выводы по главе 3 ……………………………………………………………………………………… 80
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ БАРИТОВЫХ РАДИАЦИОННО-
ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ……………………………………………………………………………. 82
4.1 Химическая стойкость баритовых радиационно-защитных покрытий ……. 82
4.2 Радиационная стойкость радиационно-защитных покрытий ………………….. 88
4.3 Физико-механические свойства радиационно-защитных покрытий ……….. 94
Выводы по главе 4 ……………………………………………………………………………………… 96
ГЛАВА 5 ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РАДИАЦИОННО-
ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ……………………………………………………………………………. 97
5.1 Разработка технологической схемы производства радиационно-
защитных покрытий……………………………………………………………………………………. 97
5.2 Выпуск опытных образцов радиационно-защитных покрытий на ООО
«ВятГУ Голд Про» ……………………………………………………………………………………… 98
5.3 Технико-экономическая эффективность радиационно-защитного
покрытия ………………………………………………………………………………………………….. 100
Выводы по главе 5 ……………………………………………………………………………………. 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………… 106
Итоги выполненного исследования …………………………………………………………… 106
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………………………….. 109
Приложение А …………………………………………………………………………………………….. 127
Результаты расчета линейных коэффициентов ослабления фотонного
излучения ……………………………………………………………………………………………………. 127
Приложение Б ……………………………………………………………………………………………… 128
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ …………… 128
Приложение В ……………………………………………………………………………………………… 129
Акт производственного внедрения покрытий на ООО «ВятГУ Голд Про». …… 129
Приложение Г ……………………………………………………………………………………………… 132
Экспертное заключение ……………………………………………………………………………….. 132
Во введении обоснована актуальность выбранного направления
исследований, сформулированы цель и задачи исследования, показаны
научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы,
сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проводится литературный обзор исследований
отечественных и зарубежных авторов, посвященных вопросам разработки
радиационно-защитных материалов. Показано, что перспективным
сырьевым материалом для получения радиационно-защитных покрытий
являются полимеры. При различных комбинациях состава полимерной
матрицы и химического состава внедренных частиц имеется возможность
создания различных типов материалов, соответствующих широким
потребностям и критериям защиты при различных воздействиях.
Установлено, что из всей номенклатуры радиационно-защитных
материалов можно выделить три группы материалов: первая группа –
материалы, матрицы которых представлены вулканизированными
резинами, резиноподобными полимерами; вторая группа – материалы,
матрицы которых изготовлены на основе полиэтилена; третья группа –
многослойные экраны. Все эти материалы для монтажа требуют
специальных креплений и не обеспечивают герметичности в швах.
Выявлено, что радиационно-защитные материалы в процессе эксплуатации
способны накапливать радионуклиды и сами становятся источником
радиоактивного излучения. В таком случае они должны быть быстро
демонтированы, а на их место установлены другие материалы. С этой
точки зрения наиболее подходящими являются самоклеящиеся
радиационно-защитные покрытия.
Во второй главе приведены характеристики применяемых
материалов и методы исследований. В качестве основного полимера
принят этиленпропиленовый каучук двух марок Mitsui EPT 3092pm
(Япония) и СКЭПТ-50 (ТУ 2294-022-05766801-2002) производства
ОАО «Нижнекамскнефтехим» (Россия). В качестве пластификатора
принято индустриальное масло И-40 ГОСТ 20799–88 «Масла
индустриальные. Технические условия» (Россия) и высокоароматическое
масломаркиПН-6Ш(ТУ38.1011217-8)производства
ООО «ЛЛК-Интернешнл» (Россия). В качестве адгезионной добавки
использовали алкилфенолоформальдегидную смолу АФФС SP-1045
производства «SI Group», Франция и канифоль ГОСТ 19113-84 «Канифоль
сосновая. Технические условия» производства ОАО «Барнаульский
канифольный завод» (Россия). В качестве наполнителя использован
микробарит Мибари 10–98/96 (ТУ 1769-002-40705684-2001) со средним
диаметром частиц10 мкм производства ЗАО «ГЕОКОМ» Калужская
обл., Россия; а также оксид железа (III) (ТУ 6-09-5346-87) (Россия);
вольфрамовый порошок ПВТ (ТУ 48-19-417-86) производства
АО «Победит» г. Владикавказ, Россия; порошок свинцовый ПС1
(ТУ ЗМС-001-02) (из свинца марки С2 по ГОСТ 3778-98 «Свинец.
