Регистрация / Вход
Прислать материал

Полимерные нанокомпозиты для комбинированной радио- и радиационной защиты

Докладчик: Гульбин Виктор Николаевич

Должность: кандидат технических наук

Цель проекта:
1. Эксплуатация предприятий ядерного топливного цикла и ликвидация последствий аварий на них, применение ионизирующих излучений в медицине и технике, развитие космических исследований привели к возникновению проблем, связанных с радиоактивным загрязнением биосферы, попаданием радиоактивных веществ в живые организмы и в среду их обитания (атмосферу, гидросферу, почву). В частности, актуальной задачей является защита обслуживающего персонала, работающего в радиационно-опасных условиях, связанных, как с потоками излучения «закрытых» источников (радиоактивные препараты, реакторы, рентгеновские и ускорительные установки), так с радиоактивными веществами от «открытых» радиоактивных источников (отходы ядерной промышленности, «открытые» радиоактивные препараты и т.д.). Широкое применение радиоэлектронных приборов и устройств для контроля за технологическими процессами в поле интенсивных радиационных воздействий, не снижает актуальности этой задачи, так как существует необходимость работы обслуживающего персонала с аппаратурой после пребывания её в зоне прямого контакта с радиоактивными продуктами или её активации нейтронным потоком. В ходе выполнения НИР должны быть разработаны: а) подходы и методы твердофазного деформационного формирования высокопрочных радио- и радиационно-защитных композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), наполненного порошками поглотителей электромагнитных излучений (углеродных компонентов, в том числе ультрадисперсного углерода), нейтронного излучения (борсодержащие материалы) и нанопорошком поглотителей гамма излучений (соединения, содержащие вольфрам или другие тяжелые металлы); б) твердофазная деформационная методика, обеспечивающая равномерное распределение различных наполнителей по объему полимерной матрицы; в) комплексный подход, обеспечивающий формирование качественных композиционных материалов на полимерной основе; г) лабораторная технология получения сложно наполненных полимерных композиционных материалов, обеспечивающую их соответствие требованиям, предъявляемым к материалам комплексной радио- и радиационной защиты, а также выявлены закономерности, определяющие достижение требуемых физико-механических, трибологических и радиационно-защитных характеристик сложно наполненных полимерных композиционных материалов. 2. Цель ПНИЭР: разработка радио- и радиационно-защитных полимерных композитов, наполненных порошками поглотителей электромагнитных излучений (углеродные компоненты), нейтронного излучения (борсодержащие материалы) и нанопорошком поглотителей гамма излучений (соединения, содержащие вольфрам или другие тяжелые металлы), и способов получения полимерных нанокомпозитов для изготовления изделий, позволяющих улучшать экологию и повышать радиационную безопасность обслуживающего персонала при интенсивных электромагнитных и радиационных излучениях на ускорителях заряженных частиц и термоядерных электростанциях, а также на аппаратуре нового поколения медицинской техники, использующей линейные СВЧ-ускорители электронов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Научно-технические результаты: а) лабораторная технология получения порошковых композиционных материалов на основе СВМПЭ, содержащего порошкообразные наполнители (углеродные компоненты, борсодержащие соединения, вольфрам-содержащие наполнители); б) экспериментальные образцы порошковых композиционных материалов на основе СВМПЭ, содержащего порошкообразные наполнители (углеродные компоненты, борсодержащие соединения, вольфрам-содержащие наполнители); в) лабораторная технология получения объемных композиционных материалов на основе СВМПЭ, содержащего порошкообразные наполнители (углеродные компоненты, борсодержащие соединения, вольфрам-содержащие наполнители);
г) экспериментальные образцы объемных композиционных материалов на основе СВМПЭ, содержащего порошкообразные наполнители (углеродные компоненты, борсодержащие соединения, вольфрам-содержащие наполнители).
Результатом внедрения предлагаемых разработок будет обеспечение выпуска эффективных отечественных изделий комбинированной радио- и радиационной защиты, а также снижение издержек отечественного бюджета за счет организации производства импортозамещающей продукции.
2. Предполагается создать новые радио- радиационно-защитные композиционные материалы со следующими функциональными характеристиками: 1) модуль упругости не менее 0,5 ГПа; 2) максимальная рабочая температура не менее 100 0С; 3) коэффициент теплопроводности не ниже 0,6 В/мК; 4) коэффициент ослабления потока гамма-излучения не менее 1,35 (при Eγ=1,22 кэВ); 5) коэффициент ослабления нейтронного излучения не менее 2,5 (при Jнейтр.=3,1÷4,0х1012 1/стер•к); 6) удельное поглощение электромагнитного излучения не менее 2 дБ на 1 см толщины образца (на частоте ЭМИ f=4 ГГц); 7) потери на отражение электромагнитного излучения не более 20 % (на частоте ЭМИ f=4 ГГц).
3. Использование в качестве наполнителей одновременно поглотителей электромагнитного, нейтронного и гамма излучений для получения комбинированной радио- и радиационной защиты осуществляется впервые.
4. Анализ научно-технической информации, накопленной по данной проблеме в отечественной и зарубежной печати к сегодняшнему дню, позволяет заключить, что разрабатываемый подход к созданию радио- и радиационно-защитных композиционных материалов на полимерной основе не имеет аналогов в отечественной и мировой практике и по совокупности характеристик является по существу уникальным, содержащим ряд технических решений, составляющих предмет для патентования.
5. Внедрение технических результатов научных исследований осуществляется в рамках соглашения о дальнейшем использовании результатов прикладных научных исследований, заключенном с индустриальным партнером ЗАО НПП Маяк-93М (http://mayak-93.ru/), основной деятельностью которого является высокотехнологичное производство, основанное на наукоемких исследованиях и высокотехнологичных разработках, преимущественно в области обработки полимерных материалов.
В настоящей работе для получения композитов предполагается использовать различные варианты обработки смесей исходных веществ в механоактиваторах планетарного типа. Выбор режимов обработки будет осуществляться на основе проведенных ранее участниками настоящего проекта исследований влияния технологических параметров на энергонапряженность и температуру процесса и влияния энергетических параметров обработки на структурные и фазовые превращения в обрабатываемых материалах при механоактивационной обработке. Структура получаемых порошковых материалов будет контролироваться методами рентгеноструктурного анализа, ИК- спектроскопии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, при этом особое внимание будет уделяться изучению структуры межфазных границ и наличию посторонних включений в приграничных областях.
Температурная устойчивость материалов будет исследована методами дифференциальной сканирующей калориметрии, рентгеноструктурного анализа и микроскопическими методами. На основании полученных данных будут отобраны композиты, обладающие достаточной термической стабильностью для применения их в качестве радиационно-защитных материалов. Из отобранных композитов методом термического прессования будут приготовлены объемные образцы, которые будут подвергнуты радиационному облучению различными видами излучений (нейтронного и гамма-излучение).
Ограничения и риски связаны: а) с появлением новых, ранее неизвестных технологий и созданием альтернативных решений на их основе; б) со снижением значимости предлагаемой к решению задачи, в связи с изменением структуры экономики, социально-политическими процессами, развитием уровня технологий; в) с появлением организационных рисков доведения результатов ПНИЭР до практического внедрения, связанные с межведомственными согласованиями.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Основные области применения радио- и радиационно-защитных композиционных материалов: 1) защита электроники и обслуживающего персонала от электромагнитных и ионизирующих излучений в атомной и аэрокосмической промышленности, 2) защита обслуживающего персонала и жителей прилегающих селений от интенсивных электромагнитных и радиационных излучений на ускорителях заряженных частиц (Циклотрон, Токомак и др.) и термоядерных электростанциях, 3) защита персонала и аппаратуры нового поколения медицинской техники на основе линейных СВЧ-ускорителей электронов с местной биологической защитой. Возможны другие области применения.
2. Практическое внедрение планируемых результатов предполагается в следующих отраслях промышленности:
1) Предприятия Росатома РФ, занимающиеся созданием транспортных ядерно-энергетических установок космического назначения (ОАО НИКИЭТ имени Н.А.Доллежаля, ФГУП ФНПЦ "ПО "Старт" им. М.В. Проценко"), принимающих участие в программах по освоению управляемого термоядерного синтеза и разработкой термоядерного реактора ИТЭР (НИЦ «Курчатовский институт», НИИЭФА, ВНИИНМ им. А.А.Бочвара, ОАО НИКИЭТ имени Н.А.Доллежаля); 2) предприятия РКА, занимающиеся разработкой и изготовлением электронной аппаратуры электропитания и управления электроракетными двигателями космических аппаратов (ОАО "Авиационная электроника и коммуникационные системы") и созданием космических аппаратов различного назначения (ОАО «РКК «Энергия» имени ак. С.П.Королева, ОАО «ИСС» имени ак. М.Ф.Решетнева, ОАО «Газпром – Космические системы»); 3) Предприятия департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга РФ, занимающиеся созданием радиоэлектронного оборудования для радиолокационных комплексов авиационного и космического базирования (Концерн радиостроения «Вега», ОАО НИИ "Аргон", НТЦ "Модуль"); 4) Предприятия по разработке и производству медицинской аппаратуры, использующей ионизирующие излучения (ОАО МРТИ РАН, ГНЦ "Институт биофизики").
3. Разработка технологии получения полимерных нанокомпозиционных материалов комплексной защиты должна позволить выйти на новый уровень обеспечения радио– и радиационной защиты персонала и электронного оборудования при интенсивных электромагнитных и радиационных излучениях на ускорителях заряженных частиц и термоядерных электростанциях, а также на аппаратуре нового поколения медицинской техники, использующей линейные СВЧ-ускорители электронов.

