Главная Коллекция "Otherreferats" Производство и технологии Радиационная стойкость защитного конструкционного композита на основе цементного вяжущего и железооксидного наполнителя

Радиационная стойкость защитного конструкционного композита на основе цементного вяжущего и железооксидного наполнителя

Технология получения радиационно-защитного композита. Процессы, протекающие при взаимодействии быстрых электронов и гамма-излучения с РЗК. Влияние величины радиационного воздействия в диапазоне поглощенных доз на радиационную стойкость композита.

Рубрика Производство и технологии
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 26.03.2018
Размер файла 179,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Радиационная стойкость защитного конструкционного композита на основе цементного вяжущего и железооксидного наполнителя

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

радиационный композит защитный

Актуальность. Одной из проблем обеспечения безопасности в атомной промышленности является создание радиационно-защитных материалов и композитов с повышенными физико-техническими характеристиками.

Реакторное г-излучение прежде, чем его энергия перейдет в тепло, конверсируется в электронное. До последнего времени этому промежуточному процессу бомбардировки структуры неорганических ферритных композитов уделялось не достаточное внимание среди важных факторов, определяющих радиационную стойкость материалов. Повышение радиационной стойкости композиционных материалов является основной задачей при разработке современных конструкционных радиационно-защитных материалов.

Использование атомной энергии и применение радиоактивных материалов в различных отраслях народного хозяйства неизбежно связано с образованием радиоактивных отходов (РАО), представляющих потенциальную опасность для человека и окружающей природной среды. Утилизация РАО имеет экологическое, социальное и экономическое значение в связи с тем, что их накопилось значительное количество в результате многолетней эксплуатации АЭС. В настоящее время проблема усугубляется в связи с начавшимся выводом из эксплуатации и реконструкцией отдельных блоков АЭС, промышленных реакторов, что прямо связано с дополнительным образованием РАО и их консервации в бетонных радиационно-защитных контейнерах и хранилищах, изготовленных на основе тяжелого защитного бетона.

На практике в атомной промышленности, в том числе для хранилищ РАО, использовался железобарийсерпентинитовый цементный бетон (ЖБСЦБ). Однако с 90-х годов его производство было приостановлено в связи с пониженными характеристиками тепло-, радиационной стойкости и механической прочности. Это обуславливает актуальность проблемы по разработке нового типа радиационно-защитного бетона с повышенными теплофизическими и радиационно-защитными характеристиками согласно НРБ-99 и правил АЭГ-1-001-89 (ОПБ-88) и СП-АС-88/93.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом госбюджетных организаций НИР Федерального агентства по образованию РФ, проводимого по заданию Министерства образования РФ, финансируемого из средств федерального бюджета на 2004 - 2008 г.г. № Ф.1.3.05 и МЦП РосАтома «Энергетика - А - 2015» п.4.4.1 «Разработка высокоэффективных, пожаробезопасных, малоактивируемых материалов радиационной защиты».

Цель исследования. Цель работы - исследование влияния быстрых электронов и г-излучения высокой энергии на структуру и свойства радиационно-защитного композита (РЗК) на цементном вяжущем с высоким наполнением оксида железа (магнетита).

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

- разработка технологии получения РЗК;

- исследование процессов, протекающих при взаимодействии быстрых электронов и г-излучения высокой энергии и мощности с РЗК;

- изучение валентно-координационного состояния атомов железа Fe (II) и Fe (Ш) в РЗК и установление влияния магнетита на физико-механические свойства РЗК при воздействии быстрых электронов и г-излучения;

- исследование влияния величины радиационного воздействия в диапазоне поглощенных доз (0,1 - 20 МГр) и диапазоне температур (100 - 500 °С) на радиационную стойкость РЗК;

- моделирование взаимодействия быстрых электронов (0,5 - 6,2 МэВ) и г-квантов (0,66 - 1,3 МэВ) с РЗК;

- экспериментальные исследования радиационно-защитных характеристик и радиационной стойкости РЗК.

Научная новизна работы.

Исследованы физические модели процессов взаимодействия быстрых электронов с энергией 0,5 - 6,2 МэВ и г-излучения с энергией 0,66 - 1,3 МэВ с РЗК. Рассчитаны энергетические факторы накопления (ЭФН), пропускания (ЭФП) и отражения (альбедо) в РЗК.

Установлены процессы, способствующие изменениям валентно-координационного состояния ионов железа, структурно-фазового и магнитного состояний в РЗК при воздействии высокоэнергетических быстрых электронов и г-излучения с поглощенными дозами 0,05 - 10 МГр.

Выявлены механизмы газовыделения из РЗК в результате г-облучения в температурном интервале 100 - 500 °С и г-облучении при поглощенных дозах 0,05 - 10 МГр, заключающиеся в выделении водорода, углекислого газа. Установлено, что присутствие магнетита в РЗК катализирует выделение водорода, как при нагревании, так и радиационном облучении РЗК при температуре выше 400 °С.