Технические условия») производства ЗАО «Завод металлов и сплавов»
г. Рязань, Россия; оксид свинца (IV) (ТУ 6-09-5413-89) (Россия), оксид
вольфрама (ТУ 48-19-72-92) (Россия).
При исследовании физико-механических свойств радиационно-
защитныхпокрытийприменялисьметодыисследований,
регламентируемые действующими ГОСТ.
При определении линейного коэффициента поглощения излучения и
радиационной стойкости радиационно-защитных покрытий использовали
методику, применяемую в Саровском физико-техническом институте и
РФЯЦ ВНИИЭФ г. Саров.
При проведении экспериментов использовали математические
методы планирования эксперимента путем реализации плана Кона, с
количеством опытов 9. Обработка и анализ экспериментальных данных
проводились с помощью ЭВМ.
Втретьейглавеприведенынаучноеобоснованиеи
экспериментальныеисследованияпоразработкеэластичных
самоклеящихся радиационно-защитных покрытий.
Радиационно-защитные свойства определяются усредненным
химическим составом и плотностью материала. Усредненные параметры
плотности и коэффициента линейного ослабления композита могут быть
определены в первом приближении по правилу «смесей». Плотность
композита будет определяться следующим выражением:
(1)
где– плотность композита;
– плотность матрицы;
– объемное содержание матрицы;
– объемное содержание воздушных включений (пор);
– плотность наполнителя;
– объемное содержание наполнителя.
Коэффициент линейного ослабления композита можно рассчитать с
помощью выражения
,(2)
где– коэффициент линейного ослабления композита;
– коэффициент линейного ослабления матрицы;
– объемное содержание матрицы;
– коэффициент линейного ослабления наполнителя;
– объемное содержание наполнителя, %.
Линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества и
порядковых номеров химических элементов, из которых оно состоит.
Учитывая, что радиационно-защитные покрытия имеют большую
массу, количество наполнителя в них будет лимитироваться адгезионной
прочностью. Известно, что прочность композита с увеличением
количества наполнителя изменяется экстремально. До определенного
количества наполнителя она увеличивается, а затем уменьшается. Эта
зависимость имеет следующий вид:
(3)
где– прочность композита, МПа;
– прочность матрицы, МПа;
– поверхностная прочность пленочной матрицы, Н/м;
– количество наполнителя.
Величинанаполнителясоответствующаяэкстремуму,
определяется следующим выражением:
(4)
Максимальное значение прочности будет наблюдаться при
количестве наполнителя .
Количество наполнителя будет определяться, с одной стороны,
адгезионной прочностью, а с другой – радиационно-защитными
свойствами. Зависимости адгезионной прочности и коэффициента
линейного ослабления излучения от количества наполнителя,
рассчитанные по формулам (2) и (3), представлены на рисунке 1.
По данным, приведенным на рисунке 1, получаем, что оптимальная
область количества наполнителя находится в пределах 0,45–0,55.
Составвязкойматрицывключаетсвязующееиз
этиленпропиленовогокаучука,пластификатор,адгезионнуюи
технологическую добавки. Выбор этиленпропиленового каучука
обусловлен его высокой радиационной стойкостью, стойкостью к
озонному и тепловому старению, к действию концентрированных кислот и
щелочей, повышенной стойкостью к набуханию. Для размягчения каучука
используется индустриальное масло И-40, а в качестве адгезионной
добавки, обеспечивающей липкость, – смола АФФС.
Рисунок 1 – Зависимость адгезионной прочности (1) и коэффициента
линейного ослабления излучения (2 – для энергии 0,059 МэВ;
3 – для энергии 0,661 МэВ) от количества наполнителя
Для установления необходимого количества этих компонентов в
составе матрицы использовали метод математического планирования
эксперимента. В качестве первого фактора (Х1) приняли количество масла,
которое варьировалось в следующих пределах: 100, 140, 180 мас. ч.,
вторым фактором (Х2) было количество смолы, которое варьировалось в
пределах 40, 60, 80 мас. ч. Критерием оптимизации служила прочность
связи вязкой матрицы с металлом при отслаивании. При этом количество
каучука принято 50 мас. ч., микробарита – 1 422 мас. ч.
