Бетон для защиты от радиации
В связи с развитием ядерной энергетики и все более широким использованием атомной энергии в научных исследованиях, промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении необходимо обеспечить защиту обслуживающего персонала и окружающей территории от опасных радиоактивных воздействий.
Естественные радиоактивные вещества и искусственно получаемые радиоактивные изотопы воздействуют на живую ткань посредством испускаемых ими при распаде а-, р-, у- лучеи и нейтронов. а-Лучи (потоки ядер гелия) и р-лучи (потоки электронов) обладают сравнительно небольшой проникающей способностью. Значительно опаснее у-лучи, представляющие собой поток фотонов, и нейтронное излучение. у-Лучи имеют скорость света и обладают большой проникающей способностью. Закон ослабления у-излучения, проходящего через вещество, состоит в следующем: при последовательном увеличении толщины слоя вещества на одну и ту же величину интенсивность излучения уменьшается в одном и том же определенном отношении. Так называемый слой половинного ослабления уменьшает интенсивность излучения в 2 раза. Два таких слоя ослабят излучение в 4 раза, и каждый последующий слой будет дополнительно ослаблять излучение вдвое. Исходя из этого (с учетом некоторых других факторов) рассчитывается толщина защитного ограждения, необходимая для ослабления излучения до допускаемой нормами интенсивности.
Толщина слоя половинного ослабления у-излучения зависит от плотности вещества-поглотителя: чем тяжелее материал, тем меньше толщина ограждения. Незаряженные частицы нейтроны также обладают большой проникающей способностью. Не взаимодействуя с заряженными частицами атомов на расстоянии (как а- и р-частицы), они замедляются только при соударениях. Наибольший эффект поглощения энергии нейтронов имеет место при соударении их с частицами близкой к ним массы, например с ядрами водорода — протонами. В этом случае энергия нейтрона распределяется примерно поровну между двумя столкнувшимися частицами, т. е. нейтрон при каждом соударении значительно тормозится. При соударении с тяжелыми ядрами нейтрон отражается при сравнительно малой потере скорости. Поэтому в отличие от излучения наибольшее замедление нейтронов имеет место в веществах, содержащих легкие элементы, особенно водород. Веществом-замедлителем может служить, в частности, вода.
Основным материалом для одновременной защиты от у- и нейтронного излучения являются особо тяжелые и гидратные бетоны. Поскольку гидраты, задерживающие поток нейтронов, содержатся в цементном камне, основное назначение тяжелых заполнителей — поглощение у-лучей.
В качестве заполнителей применяются барит, железные руды, металлолом.
Барит — сернокислый барий (BaS04) — весьма распространенный в природе минерал белого цвета. Его плотность — около [4500 кг/м3, предел прочности при сжатии — около 50 МПа. Плотность бетона на баритовом заполнителе достигает 3800 кг/м3.
Магнетит, или магнитный железняк,— слабоокисленная железная руда (Fe304) с плотностью около 4500... 5000 кг/м3 и пределом црочности при сжатии до 200 МПа. Плотность бетона на песке и щебне из магнетита составляет около 4000 кг/м3.
Гематитовые руды содержат красный железняк (Fe203). Плотность гематита — до 4300 кг/м3, а бетона на его основе — до 3500 кг/м3.
Лимонит, или бурый железняк, содержит гидроксид железа (2Fe203-3H20), т. е. может быть средством защиты как от у-лучей, так и от нейтронов. Плотность лимонита — около 3500 кг/м3, лимонитового бетона — 2600... 2800 кг/м3, т. е. лимонитовый бетон лишь немного тяжелее обычного, однако связанной воды в нем может быть вдвое больше.
Для получения особо тяжелых бетонов плотностью 5000... 7000 кг/м3 применяют чугун (плотность около 7500 кг/м3) в виде дроби, крошки и скрапа (крупного лома), а также сталь (плотность
около 7800 кг/м3) в виде обрезков, отходов от штамповки, дробленой стружки.
Необходимо учитывать воздействие нейтронного излучения на свойства заполнителей. Во-первых, при поглощении нейтронов ядрами атомов возможно вторичное у-излучение. Это особенно характерно для железа. Поэтому железный лом и руды не всегда могут быть использованы. В этом отношении предпочтителен барит, не дающий вторичного у-излучения. Во-вторых, нейтроны при столкновении с ядрами атомов могут нарушить их равновесное положение в кристаллической решетке. При этом возможно изменение объема и свойств заполнителей. Например, при облучении кварца нейтронами происходит его аморфизация, сопровождающаяся значительным анизотропным расширением, что может привести к разрушению бетона. Данное явление следует учитывать не только при проектировании составов защитных бетонов, но также обычных конструкционных, жаростойких и теплоизоляционных бетонов, применяемых при строительстве ядерных установок.
Крупность заполнителей для защитных бетонов определяется массивностью бетонируемой конструкции и принимается максимально возможной. Зерновой состав заполнителей подбирают с таким расчетом, чтобы как можно больше насытить бетон тяжелым заполнителем; чем тяжелее получится бетон, тем меньшей может быть толщина ограждения. В этом случае предпочтительны прерывистые зерновые составы заполнителей, позволяющие получить бетон наибольшей плотности.
Бетонные смеси на особо тяжелых заполнителях в значительной степени подвержены сегрегации, расслоению. Поэтому большое значение имеет плотность и вязкость растворной части бетона. При прерывистом зерновом составе заполнителя иногда применяют раздельное бетонирование методом восходящего раствора.