Установлена корреляция между скоростью прохождения ультразвуковых волн и газовыделением водорода при г-облучении и радиационной аморфизацией РЗК.

Установлено, что интенсивной аморфизации РЗК при поглощенных дозах выше 5 МГр предшествует протекание следующих физико-химических процессов: 1) При поглощенной дозе до 1 МГр происходит искажение октаэдрических [FeO6] и тетраэдрических [FeO4] - группировок ионов Fe2+ и Fe3+. Образование маггемита г-Fe2O3 и ферритов кальция; 2) При поглощенной дозе 1 - 2 МГр происходит кристаллизация ферритов кальция; 3) При поглощенных дозах 2 - 5 МГр протекает радиационная аморфизация кристаллов ферритов кальция и силикатов.

Практическая ценность.

Разработанный РЗК с повышенными значениями радиационно-защитных характеристик; радиационной стойкостью, механической прочностью, низкой выщелачиваемостью радионуклидов через его защитный барьер, рекомендован в качестве биологической защиты для хранилищ ТРО и защитных конструкций АЭС.

Разработана лабораторная опытно-промышленная технология получения РЗК на основе обогащенного магнетита, капсулированного в силикатную вяжущую матрицу.

Выявлено, при каких поглощенных дозах г-облучения происходит радиационное упрочнение РЗК и начало процессов радиационного охрупчивания композита.

Установлено, что радиационная аморфизация железооксидного РЗК наиболее интенсивно развивается при высоких поглощенных дозах г-облучения (20 МГр).

Определены зависимости механической прочности РЗК, газовыделения при нагревании и радиационном воздействии на скорость прохождения ультразвуковых волн, позволяющие прогнозировать работоспособность изделий и конструкций из РЗК.

Разработанный РЗК апробирован и испытан на Курской АЭС.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 27.01.03 - «Промышленное и гражданское строительство» и 25.09.00 - «Технология материалов современной энергетики».

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработка состава и технологии получения радиационно-защитного композита на основе цементного вяжущего и железооксидного наполнителя.

2. Физические модели взаимодействия высокоэнергетических частиц (быстрых электронов) и г-излучения с РЗК.

3. Изменение валентно-координационного состояния атомов железа Fe (II) и Fe (Ш) при воздействии на РЗК быстрых электронов с поглощенными дозами до 2 МГр.

4. Влияние радиационного воздействия радиоизотопов 60Со и 137Cs в интервале поглощенных доз (0,1-20 МГр) на физико-механичесике, теплофизические и радиационно-защитные свойства РЗК.

5. Установление корреляция между скоростью прохождения ультразвуковых волн и газовыделением водорода из РЗК, подвергнутого облучению при поглощенных дозах до 10 МГр.

Личный вклад соискателя. Результаты, представленные в диссертации, получены автором или при его непосредственном участии. При выполнении диссертационной работы по теме диссертации автор принимал участие в постановке задач и анализе полученных экспериментальных результатов.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены: на Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению (Харьков, 2005 г.); на III Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии: наука, промышленность, образование» (Белгород, 2006 г.); на Международном ядерном форуме (Санкт Петербург, 2006 г.); на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» - VXIII научные чтения (Белгород, 2007 г.); на XIV Российской научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2007 г.).

По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 в рецензируемых научных журналах и изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 158 наименований и приложения. Диссертация изложена на 135 стр. машинописного текста, включающего 43 рис. и 13 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

радиационный композит защитный

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, приведены общая характеристика работы и ее основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе изложено состояние вопроса, обобщены и проанализированы современные взгляды на радиационную стойкость неорганических материалов. Приведена оценка механизмов, термодинамика, кинетика и критерии радиационной аморфизации материалов. Выполнен анализ неорганических радиационно-защитных материалов для формирования инженерных барьеров. Проведена оценка физики прочности и механика разрушения радиационно-защитных неметаллических радиационно-защитных материалов.

Во второй главе приведены характеристики методов исследования и применяемых материалов.

Испытания проведены в аккредитованной в “ВНИИФТРИ” Госстандарта РФ лаборатории радиационного контроля при БГТУ им. В.Г. Шухова по стандартным методикам Госстандарта и РосАтома РФ.

Облучение материалов в пучке быстрых электронов выполнены на линейном ускорителе "Электроника -5-003". Средняя энергия пучка 6,2 МэВ. Мощность дозы 0,7 кГр/с. Плотность тока электронов на образце 0,33 мкА/см2. Температура поверхности образцов при охлаждении не превышала 20 °С. Максимальная дозовая нагрузка 4МГр.