В результате обработки результатов эксперимента получено
следующее уравнение регрессии:
(5)
.
Из полученного уравнения видно, что увеличение количества масла
снижает прочность связи вязкой матрицы с металлом при отслаивании.
По полученному уравнению регрессии построены графики.
Результаты исследований приведены на рисунках 2, 3.
Из данных, приведенных на рисунках, получаем, что оптимальное
содержание масла в составе составляет 140 мас. ч., а смолы – 60 мас. ч.
Увеличение количества масла более 140 мас. ч. приводит к снижению
прочности связи радиационно-защитного материала с металлом при
отслаивании (рисунок 2). Повышение количества смолы более 60 мас. ч.
приводит к миграции масла. В результате этого происходит снижение
прочности связи радиационно-защитного материала с металлом при
отслаивании (рисунок 3).
На прочность связи радиационно-защитного материала с металлом
при отслаивании влияет количество наполнителя. В качестве наполнителя
радиационно-защитного материала использовали микробарит (рисунок 4)
и вольфрам (рисунок 5).
Рисунок 2 – Влияние количества масла наРисунок 3 – Влияние количества смолы на
прочность связи радиационно-защитногопрочность связи радиационно-защитного
материала с металлом при отслаиванииматериала с металлом при отслаивании
при содержании смолы 60 мас. ч.:при содержании масла 140 мас. ч. :
1– СКЭПТ (Япония); 2 – СКЭПТ (Россия)1– СКЭПТ (Япония); 2 – СКЭПТ (Россия)
Из данных, приведенных на рисунках, получаем, что до объемного
содержания наполнителя 52 % адгезионная прочность растет и достигает
максимального значения. Дальнейшее увеличение количества наполнителя
в вязкой матрице приводит к резкому снижению адгезионной прочности. В
связи с этим для сохранения адгезионной прочности в вязкую матрицу
необходимо добавлять наполнитель в объеме 52 % (рисунок 4).
При содержании в вязкой матрице порошка вольфрама более 46 %
адгезионная прочность начинает снижаться, но при его количестве 50 %
она составляет 1 000 Н/м при требуемом показателе не менее 600 Н/м.
Поэтому для сохранения радиационно-защитных свойств материала
содержание порошка вольфрама необходимо принимать не более 50 %
(рисунок 5).
Рисунок 4 – Влияние количестваРисунок 5 – Влияние количества порошка
микробарита на прочность связивольфрама на прочность связи
радиационно-защитного материала срадиационно-защитного материала с
металлом при отслаиванииметаллом при отслаивании
Как следует из теоретического обоснования, защитные свойства
материала зависят от количества поглотителя, его порядкового номера и
атомной массы. В связи с этим проведены исследования по влиянию
количества наполнителя на линейный коэффициент ослабления излучения.
В качестве наполнителя был взят микробарит. Количество его в матрице
изменялось от 30 до 70 % (см. рисунки 6, 7).
Полученные результаты показывают (см. рисунки 6, 7), что с
увеличением содержания наполнителя увеличивается линейный
коэффициент ослабления. Из этого следует, что для получения материала с
высокими защитными свойствами необходимо в состав вводить
наполнитель в количестве 50–70 % по объему. Для сохранения клеящих
свойств покрытия количество наполнителя необходимо принимать 50 % по
объему.
Рисунок 6 – Изменение линейногоРисунок 7 – Изменение линейного
коэффициента поглощения радиационно-коэффициента поглощения радиационно-
защитного материала при E=0,059 МэВ взащитного материала при E=0,661 МэВ в
зависимости от объемного содержаниязависимости от объемного содержания
микробаритамикробарита
Для установления влияния порядкового номера и атомной массы
вещества поглотителя были изготовлены образцы с содержанием
различного вида наполнителя 50 % по объему (см. таблицу 1).
Таблица 1 – Результаты испытания образцов с различными видами
наполнителя
Маркировка образца
СМ4Ж5СМ4Б5СМ4С5
СМ4В5
(железо)(барит)(свинец)
(вольфрам)
Характеристикапор. N 26пор. N 56пор. N 82
пор. N 74
а. м.а. м.а. м.
