Self-adhesive elastic radiation protective coatings

Full Text

Одна из наиболее важных проблем экологии – утилизация радиационно-активных отходов (РАО), окончательное решение которой не найдено до сих пор.

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 низко- радиоактивный 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 тыс. 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.) и 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, подвергающиеся радиационному загрязнению. Поверхностный слой поражения радионуклидами таких материалов, как бетон, металл, может составлять от 1 до 5 мм.

Одним из эффективных решений по уменьшению объема материалов, подлежащих захоронению после вывода их из работы в радиационно-опасных зонах, является применение радиационно-защитных покрытий [1–3 и др.]. Используемые в настоящее время радиационно-защитные покрытия представляют собой отверждаемые материалы, наносимые на поверхность в виде мастик, или листовые полимерные материалы, которые крепятся специальными устройствами [4–7]. Первые при насыщении радионуклидами трудно удалять, вторые имеют негерметичные стыки, которые позволяют радиации проникать к основным конструкциям. Пленочные покрытия требуют применения клеевых композиций, которые недостаточно долговечны. Известны и другие их недостатки: низкие физико-механические свойства, недостаточно высокие показатели адгезии к различным поверхностям.

Здесь же следует отметить, что вопросы радоновой безопасности и методы защиты от ее воздействий в зданиях и сооружениях были изучены в работах российских ученых [8–17].

В связи с этим актуальна разработка новых радиационно-защитных покрытий на основе неотверждаемой полимерной композиции, которые обладают самоклеящимися свойствами, легко монтируются и демонтируются, обеспечивают высокую герметичность и низкую проницаемость.

Материалы и методы исследований

В работе использованы следующие материалы:

• основной полимер – этиленпропиленовый каучук СКЭПТ-50 (ТУ 2294-022-05766801–2002) производства ОАО «Нижнекамскнефтехим» (Россия);
• пластификатор – индустриальное масло И-40 ГОСТ 20799–88 «Масла индустриальные. Технические условия» (Россия);
• адгезионная добавка – алкилфенолоформальдегидная смола АФФС SP-1045 производства «SI Group» (Франция);
• наполнитель – микробарит Мибари 10–98/96 (ТУ 1769-002-40705684–2001) со средним диаметром частиц 10 мкм производства ЗАО «ГЕОКОМ» (Калужская обл., Россия); 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); оксид свинца (IV) (ТУ 6-09-5413–89) (Россия), оксид вольфрама (ТУ 48-19-72–92) (Россия).

Определение линейного коэффициента поглощения излучения

Испытание выполняется следующим образом. При помощи детектора определяется начальная интенсивность электромагнитного излучения без образца (I₀) и интенсивность падающего электромагнитного излучения, прошедшего через пластину из радиационно-защитного материала (I). Интенсивность падающего электромагнитного излучения определяют на лабораторной установке, принципиальная схема которой указана на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема лабораторной установки: ОЧГ – германиевый детектор; МАА – многоканальный анализатор; ПК – персональный компьютер

Fig. 1. Diagram of the laboratory installation: ОЧГ – germanium detector; МАА – multichannel analyzer; ПК – personal computer

 

Для испытания из полосы материала с заранее измеренной толщиной вырубают образцы необходимых размеров (100×100)±2 мм.

В качестве источников излучения применяются изотопные источники гамма-квантов Am-241 и Cs-137 (энергия гамма-квантов 59 и 661 кэВ соответственно). Изотоп Am-241 соответствует энергии излучения рентгеновской трубки с напряжением на аноде 100 кВ.

При проведении испытаний с образцом при облучении его источником излучения Cs-137 расстояние от источника до торца детектора должно составлять 80 мм. При использовании Am-241 данное расстояние должно быть равно 8 мм.

Линейный коэффициент поглощения материала μ, см^-1, определяется по формуле:

$\text{μ} = \frac{1}{x} \ln \frac{I_0}{I} ,$, (1)

где x – толщина образца; I₀ – начальная интенсивность электромагнитного излучения; I – интенсивность падающего электромагнитного излучения, прошедшего через пластину из радиационно-защитного материала.

Показателем защитной эффективности радиационно-защитных материалов является свинцовый эквивалент δ_обр, мм, определяемый по формуле:

${\text{δ}}_{обр} = \frac{{\text{μ}}_{св }{х}_{св }}{{\text{μ}}_{обр}}$, (2)

где δ_обр – толщина образца, эквивалентная 1 мм свинца; μ_обр – линейный коэффициент поглощения испытуемого материала, см^-1; μ_св – линейный коэффициент поглощения свинца при заданных энергиях излучения, см^-1; x_св=1 мм – толщина свинца, мм.

Определение радиационной стойкости

Радиационная стойкость оценивалась по характеру повреждения образцов. Для оценки радиационной стойкости образцы облучались протонами с энергией не менее 4 МэВ на ускорителе ЭГП-10 с одновременным съемом элементных карт. Облучение каждого образца проводилось в трех зонах. Площадь облучения составляла 0,0016 см². Время облучения каждого из образцов составляло соответственно 30, 300 и 3000 с. В начале и в конце облучения пикоамперметром фиксировался ток протонного пучка.