Радиационная стойкость материалов при г-облучении источником 60Со (Е = 1,25 МэВ) оценивалась по потере массы, газовыделению, остаточной механической прочности образцов на сжатие, оценке ИК-спектров и микроскопическим методом по образованию микротрещин.

Радиационная стойкость материалов при облучении в пучке быстрых электронов оценивалась по изменению валентно-координационного состояния ионов железа методом ЯГР-спектроскопии, фазового состава оксидов железа методом рентгенофазового анализа (РФА) и ИК-спектроскопии минеральных фазах.

Оценка радиационной стойкости материалов выполнена при облучении РЗК на промышленной установке "Со - 60". Контроль интегральных доз облучения образцов выполнен с помощью дозиметрических пленок из триацетатцеллюлозы (ТАЦ).

Для получения величин, характеризующих защитные свойства РЗК, была использована программа для ЭВМ, моделирующая прохождение фотонного излучения в однородной среде. Геометрический блок позволял рассчитывать характеристики излучения для двух случаев: плоский источник мононаправленного излучения падающего на плоскую мишень и точечный изотропный источник в бесконечной среде. При реализации программы был использован имитационный метод Монте-Карло.

В качестве магнетитового сырья (Fe3O4) использован обогащенный железорудный концентрат Лебединского ГОКа. Содержание магнетита 97,2%. Плотность 5595 кг/м3. Размер частиц 15 - 25 мкм.

Состав вяжущего материала с размером частиц 15 - 25 мкм %, масс.: трехкальциевый силикат 3СаО·SiO2 (61,2); двухкальциевый силикат 2CaO·SiO2 (19,6); алюминат кальция CaO·Al2O3 (4,5); четырехкальциевый алюмоферит 4CaO·Al2O3·F2O3 (14,7). Данные минеральные фазы входят в состав клинкерных минералов портландцемента по ГОСТ 10178-85.

Химический состав вяжущего материала, % масс.: СаО - 66,4; SiO2 - 22,8; Al2O3 - 6,0; Fe2O3 - 4,8.

В третьей главе приведены результаты оптимального состава радиационно-защитного композита, типа РЗК. С учетом конструкционных и радиационно-защитных характеристик подобран оптимальный состав РЗК, включающий, % масс.: цементное вяжущее - 19,0; магнетит - 76,2; кремнийорганическая добавка - этилсиликат-40 - 4,8.

Химический состав полученного конструкционного композита, % масс.: СаО - 13,0; SiO2 - 6,4; Al2O3 - 1,2; Fe3O4 - 79,4.

Обработка экспериментальных данных по выбору оптимальных технологических параметров процесса формования мелкозернистого прессованного РЗК позволила установить уравнение регрессии и рассчитать прочность на сжатие композита, в зависимости от исследуемых технологических параметров (в диапазоне удельных давлений прессования - от 2,5 до 25 МПа):

Rсж = 24,8 + 2,5·Х1 + 4,8·Х2 + 3,5·Х3 - 9,7·Х4 - 5,1·Х5 - 1,1·Х1·Х2 -1,8·Х1·Х3 + 0,8·Х1·Х4 - 0,4·Х1·Х5 - 2,5·Х2·Х3 - 1,2·Х2·Х4 - 0,8·Х2·Х5 - 1,1·Х3·Х4 + 0,8·Х4·Х5

(где: Х1 - давление прессования; Х2 - модуль крупности; Х3 - отношение вода - вяжущее; Х4 - отношение: вяжущее - оксид железа; Х5 - отношение: вяжущее - вода).

Разработана технология получения РЗК, который имеет высокие конструкционные и эксплуатационные характеристики и удовлетворяет требованиям ГОСТ 16327-88, АС (ОПБ-88) и АЭ Г-1-011-89 к материалам для формирования инженерных барьеров в атомной промышленности.

В четвертой главе исследованы радиационно-защитные характеристики РЗК на модельных и экспериментальных системах.

Получены зависимости энергетических (потоковых) коэффициентов пропускания от толщины защитных экранов. Расчеты проводились для случая нормального падения однородного потока г-излучения на плоский защитный слой, а также для случая точечного изотропного источника в бесконечной среде с учетом факторов накопления. Прохождение г-квантов от источников через стенку защиты моделировалось методом Монте-Карло. Физическая модель процессов и константное обеспечение позволили провести расчеты для энергий фотонов от 0,01 до 2 МэВ.

Рассчитаны массовые коэффициенты ослабления г-излучения.

Выполнены расчеты интегральных характеристик радиационно-защитных свойств РЗК. Получены систематические данные по факторам накопления, пропускания и отражения (альбедо), оформленные в виде таблиц международного стандарта и графически, которые позволяют проводить аналитические расчеты, необходимые при решении инженерных задач.