а. м. 183,85
55,847137,33207,19
Плотность образца,
3,082,564,045,15
г/см3
Толщина образца, мм5,15,15,04,7
Линейный
коэффициент 59 кэВ2,24310,0612,77414,7
поглощения,
см-1 при
энергии661 кэВ0,2630,2010,4860,51
Из таблицы 1 видно, что, применяя соответствующий наполнитель и
вводя его в состав в определенном количестве, можно получать материалы
с высокими радиационно-защитными свойствами.
Важным показателем радиационно-защитных свойств материалов
является кратность ослабления излучения. Проведенные исследования
разрабатываемых материалов показали, что при энергии облучения
59 кэВ для защиты достаточны материалы толщиной 3,5 мм. При этом
количествогамма-квантов,прошедшихчерезматериал,
составляет 0–0,5 %. Это наблюдается при всех видах наполнителей.
Поэтому на малых энергиях облучения целесообразнее использовать
микробарит, так как он дешевле других наполнителей.
При высокой энергии облучения (661 кэВ) кратность ослабления
увеличивается с увеличением толщины материала. Половинное ослабление
излучения обеспечивается при толщине 15 мм при использовании в
качестве наполнителя оксида свинца и вольфрама технического 50 % по
объему, 28 мм при использовании в качестве наполнителя оксида железа
50 % по объему и 35 мм при использовании в качестве наполнителя
микробарита 50 % по объему. Таким образом, на высоких энергиях
микробарит малоэффективен.
Анализ результатов показал хорошую сходимость теоретических
расчетов с экспериментом. Это свидетельствуют о правильности
теоретического обоснования.
Технологический режим изготовления радиационно-защитных
покрытий состоит из двух операций: смешение – приготовление смеси и
экструдирование – изготовление из полученной смеси радиационно-
защитных покрытий.
Процессприготовлениясмесиотноситсякпростому
перемешиванию, которое заключается в равномерном распределении
частиц наполнителя в матрице. Компоненты смеси не вступают между
собой в химическое взаимодействие. Поэтому в процессе перемешивания
происходит растворение гранул этиленпропиленового каучука в
индустриальном масле с образованием концентрированного раствора,
затем благодаря физическому перемешиванию, происходит смешение
этого раствора со смолой АФФС с образованием вязкой смеси, которая
представляет собой гетерогенную систему. Однородность системы во
многом зависит от скорости и продолжительности перемешивания. От
однородности системы зависти адгезионная прочность.
Качество смеси при различной продолжительности перемешивания
оценивали с помощью микроскопии (рисунок 8а-г).
Рисунок 8 – Структура образца при продолжительности перемешивания:
а – 40 мин; б – 1 ч; в – 1,5 ч; г – 2 ч
При продолжительности перемешивания 1 ч распределение
наполнителя более равномерное (рисунок 8б). При перемешивании 40 мин
в структуре материала присутствуют агрегаты сложной формы
(рисунок 8а). Перемешивание смеси в течение 1,5 ч приводит к тому, что в
структуре материала образуется больше крупных частиц и рыхлых
агрегатов (рисунок 8в), а при перемешивании в течение 2 ч появляется
больше частиц мелкодисперсной фракции, формирующих рыхлые
агрегаты и образующих смешанные агрегаты (рисунок 8г). Таким образом
качественная смесь получается при перемешивании 1 час.
Кроме этого, качество смеси оценивали по изменению адгезионной
прочности от продолжительности перемешивания (рисунок 9)
Рисунок 9 – Влияние продолжительности перемешивания смеси на адгезионную
прочность радиационно-защитных покрытий с металлом при отслаивании
Как видно из данных на рисунке наибольшей адгезионной
прочностью материал обладает при продолжительности примешивания
1 час.
Структуруполученногорадиационно-защитногоматериала
исследовали с помощью атомно-силовой микроскопии (рисунок 10). На
АСМ-изображениях в фазовом контрасте видно, что агрегаты (быстрей это
конгломераты – механическая смесь разнородных компонентов) размером
около 11мкм имеют сложную форму и состав. Крупные частицы светлого
цвета (размером около 5 мкм) в них рыхло связаны; мелкодисперсный
наполнитель размером около 2 мкм располагается преимущественно в
порах и на периферии.