Оценку радиационной стойкости производили методом 2 по ГОСТ 9.706–81 «Единая система защиты от коррозии и старения. Материалы полимерные. Методы испытаний на стойкость к радиационному старению» [9], сущность которого заключается в том, что образцы испытываются при нескольких значениях поглощенной дозы излучения. В рассматриваемом случае максимальное значение радиационной стойкости 10⁵ Гр. Для образца поглощенная доза составила: 4,2.10⁴; 4,2.10⁵ и 2,6.10⁷ Гр. Эти значения, за исключением первой дозы, существенно превышают контрольное (10⁵ Гр).

Результаты и обсуждения

Радиационно-защитные покрытия в процессе эксплуатации способны накапливать радионуклиды и сами становятся источником радиоактивного излучения. В таком случае они должны быть быстро демонтированы и утилизированы, а на их место быстро установлены другие покрытия. С этой точки зрения наиболее соответсвующими радиационно-защитными покрытиями являются самоклеящиеся, для получения которых наиболее подходят каучуки. Имеется большой опыт создания на основе каучуков герметизирующих листовых и мастичных материалов [8, 9]. Из каучуков разработаны неотверждаемые эластичные самоклеящиеся герметизирующие материалы [8, 9], обладающие гидроизолирующими и пароизоляционными свойствами, стойкостью к действию агрессивных сред, грибостойкостью, высокой физической стабильностью и адгезией к металлу и бетону. Эти материалы имеют низкую стоимость и просты в изготовлении. Сырье для их изготовления широкодоступно. По аналогии с этими материалами предлагается изготавливать эластичные радиационно-защитные покрытия различного функционального назначения. Для изготовления таких материалов предлагается использовать этиленпропиленовый каучук. Выбор этого каучука обусловлен его относительно высокой радиационной стойкостью по сравнению с другими видами каучуков (табл. 1). [10].

 

Таблица 1

Table 1

Относительная радиационная стойкость полимерных материалов

Relative radiation resistance of polymer materials

Материал	Пороговая доза D, МГр
	I (незначительные повреждения)	II (заметные повреждения)	III (значительные повреждения)
Полиэтилен	–	0,1	0,9
Полипропилен	–	–	0,1
Сополимер этилена с пропиленом	–	0,1	0,5

 

Этиленпропиленовый каучук считается перспективным материалом для создания на его основе радиационно-защитных материалов от нейтронного излучения [11]. Этот каучук доступен, в настоящее время имеет широкое применение в атомной и электротехнической промышленности и в быту [11].

Защитные свойства радиационно-защитного покрытия зависят от объемного содержания в наполнителе матрицы экранирующего наполнителя [12].

Количество наполнителя будет определяться, с одной стороны, адгезионной прочностью, а с другой – радиационно-защитными свойствами. Зависимости коэффициента линейного ослабления излучения и адгезионной прочности от количества наполнителя представлены на рис. 2.

 

Рис. 2. Зависимость адгезионной прочности (1) и коэффициента линейного ослабления излучения (2 – для энергии 0,059 МэВ; 3 – для энергии 0,661 МэВ) от количества наполнителя

Fig. 2. Dependence of the adhesive strength (1) and the coefficient of linear attenuation of radiation (2 – for an energy of 0.059 MeV; 3 – for an energy of 0.661 MeV) on the amount of filler

 

По данным, приведенным на рис. 2, получаем, что оптимальная область количества наполнителя находится в пределах 0,45–0,55.

Большое влияние на защитные свойства материала оказывают плотность, порядковый номер и атомная масса поглотителя [13].

Для установления влияния порядкового номера и атомной массы вещества поглотителя были изготовлены образцы с содержанием различного вида наполнителя 50% по объему (см. табл. 2).

 

Таблица 2

Table 2

Порядковые номера и атомная масса вещества наполнителя

Serial numbers and atomic mass of the filler substance

Вещество	Порядковый номер в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева	Атомная масса
Железо	26	55,847
Барит	56	137,33
Вольфрам	74	183,85
Свинец	82	207,19

 

Результаты испытания образцов с различными видами наполнителя (при содержании наполнителя 50% по объему) представлены на рис. 3, 4.

 

Рис. 3. Значение линейного коэффициента поглощения наполнителей при их объемном содержании в композите 50% по объему: а – E=0,059 МэВ; b – E=0,661 МэВ: 1 – расчетный; 2 – экспериментальный

Fig. 3. The value of the linear absorption coefficient of fillers at their volume content in the composite of 50% by volume: а – E=0.059 MeV; b – E=0.661 MeV: 1 – calculated; 2 – experimental

 

Рис. 4. Эффективность наполнителей при их объемном содержании в композите 50% по объему: а – E=0,059 МэВ; b – E=0,661 МэВ: 1 – расчетный; 2 – экспериментальный

Fig. 4. Efficiency of fillers at their volume content in the composite of 50% by volume: а – E=0.059 MeV; b – E=0.661 MeV: 1 – calculated; 2 – experimental

 

Разработанные радиационно-защитные покрытия по величине линейного коэффициента поглощения излучения делятся на четыре группы:

• группа 1 – μ = 0,089 см^-1;
• группа 2 – μ = 0,172 – 0,25 см^-1;
• группа 3 – μ = 0,36 – 0,394 см^-1;
• группа 4 – μ = 0,763 – 0,773 см^-1.