Анализ произведенных расчетов показал:

В случае увеличения толщины защитного экрана (или ДСП- длины свободного пробега фотона) и энергии излучения, энергетический фактор накопления (ЭФН) для РЗК непрерывно возрастает. Наблюдается незначительное увеличение ЭФН (до 8%) по сравнению со сталью при малых ДСП (1, 2) и до 20% - для высоких величин ДСП (4) фотона. В пределах одного значения ДСП величина ЭФН для РЗК в 1,2 раза выше по сравнению со сталью, и эта разница возрастает с увеличением ДСП и энергии фотона.

Энергетический коэффициент пропускания (ЭКП) ведет себя аналогично ЭФН, плавно увеличиваясь с возрастанием энергии фотонов в пределах одного значения его ДСП (рис. 1). Для РЗК величина ЭКП примерно в 2 раза выше по сравнению со сталью в пределах одного значения ДСП фотона.

Рис. 1. Энергетический коэффициент пропускания РЗК для плоского мононаправленного г-излучения, нормально падающего на плоскую защиту

Выполнена оценка зависимости коэффициента пропускания от толщины защиты в полулогарифмическом масштабе для различных энергий фотонов (рис. 2).

На рис. 3 показано, что г-излучение слабо влияет на характеристику отражения (альбедо) РЗК при прохождении защитной стенки. Изменение величины альбедо в РЗК от энергии первичного г-излучения носит экстремальный характер, максимальная величина альбедо достигает при Ег = 0.5 МэВ и на 10% выше по сравнению с металлическим железом.

Рис. 2. ЭКП для плоского мононаправленного г- излучения с Е = 1 МэВ, нормально падающего на плоскую защиту толщиной h: 1 - РЗК; 2 - сталь; 3 - свинец

Рис. 3. Зависимость энергетических альбедо от энергии г-излучения для различных защитных материалов

Рис. 4. Кратность ослабления г-излучения РЗК (3300 кг/м3) от толщины защиты и энергии фотонов

Для РЗК, изготовленного в форме стандартного кирпича толщиной 65 · 120 · 250 мм, коэффициент ослабления г-излучения по 137Cs и 60Co соответственно составлял 3,5 и 2,9 (толщина РЗК 65 мм). При толщине РЗК 250 мм коэффициент ослабления г-излучения по 137Cs и 60Co соответственно составлял 52,6 и 28,9 (рис. 4).

Данные показатели на 30 % по 60Co и на 50% по 137Cs выше, по сравнению, с известным тяжелым бетоном при одинаковой толщине защитного экрана (рис.5).

Рис. 5. Экспериментальные данные по кратности ослабления г-излучения для РЗК и стандартного бетона (2300 кг/м3) от толщины защиты и энергии фотонов: 1 - РЗК, источник 137Cs; 2 - Стандартный бетон, источник 137Cs; 3 - РЗК, источник 60Co; 4 - Стандартный бетон, источник 60Co

В пятой главе приведены теоретические и экспериментальные результаты по взаимодействию быстрых электронов с энергией 0,5 - 6,2 МэВ при флюенсе 1018 электронов/см2 и г-источника 60Со с РЗК, при поглощенной дозе 0,1 - 25 МГр.

Наблюдался экстремальный характер распределения поглощенной дозы по толщине образца. Для пучка электронов с энергией 3-5 МэВ полоса максимума уширялась и охватывало более глубинные слои РЗК. Полученные экспериментальные результаты согласуются с теоретически рассчитанными по методу Монте-Карло.

Расчет выполнен по методу Монте-Карло при числе траекторий частиц, равных 500. Анализ коэффициентов отражения и поглощения электронов в РЗК показывал, что в широком энергетическом спектре электронов 73 - 91% частиц приходится на поглощение в материале. Однако, при Е > 1 МэВ заметно возрастает эффект отражения электронов (8 - 15%).

В спектрах ЯГР образца РЗК возникали "парамагнитные" дуплеты. Асимметрия линий дуплета, соответствующая ионам железа Fe3+ свидетельствует о двух его координационных состояниях ([FeO6] и [FeO4]).

При поглощенной дозе пучка быстрых электронов (D = 0,2 МГр) в спектрах ЯГР РЗК происходило образование ферромагнитной упорядоченной фазы. Спектр РЗК состоял из дуплетов, соответствующих ионам Fe3+ и Fe2+. Это свидетельствовало о том, что основная часть ионов железа входит в парамагнитные образования, которым в ЯГР-спектре соответствует дуплетная структура спектра. При поглощенной дозе 0,2 - 0,66 МГр в спектрах ЯГР возникает дополнительный "парамагнитный" дуплет, характеризующийся сдвигом д=0,26-0,31 мм/с и квадрупольным расщеплением ?=1,41-1,58 мм/с, что соответствует ионам Fe3+ в тетраэдрической координации. При увеличении поглощенной дозы электронного облучения до 1-2 МГр появлялся дуплет, соответствующий ионам Fe2+ c сильно искаженной октаэдрической координацией и параметрами: д=1,33-1,43 мм/с и ?=2,68 мм/с.