Рисунок 10 – АСМ-скан баритового образца с крупными конгломератами, с профилем
сечения,30х30мкм: а – топография, мах высота – 1.435 мкм; перепад – 1.296 мкм;
б – фазовый контраст, max – 98°; min – (- 61°)
Анализ АСМ-изображений баритового и вольфрамового образцов в
режиме «фазы» позволил сделать вывод, что материалы содержат четыре
фазы включений: а) светлые крупные частицы – отдельная фаза (каучук);
б) мелкие белые включения – отдельная фаза (каучук); в) вытянутые
черные агрегаты – отдельная фаза, агрегаты мелких частиц в мягкой
оболочке (наполнитель в матрице); г) крупные многофазные агрегаты –
смесь сложного состава (конгломераты).
Таким образом, исследования состояния образцов в режимах
топографии и фазового контраста показали, что структура материала
представляет собой механическую смесь, представляющую собой
конгломераты.
Изполученнойсмесирадиационно-защитныепокрытия
изготавливали методом экструзии. Для этого использовали экструзионно-
выдувной агрегат «Chodos». Установлено, что оптимальной для экструзии
является температура (7010) °C. При больших температурах материал
становится слишком мягким, что негативно влияет на геометрические
размеры ленты. Температура меньше 60 °C не рекомендуется, так как это
ниже минимальной температуры переработки материала.
Частоту вращения шнека рекомендуется устанавливать не более
15 об/мин.
В четвертой главе приведены результаты испытаний радиационно-
защитных покрытий на химическую и радиационную стойкость и
определение физико-механических свойств.
Из физико-механических свойств радиационно-защитных покрытий
наиболее важным является адгезионная прочность. Установлено, что на
адгезионную прочность влияет вид наполнителя. Выявлено, что
радиационно-защитные покрытия имеют высокую адгезионную прочность
со сталью, дюралюминием, стеклом и бетоном. При нанесении
радиационно-защитного покрытия на сложную поверхность не должно
образовываться трещин. В связи с этим радиационно-защитные покрытия
испытывают на гибкость. Проведенные испытания показали, что у всех
видов радиационно-защитных покрытий трещины не образовывались.
Испытания радиационно-защитного покрытия показали, что
покрытие обладает химической стойкостью к воде, 1%-му мыльному
раствору, перекиси водорода и фенолу, т.е. к основным дезактиваторам.
Для оценки радиационной стойкости образцов использовались
качественный и количественный методы измерения. Количественный
метод заключается в измерении линейных коэффициентов поглощения
после облучения на ускорителе ЭПГ-10 и сравнении их со значениями до
облучения. Линейный коэффициент поглощения до облучения у
баритового покрытия имел значение при энергии 59 кэВ μ = 10,06 см−1,
при энергии 661 кэВ μ = 0,201 см−1, а у вольфрамового при энергии 59 кэВ
μ = 22,2 см−1, при энергии 661 кэВ μ = 0,76 см−1. После облучения
коэффициенты линейного поглощения гамма-квантов практически не
изменились (значения находятся в пределах статистической ошибки).
Оценка качества структуры образцов в исходном состоянии (до
облучения) и после облучения (3 000 с) была проведена методами
оптической и атомно-силовой микроскопии (рисунки 8 – 10).
Вторичных агрегатов сложных форм меньше. В целом структура
образца более гомогенна и менее дефектна.
ПослеоблучениянаускорителеЭПГ-10проведены
экспериментальные исследования структур образцов с целью оценки
степени изменения материала (рисунок 11а–г). Установлено, что форма
образцов не изменилась.
Рисунок 11 – Микроструктура поверхности образца: а – зона 1; б – зона 2;
в – зона 3; г – зона 4 (×200)
После облучения анализ структуры по зонам показал следующее:
Зона 1. Наполнитель распределен равномерно, имеются единичные
скопления мелкодисперсного наполнителя, мелкие поры (рисунок 11а).
Зона 2. Появление вскрытых блистеров (газовые полости)
свидетельствует о начале небольшой деструкции полимерной матрицы
(рисунок 11б).
Зона 3. Наблюдаются протяженные трещины, больше пор и крупных
агрегатов (рисунок 11в).