Текущие результаты проекта:
В настоящее время выполнены следующие работы: 1) проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов по теме ПНИЭР; 2) проведены патентные исследования по теме ПНИЭР; 3) разработан оптимальный состав полимерных нанокомпозитов для комплексной защиты; 4) проведено обоснование и осуществлен выбор методов получения полимерных нанокомпозитов для комплексной защиты; 5) разработан проект лабораторного технологического регламента получения композитов
на основе СВМПЭ, содержащего порошкообразные наполнители (углеродные компоненты, борсодержащие соединения, вольфрам содержащие наполнители); 6) разработаны программа и методики проведения исследовательских испытаний экспериментальных образцов порошковых композиционных материалов на основе СВМПЭ, содержащего порошкообразные наполнители (углеродные компоненты, борсодержащие соединения, вольфрам содержащие наполнители); 7) изготовлены экспериментальные образцы порошковых композиционных материалов на основе СВМПЭ (углеродные компоненты, борсодержащие соединения, вольфрам содержащие наполнители); 8) осуществлен выбор и проведено обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач; 9) изготовлены нанопорошки углеродных компонентов - поглотителей электромагнитного излучения; 10) осуществлено ресурсное обеспечение выполнения работ по п.7 календарного плана.
Работы по п.п.8, 9 и 10 выполнены за счет внебюджетных средств.