В РЗК при обработке его пучком быстрых электронов происходило восстановление магнетитовой фазы с резким увеличением содержания железа в Fe2+ - форме. Однако величина изомерного сдвига 0,65-0,72 мм/с ниже, чем для чистой закиси железа, равной д=1,32 мм/с.

При облучении РЗК в пучке быстрых электронов с D = 0,2-0,66 МГр, образующийся дуплет в спектре ЯГР соответствовал ионам Fe2+ с сильно искаженной октаэдрической координацией с параметрами: д=1,34-1,42 мм/с и ?=2,59-2,75 мм/с. Наиболее ярко этот процесс протекает при поглощенной дозе облучения 0,66 МГр. По-видимому, в данном случае связи железа с силикатными минералами в композите имели комплексный характер. Что касается природы этих связей и электронной структуры ионов железа, то надо иметь ввиду, что отсутствие магнитного расщепления в спектрах РЗК, подвергнутого высоко-дозовому электронному облучению, указывало на низкое спиновое состояние атома железа.

Увеличение дозы облучения РЗК до 2 МГр приводило к изменению параметров спектров ЯГР. Значение изомерных сдвигов 0,95 мм/с соответствовало ионам Fe2+ с высокоспиновой электронной конфигурацией и указывало на значительную долю ковалентной составляющей. Величина квадрупольного расщепления в РЗК, подвергнутого электронной обработке с D=2 МГр, снижалось до ?=1,90 мм/с, что указывает на повышение симметрии зарядного окружения атомов железа в октаэдрической позиции [Fe2+O6]. По-видимому, указанные структурные перестройки в оксидах железа могут быть вызваны, прежде всего локализацией 3d-электронов атомов железа и деформацией решетки кристалла.

Для РЗК, подвергнутого облучению потоками быстрых электронов (особенно при высокой дозе в 2 МГр) в спектрах ЯГР наблюдалось уширение спектральных линий более чем вдвое (до 0,72-1,08 мм/с), по сравнению с исходным образцом (до электронного облучения). Можно предположить, что в результате облучения быстрыми электронами при дозе 2 МГр происходит наиболее интенсивная структурная перестройка, приводящая к разупорядочению (аморфизации) кристаллов оксида железа. Магнетитовая фаза в РЗК восстанавливается до структуры, близкой к вюститу FeО с октаэдрической группировкой атомов железа.

Полученные данные ЯГР-спектроскопии дополняются исследованиями магнитных свойств РЗК (рис. 7). Измерения магнитной восприимчивости (ч) проводились по методу Фарадея.

С увеличением поглощенной дозы электронного потока величина ч заметно снижается. С одной стороны, это связано с восстановлением магнетита до фазы, близкой к вюститу (FeO) при D~2 МГр. С другой стороны, сохранение в системе ионов Fe3+ свидетельствует о том, что парамагнитные железосодержащие комплексы в матрице РЗК располагаются преимущественно в изолированных друг от друга микрообластях. Т.е. диамагнитные ионы - разбавители (Si4+) в вяжущем материале, по-видимому, оказывают влияние на обменное взаимодействие между парамагнитными ионами железа. Таким образом, в композите при его электронном облучении создаются "самостоятельные" макрогруппировки парамагнитных ионов модификаторов [Fe3+O6] и [Fe2+O6] - групп.

Рис. 7. Зависимость магнитной восприимчивости РЗК от поглощенной дозы при облучении быстрыми электронами

Для уточнения структурно-фазовых превращений в РЗК, подвергнутого облучению быстрыми электронами, выполнены электронографические исследования на магнетите. Анализ межплоскостных расстояний на электронограммах исходного магнетита (d = 2,96; 2,53; 2,419; 1,712; 1,483 ?) указывает на то, что магнетитовая фаза от октаэдрической структуры кристаллов (до облучения) переходит при облучении с D = 0,66 МГр в кристаллы гексагональной формы, характерной для кристаллов гематита б-Fe2O3 (d = 2,69; 2,51; 1,83; 1,69; 1,484; 1,310 ?). Кроме гематита присутствует кубический магнетит Fe3O4 и маггемит г- Fe2O3 (d = 2,95; 2,79; 2,521; 2,31; 1,70; 1,608 ?).

При облучении магнетита быстрыми электронами с D = 2 МГр на электронных микрофотографиях зафиксировано образование конических фигур типа турбекул. Морфология кристаллов на дне туберкул отличается от морфологии кристаллов на поверхности магнетита.

Снижение содержания магнетитовой фазы при ее облучении быстрыми электронами с поглощенной дозой 1 МГр сопровождалось образованием мелкокристаллической фазы гематита б-Fe2O3. Возможно предположить, что гематит появлялся в результате процесса перекристаллизации ранее образовавшегося маггемита г-Fe2O3.