Зона 4. Крупные поры сливаются с трещинами (рисунок 11г),
появляются агрегаты в пленке / капсуле; усиливается порообразование,
которое приводит к образованию областей с поровыми каналами. Эти
дефекты образовались после поглощения дозы 2,62·107 Гр (пороговое
значение 105 Гр).
В пятой главе разработана технологическая схема производства
радиационно-защитных покрытий (рисунок 12).
Разработанная технологическая схема использована при выпуске
опытных образцов в ООО «ВятГУ Голд Про» г. Киров.
Опытные образцы, изготовленные по разработанной технологии, по
своим свойствам соответствуют лабораторным.
Рисунок 12 – Принципиальная технологическая схема производства радиационно-
защитных покрытий: 1 – склад сырья и вспомогательных материалов; 2 – входной
контроль сырья и вспомогательных материалов; 3 – подготовка исходных материалов;
4 – смешение; 5 – подготовка полимерной композиции перед экструдированием;
6 – вырубка заготовок; 7 – экструдирование; 8 – намоточное устройство; 9 – вырубка
деталей; 10 – приемка готовой продукции; 11 – упаковка; 12 – склад готовой
продукции; 13 – размоточное устройство с антиадгезионным материалом
Сделаносравнениеосновныхконкурентныхсвойств
разрабатываемых материалов с лучшими отечественными и зарубежными
аналогами.
На энергии 59 кэВ опытные микробаритосодержащие образцы,
изготовленные по разработанной технологии на производственной линии
индустриального партнера, по радиационно-защитным свойствам
превосходят зарубежные аналоги на 17–36 %, а отечественные
на 30–150 %. По стоимости опытные образцы в 66,9–109,2 раза дешевле
зарубежных аналогов и в 2,23–3,5 раза дешевле отечественных.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация является законченной научно-квалификационной
работой, в которой изложены новые научно-обоснованные технические и
технологические решения создания эластичных радиационно-защитных
покрытий, имеющие существенное значение для развития страны.
Итоги выполненного исследования
1.Обоснованополучениеэффективногосамоклеящегося
радиационно-защитного покрытия для защиты от гамма-излучения с
требуемыми техническими характеристиками. Созданы радиационно-
защитные покрытия с линейным коэффициентом ослабления излучения
10,06 – 12,8при энергии 59 кэВ и 0,201 – 0,486при энергии
661кэВ, имеющие высокую кратность ослабления излучения, обладающие
высокой радиационной стойкостью. При поглощенной дозе облучения
2,62·107 Гр произошло несущественное изменение структуры, не
оказывающее влияние на радиационно-защитные свойства покрытия.
2. Выявлено, что перспективным для получения эластичных
самоклеящихсярадиационно-защитныхматериаловявляется
этиленпропилендиеновый мономер, обладающий высокой стойкостью к
гамма-излучению и наиболее пригодный для формирования композитных
материалов и покрытий на их основе.
3. Установлены экспериментально-статистические зависимости
коэффициента линейного ослабления излучения, плотности и прочности от
вида и свойств компонентов, входящих в состав композита.
4. С применением математических методов планирования
эксперимента разработана вязкая эластичная матрица, обладающая
самоклеящимися свойствами, для радиационно-защитных покрытий,
содержащая в своем составе СКЭПТ 20 % по массе, индустриальное масло
56 % по массе, смолу АФФС 24 % по массе.
5. Установлено, что при малых энергиях облучения в качестве
наполнителя наиболее эффективно применение микробарита, при этом для
сохранения клеящих свойств матрицы содержание микробарита в ней
должно быть не более 52 %.
6. Выявлены оптимальные режимы получения липкой части в
композиции, объединяющей отдельные компоненты в общую структуру.
Установлено, что перемешивание компонентов должно производится в
разогретом до 60–65 °C смесителе в течение 1 ч. Загрузка всех
компонентоввработающийсмесительдолжнапроизводится
последовательно в четыре стадии по 25 % от общего количества.
7. Проведено сравнение результатов теоретических расчетов
линейного коэффициента ослабления излучения с экспериментально
полученными значениями. Установлена высокая корреляция сходимости
теоретических результатов с экспериментальными.
8. Выявлено, что баритовые радиационно-защитные покрытия
обладают повышенной химической стойкостью к воде, 1%-му мыльному
раствору, перекиси водорода и фенолу.