Проведены исследования радиационной стойкости радиационно-защитных покрытий. Установлено, что при поглощенной дозе радиации 2,62.10⁷ Гр (пороговое значение 10⁵ Гр) они сохраняют радиационно- защитные свойства, имеют незначительные повреждения. Кроме того, проведены исследования химической стойкости покрытий. Радиационно-защитные покрытия обладают химической стойкостью к воде, 1%-му мыльному раствору, перекиси водорода и фенолу.

Сравнение основных конкурентных свойств разрабатываемых материалов с лучшими отечественными и зарубежными аналогами приведено в табл. 3.

 

Таблица 3

Table 3

Анализ конкурентных преимуществ материала

Analysis of the competitive advantages of the material

Наименование	Проектная продукция баритовые и вольфрамовые радиационно-защитные материалы из неотверждаемых герметиков на основе этиленпропиленовых каучуков	Зарубежные аналоги продукции			Отечественные аналоги продукции
		ITW MAZEL: Radishield–cиликоново-свинцовый материал	LEMER PAX: листы Novashield® RX45	LEMER PAX: листы Novashield® RX31	ООО «ЗГМ»: материал радиационно-защитный Абрис РЗск/Pb-01-ДБ	ООО «ЗГМ»: материал радиационно-защитный Абрис РЗнк-01-ДБ
Полимер, на основе которого изготавливается покрытие	Этиленпропиленовые каучуки	Силикон	Полиамид, полипропилен или поликарбонат	Полиамид, полипропилен или поликарбонат	Композиция на основе полимерного связующего, наполнителя, пластификатора и технологических добавок	Композиция на основе полимерного связующего, наполнителя, пластификатора и технологических добавок
Толщина материала, обеспечивающая свинцовый эквивалент, равный 1 мм, для рентгеновского излучения при напряжении 100 кВ, мм	3,6/3,8	Не указано	4,2	4,9	4,7	9
Толщина материала, обеспечивающая свинцовый эквивалент, равный 1 мм, для гамма-излучения (источник Cs-137 0,661 МэВ)	5,5/2,7	2,9	5,7	3,5	Не указано	Не указано
Заполнитель	Барит/вольфрам	Свинец или вольфрам	Вольфрам	Вольфрам	Барит со свинцовой пластиной	Барит
Способность к адгезии	самоклеящийся	Использование дополнительных материалов	Использование дополнительных материалов	Использование дополнительных материалов	Нанесен самоклеящийся материал	Нанесен самоклеящийся материал
Масса 1 м2 при толщине 1 мм, кг	2,76/4,89	3,8	2,1	2,1	2	2
Толщина материала, мм	2	9,5	0,9	0,9	4,7	9
Цена за 1 м2	870/45000 р.	7800 долл. США	€250	€350	3500 р.	5500 р.
Цена за 1 м2, для толщины, обеспечивающей свинцовый эквивалент, равный 1 мм, для рентгеновского излучения при напряжении в трубке 100 кВ, р.	1570	–	105000	171500	3500	5500
Цена за 1 м2 для толщины, обеспечивающей свинцовый эквивалент, равный 1 мм, для гамма-излучения (источник Cs-137 0,661 МэВ), р.	2400/60750	190500	142500	122500	–	–

 

Выводы

Анализ конкурентных преимуществ радиационно- защитных покрытий показал, что по радиационно- защитным свойствам покрытия превосходят зарубежные аналоги на 15–35% баритосодержащий на энергии 0,059 МэВ, на 8%, 30% и даже 200% вольфрамсодержащий на энергии 0,661 МэВ. По стоимости вольфрамсодержащие материалы в 2,03–3,1 раза дешевле зарубежных аналогов, а баритовые в 66,9–109,2 раза дешевле зарубежных аналогов и в 2,23–3,5 раза дешевле отечественных.

About the authors

V. I. Rimshin

Research Institute of Building Physics of RAACS; National Research Moscow State University of Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: v.rimshin@niisf.ru

Doctor of Sciences (Engineering), Professor

Russian Federation, 21 Lokomotivny proezd, Moscow, 127238; 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337

V. D. Cherkasov

National Research Mordovia State University named after N.P. Ogarev

Email: vd-cherkasov@yandex.ru

Doctor of Sciences (Engineering)

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya Street, Saransk, 430005

D. V. Cherkasov

National Research Mordovia State University named after N.P. Ogarev

Email: dv-cherkasov@yandex.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya Street, Saransk, 430005

V. K. Savin

Research Institute of Building Physics of RAACS

Email: v.rimshin@niisf.ru

Doctor of Sciences, Corresponding Member of RAACS

Russian Federation, 21 Lokomotivny proezd, Moscow, 127238

References

Supplementary files