Исследования показали, что при предварительной выдержке магнетита в растворе щелочи NаОН с рН = 12 (эквивалентно процессу гидратации портландцемента) с последующей сушкой образцов при 1000С и облучением быстрыми электронами с D = 1 МГр приводило к интенсивному образованию маггемита г-Fe2O3. С повышением дозы облучения модифицированного щелочью магнетита до 2 МГр происходило наиболее интенсивное восстановление маггемита до вюстита FeO.

Исследованы процессы газовыделения при нагревании и радиационном г-воздействии. Газовыделение из РЗК интенсифицировалось в интервале 100 - 500 °С в результате теплового расширения композита и дегидратацией химически связанной воды из гидросиликатных минеральных фаз. Хромотографический анализ показал, что основными продуктами газовыделения являлся воздух с примесями СО2 (2,5-3,5%) и Н2 (до 0,2%). Выделение СО2 и Н2 из РЗК составило 0,35 и 0,052 см3/г. Повторный нагрев композитов в интервале 100 - 500 °С на порядок снижал выделение из них водорода и углекислого газа. Изменение потери массы РЗК при нагревании (в течение 5 часов) приведены в табл. 1.

Таблица 1Потеря массы РЗК при нагревании

Температура, °С

100

200

300

400

500

Потеря массы, %

0,8

1,6

2,1

2,2

2,4

Прочность* на сжатие, МПа

67

67

74

74

63

* Начальная прочность РЗК - 67 МПа.

В интервале 300 - 400 °С происходило повышение прочности РЗК на 10%. Это может быть обусловлено интенсивным протеканием реакции поликонденсации этилсиликата, выполняющего роль дополнительного связующего в композите.

Гамма-излучение (60Со, Е = 1,25 МэВ) стимулировало выход радиолизного Н2 из РЗК. С увеличением дозы облучения содержание Н2 непрерывно возрастало. При поглощенных дозах облучения от 0,05 до 0,25 МГр наблюдался плавный ход выделения Н2 за счет свободной физической воды в РЗК, а при дозе более 0,25 МГр (до 1 МГр) скачкообразный (до 0,1-0,12см3/г), за счет радиолиза химически связанной воды в гидросиликатных минеральных фазах композита.

Исследована радиационная стойкость РЗК под воздействием больших доз г-излучения с высокой энергией (до 20 МГр). Создаваемый мощный поток г-квантов на промышленной установке 60Со (Е = 1,25 МэВ) с мощностью 0,02 МГр/час позволил получить требуемую дозу облучения за короткий срок. Это дало возможность исследовать структуру РЗК без значительного влияния на него процессов гидратации вяжущего.

Установлено, что большие дозы г-облучения (до 2 МГр) незначительно влияют на деформационные свойства РЗК. Так скорость распространения продольных и поперечных ультразвуковых волн, модули Юнга и сдвига РЗК практически не изменялись после г-облучения при поглощенных дозах до 2 МГр. Упругие свойства РЗК монотонно слабо изменялись с повышением поглощенной дозы до 5 МГр. Имеет место корреляция между полученными экспериментальными результатами по затуханию ультразвуковых волн и газовыделением водорода из образца РЗК, подвергнутого радиационному облучению с дозой до 10 МГр.

При поглощенной дозе 10 МГр упругие свойства РЗК снижались на 19%, что вызвано не только структурно-фазовыми изменениями в композите (характерно при поглощенных дозах до 5 МГр), но и аморфизацией кристаллических фаз и наиболее интенсивным выделением радиолизного водорода.

Снижение межплоскостных расстояний кристалла магнетита, подвергнутого г-облучению с поглощенной дозой 5-10 МГр с d = 2,708Е (до облучения) до 2,690Е на дифрактограммах РФА, свидетельствует о возрастанию рентгеновской плотности кристаллов.

Под воздействием г-облучения изменяется и силоксановая структура в РЗК в области 1000-1200 см-1 ИК-спектра. При поглощенной дозе г-облучения РЗК от 1 до 2 МГр наблюдалась аморфизация кремнекислородного [SiO4] - тетраэдра. В ИК-спектре формировалась уширенная полоса поглощения в области 1020 - 1130 см -1 (по сравнению с необлученным РЗК). Причем происходило формирование [SiO4] - тетраэдров как с высокой степенью полимеризации (1080 см-1), характерной для цепочечных металлосилоксанов, так и [SiO4] - тетраэдров с низкой степенью полимеризации (1020 см -1, характерных для орто- и мета- силикатов). В облученном РЗК дозой 2 МГр зафиксировано возникновение полосы поглощения при 1100 см-1, что может быть связано с образованием кристобалита (при поглощенной дозе 5 МГр в ИК-спектре наблюдалось смещение данной полосы поглощения в длинноволновую область, свидетельствующее об образовании аморфного кварца).