9. Изучено поведение разработанных радиационно-защитных
материалов при облучении протонами в течение 30, 300 и 3 000 с.
Выявлено, что при поглощенной дозе облучения 2,62·107 Гр линейный
коэффициент ослабления излучения практически не изменился, произошло
несущественное изменение структуры. Установлено, что разработанные
покрытия по радиационной стойкости относятся к ІІ группе.
10. Разработана технологическая схема производства радиационно-
защитных покрытий. Выпущены опытные образцы радиационно-защитных
покрытий ООО «ВятГУ Голд Про». Показано, что по разработанным
технологическим режимам можно изготавливать материалы со
свойствами, аналогичными лабораторным образцам.
11. Установлено, что разработанный материал по радиационно-
защитным свойствам превосходит зарубежные аналоги на 17–36 %, а
отечественные на 30–150 %. По стоимости опытные образцы
в 66,9–109,2 раза дешевле зарубежных аналогов и в 2,23–3,5 раза дешевле
отечественных.
Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы
Сформированы научные подходы по управлению радиационно-
защитными и физико-механическими свойствами самоклеящихся
радиационно-защитных покрытий, которые позволяют сформулировать
рекомендации и наметить перспективы дальнейшей разработки темы
диссертационного исследования.
Применение определенных компонентов при формировании
материалов после оптимизации их структуры и свойств позволит создавать
новые радиационно-защитные композиты и покрытия различного
назначения.
На основе разработанной вязкой матрицы в перспективе можно
создавать материалы для защиты от бета-излучения и тепловых нейтронов.
Перспективным также является получение зависимостей стойкости
материала от воздействия озона и нейтронов.
Актуальность темы исследования
Одна из наиболее важных проблем экологии – это проблема утилизации
радиационно-активных отходов (РАО), окончательное решение которой не
найдено до сих пор.
Дело в том, что источником отходов, излучающих радиацию, являются не
только атомные электростанции, но и различные предприятия, научно-
исследовательские центры, военные базы и медицинские учреждения. И хотя
большую часть отходов составляет низкорадиоактивный мусор, он тоже может
быть очень опасен. Основная проблема состоит именно в том, что он сохраняет
свои губительные свойства на протяжении сотен и даже тысяч лет, так как
период полураспада такого элемента как стронций-90, составляет 26 лет, а,
например, плутония-239 – 24 тысячи лет.
Утилизации подлежат как отработавшие свой ресурс радиационные
материалы, так и материалы, вступившие в контакт с радиацией. Это, начиная от
капсул, содержащих отработанные материалы (стронций, уран, плутоний, радий
и т.д.), заканчивая строительными конструкциями, не очищенными при
применении различных типов дезактивации. Объем последних представляет
наибольшую сложность при утилизации. Не касаясь всех вопросов разработки
технологий дезактивации, следует принять во внимание, что существующие и
перспективные ее методы достаточно сложны и малоэффективны при
применении их для обработки значительной части строительных конструкций.
Это обусловлено тем, что они, как правило, имеют значительные площади,
подвергающихся радиационному загрязнению. Поверхностный слой поражения
радионуклидами таких материалов, как бетон, металл, может составлять от 1 до
5 мм. Исходя из имеющейся информации об объемах материалов, подлежащих в
ближайшее десятилетие утилизации, можно говорить о миллионах кубических
метрах отходов. В РФ на текущий момент накоплено 487 млн м3 РАО разной
степени активности. Ежегодно их образуется 4 млн м3 (первичное образование).
В среднесрочной перспективе до 2030 года прогнозируется образование РАО на
уровне 2–3 млн м3 в год. В связи с этим проблема уменьшения объемов
материалов, подлежащих захоронению после вывода их из работы в
радиационно-опасных зонах, стала весьма актуальной, что подтверждается
отчетом по итогам работ 2008–2012 годов по ФЦП «Обеспечение ядерной и
радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года», согласно
которому близки к критическому уровню показатели заполнения хранилищ
отработавшего ядерного топлива на атомных электростанциях реакторами типа
РБМК и ЭГП-6, пристанционных хранилищ радиоактивных отходов, при этом
перешагнули 50–60-летний рубеж и требуют незамедлительной модернизации
инженерные системы некоторых ядерно- и радиационно-опасных объектов.
Одним из эффективных решений по уменьшению объема материалов,
подлежащих захоронению после вывода их из работы в радиационно-опасных
Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в
которой изложены новые научно-обоснованные технические и технологические
решения создания эластичных радиационно-защитных покрытий, имеющие
существенное значение для развития страны.
Итоги выполненного исследования
1. Обосновано получение эффективного самоклеящегося радиационно-
защитного покрытия для защиты от гамма-излучения с требуемыми
техническими характеристиками. Созданы радиационно-защитные покрытия с
линейным коэффициентом ослабления излучения 10,06 – 12,8 см−1 при энергии
59 кэВ и 0,201 – 0,486 см−1 при энергии 661кэВ, имеющие высокую кратность
ослабления излучения, обладающие высокой радиационной стойкостью. При
поглощенной дозе облучения 2,62·107 Гр произошло несущественное изменение
структуры, не оказывающее влияние на радиационно-защитные свойства
покрытия.
2. Выявлено, что перспективным для получения эластичных
самоклеящихся радиационно-защитных материалов является
этиленпропилендиеновый мономер, обладающий высокой стойкостью к гамма-
излучению и наиболее пригодный для формирования композитных материалов и
покрытий на их основе.
3. Установлены экспериментально-статистические зависимости
коэффициента линейного ослабления излучения, плотности и прочности от вида
и свойств компонентов, входящих в состав композита.
4. С применением математических методов планирования эксперимента
разработана вязкая эластичная матрица, обладающая самоклеящимися
свойствами, для радиационно-защитных покрытий, содержащая в своем составе
СКЭПТ 20 % по массе, индустриальное масло 56 % по массе, смолу АФФС 24 %
по массе.
5. Установлено, что при малых энергиях облучения в качестве
наполнителя наиболее эффективно применение микробарита, при этом для
сохранения клеящих свойств матрицы содержание микробарита в ней должно
быть не более 52 %.
6. Выявлены оптимальные режимы получения липкой части в композиции,
объединяющей отдельные компоненты в общую структуру. Установлено, что
перемешивание компонентов должно производится в разогретом до 60–65 °C
смесителе в течение 1 ч. Загрузка всех компонентов в работающий смеситель
должна производится последовательно в четыре стадии по 25 % от общего
количества.
7. Проведено сравнение результатов теоретических расчетов линейного
коэффициента ослабления излучения с экспериментально полученными
значениями. Установлена высокая корреляция сходимости теоретических
результатов с экспериментальными.
8. Выявлено, что баритовые радиационно-защитные покрытия обладают
повышенной химической стойкостью к воде, 1%-му мыльному раствору,
перекиси водорода и фенолу.
9. Изучено поведение разработанных радиационно-защитных материалов
при облучении протонами в течение 30, 300 и 3 000 с. Выявлено, что при
поглощенной дозе облучения 2,62·107 Гр линейный коэффициент ослабления
излучения практически не изменился, произошло несущественное изменение
структуры. Установлено, что разработанные покрытия по радиационной
стойкости относятся к ІІ группе.
10. Разработана технологическая схема производства радиационно-
защитных покрытий. Выпущены опытные образцы радиационно-защитных
покрытий ООО «ВятГУ Голд Про». Показано, что по разработанным
технологическим режимам можно изготавливать материалы со свойствами,
аналогичными лабораторным образцам.
11. Установлено, что разработанный материал по радиационно-защитным
свойствам превосходит зарубежные аналоги на 17–36 %, а отечественные на
30–150 %. По стоимости опытные образцы в 66,9–109,2 раза дешевле
зарубежных аналогов и в 2,23–3,5 раза дешевле отечественных.
Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы
Сформированы научные подходы по управлению радиационно-защитными
и физико-механическими свойствами самоклеящихся радиационно-защитных
покрытий, которые позволяют сформулировать рекомендации и наметить
перспективы дальнейшей разработки темы диссертационного исследования.
Применение определенных компонентов при формировании материалов
после оптимизации их структуры и свойств позволит создавать новые
радиационно-защитные композиты и покрытия различного назначения.
На основе разработанной вязкой матрицы в перспективе можно создавать
материалы для защиты от бета-излучения и тепловых нейтронов.
Перспективным также является получение зависимостей стойкости материала от
воздействия озона и нейтронов.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!