Изменение упругих свойств в РЗК, подвергнутого мощному потоку г-облучению в высокоэнергетических полях нашло свое отражение и в изменении прочности композитов (табл. 2).

Таблица 2 Прочность РЗК, подвергнутого г-облучению

Композит

Прочность РЗК на сжатие, МПа

До

облучения

После облучения дозой, МГр

1

2

5

10

20

РЗК

67

85

93

86

76

59

Стандартный бетон

40

33

25

12

визуальные микротрещины

При поглощенных дозах 1-2 МГр РЗК не только сохранял свои прочностные характеристики, но и значительно повышал их. Так при дозовой нагрузке 1-2 МГр прочность на сжатие возрастает на 26 - 39 %. Это вызвано как структурно-фазовыми превращениями кристаллов оксидов железа и силикатов, так и радиационным упрочнением композита. Однако в “старых” образцах РЗК (возраст твердения 350 суток) эффект радиационного упрочнения не проявлялся (прочность образцов на сжатие стабильна и не изменялась). Можно предположить, что при активном протекании процессов твердения (гидратации) вяжущего в “свежих” образцах РЗК происходило взаимодействие продуктов радиолиза воды с минеральными фазами, протекании топохимических реакций с образованием твердых растворов.

После г-облучения РЗК с поглощенной дозой 5 МГр наблюдался незначительный спад прочности композита, в том числе и при растяжении что свидетельствовало о начале охрупчивания структуры РЗК. Повышение дозового г-облучения РЗК до 10 МГр приводило к снижению прочности образца на сжатие на 11 %. При визуальном осмотре образца РЗК после г-облучения с дозовой нагрузкой 10 МГр, а также микроскопическом анализе (Х1500) не обнаружено следов механического разрушения материала.

Механического разрушения РЗК не происходит и при значительной поглощенной дозе г-облучения (20 МГр) несмотря на снижение прочности РЗК на сжатие на 12%. Остаточная прочность на сжатие РЗК остается высокой - 59 МПа. Обнаружено, что при поглощенной дозе г-облучения 20 МГр в РЗК развивается дефектная структура в массиве образца в виде канальных микротрещин размером от 5 до 50 мкм. Развитие микротрещин в РЗК происходит через капиллярные поры в композите после газовыделения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан состав и технология получения радиационно-защитного композита (РЗК) с высоким содержанием оксидов железа, капсулированных в цементной матрице. Композит РЗК имеет высокие физико-технические и эксплуатационные характеристики, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам в атомной промышленности.

2. Выполнены расчеты основных физических, энергетических и числовых констант (фактора накопления, коэффициента пропускания, альбедо). Системные физические данные РЗК оформлены в виде таблиц международного стандарта, позволяющие выполнять расчеты инженерных задач радиационной защиты.

3. Защитные характеристики РЗК в 1,6 - 2 раза выше по кратности ослабления г-излучения для изотопов 60Co и 137Cs, в сравнении со стандартным тяжелым бетоном.

4. Установлено, что при облучении быстрыми электронами РЗК глубина их проникновения в композит пропорциональна энергии электронов в области 0,5 - 6 МэВ. Выявлен экстремальный характер распределения поглощенной дозы быстрых электронов по толщине защитного композита (0,02 - 0, 2 г /см2).

5. Доказано, что под влиянием быстрых электронов с энергией 6 МэВ в РЗК изменяется фазовый состав оксидов железа, валентно-координационное и магнитное состояние ионов железа. При поглощенной дозе 2 МГр происходит аморфизация кристаллов оксидов железа. Магнетитовая фаза в РЗК восстанавливается до вюстита FeO с искаженной октаэдрической [FeО6]-координацией ионов железа через промежуточную кубическую фазу маггемита г-Fe2O3 Магнитная восприимчивость РЗК непрерывно снижается с возрастанием поглощенной дозы с образованием изолированных парамагнитных макро-группировок [Fe3+О6] и [Fe2+О6].

6. Имеет место корреляция между скоростью прохождения ультразвуковых волн и газовыделением водорода из РЗК, подвергнутого облучению при поглощенных дозах до 10 МГр. При нагревании РЗК выше 300 °С в результате теплового расширения происходит газовыделение. Основными продуктами газовыделения является воздух с примесями углекислого газа (2,5-3,5 %) и водород (до 0,2 %). Гамма-облучение (60Со) стимулирует выход радиолизного водорода из РЗК.

7. Структурная перестройка и формирование сильно искаженных октаэдрических и тетраэдрических группировок ионов железа ([Fe3+О6] и [Fe2+О6]) в оксидах железа при радиационном воздействии 60Со с поглощенной дозой 1-2 МГр способствует радиационно-термической активации и аморфизации структуры оксидов железа с последующей кристаллизацией новообразующих ферритов кальция.

Воздействие г-потоков 60Со на РЗК с поглощенной дозой до 2 МГр вызывает радиационное упрочнение и повышение механической прочности композита на 26 - 39 % .

При поглощенных дозах от 2 МГр до 10 МГр процессы радиационной аморфизации железо-силикатных фаз в РЗК усиливаются, что приводит к снижению упругих свойств композита.

Макродефектная структура в РЗК развивается при поглощенных дозах г-облучения 60Со выше 20 МГр для РЗК с образованием канальных дефектов диаметром от 5 до 50 мкм. При этом микроструктура облученного РЗК дозами выше 20 МГр наиболее сильно подвержена радиационной аморфизации и охрупчиванию РЗК.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Смоликов, А.А. Физико-химические условия создания высокопрочного бетона [Текст] / А.А Смоликов, В.И Павленко, Д.В. Воронов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005. - № 9. - С. 202-205.

2. Павленко, В.И. Перспективы проектирования современных инженерных радиационно-защитных сооружений [Текст] / В.И. Павленко, П.В. Матюхин, Д.В. Воронов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005. - № 12. - С. 56-58.

3. Павленко, В.И. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов [Текст] / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Д.В. Воронов // Перспективные материалы. ИМЕТ РАН - М., 2006. - №2. - С. 47-50.

4. Смоликов, А.А. Радиационно-защитные характеристики железомагнетитосерпентинового бетона [Текст] / А.А Смоликов, В.И Павленко, Д.В. Воронов // Материалы и упрочняющие технологии: сб. тр. XIII Российской науч.-технич. конф. с междунар. участием. - Курск, 2006. - Ч. 2. - С. 94-99.

5. Смоликов, А.А. Структурно-морфологические свойства железомагнетитосерпентинового бетона [Текст] / А.А. Смоликов, В.И. Павленко, Д.В. Воронов // Материалы и упрочняющие технологии: сб. тр. XIII Российской науч.-технич. конф. с междунар. участием. - Курск, 2006. - Ч. 2. - С. 99-103.

6. Смоликов, А.А. Радиационно-физические исследования железомагнетитосерпентинового тяжелого бетона [Текст] / А.А. Смоликов, Д.В. Воронов, В.И. Павленко // Материалы и упрочняющие технологии: сб. тр. XIII Российской науч.-технич. конф. с междунар. участием. - Курск, 2006. - Ч. 2. - С. 103-107.

7. Смоликов, А.А. Бетон ядерно-энергетического назначения [Текст] / А.А. Смоликов, В.И. Павленко, Д.В. Воронов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2006. - № 13. - С. 202-205.

8. Воронов, Д.В. Реакторный тяжелый бетон для защиты от нейтронного и гамма-излучения: монография [Текст] / Д.В. Воронов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2006. - № 13. - С. 26-28.

9. Павленко В.И. Радиационно-защитный тяжелый бетон на основе железорудного минерального сырья [Текст] / В.И. Павленко, Д.В. Воронов, Р.Н. Ястребинский // Известия вузов. Строительство. - 2007. - №4. - С. 40 -42.

10. Павленко, В.И. Тяжелый бетон для защиты от ионизирующих излучений [Текст]./ В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Д.В. Воронов // Строительные материалы. - 2007. - № 8. - С. 2-4.

11. Матюхин, П.В. Перспективы использования металлокомпозиционного материала при возведении современных инженерных радиационно-защитных сооружений [Текст] / П.В. Матюхин, Р.Н. Ястребинский, Д.В. Воронов // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. - Белгород, 2007. - С. 106-108.

12. Павленко, В.И. Радиационно-защитный композиционный материал на остове тяжелого бетона [Текст] / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Д.В. Воронов // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. - Белгород, 2007. - С. 145-148.

13. Смоликов, А.А. Расчет защитных характеристик железосерпентинитовых бетонов для блоков сб.11 РМБК АЭС [Текст] / А.А. Смоликов, Д.В. Воронов, В.И. Павленко // Материалы и упрочняющие технологии: сб. тр. XIV Российской науч.-технич. конф. с междунар. участием. - Курск, 2007. - С. 135-139.

14. Смоликов, А.А. Неоднородный теплостойкий радиационно-защитный материал [Текст] / А.А. Смоликов, В.И. Павленко, Д.В. Воронов // Тезисы докладов XXVII Российской школы, посвященной 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П.Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. академика В.П. Макеева». - Миасс, 2007. - С. 25-26.

15. Павленко, В.И. Исследование тяжелого радиационно-защитного бетона после активации [Текст] / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Д.В. Воронов // Инженерно-физический журнал. - 2008. - № 4, т.81. - С. - 661-665.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены