Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка композиционных материалов с наноструктурированными соединениями бора для создания быстровозводимых конструкций и покрытий с заданными анизотропными свойствами, предназначенных для защиты от радиационного излучения

Номер контракта: 14.625.21.0035

Руководитель: Жданович Ольга Анатольевна

Должность: Заместитель директора

Организация: федеральное государственное унитарное предприятие "Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"
Организация докладчика: Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
быстровозводимые конструкции, защита от радиации, защита от нейтронного излучения, нанотехнология, наночастицы, карбид бора, композит, полиимид, полиимидная матрица, композиты на основе полимерной матрицы

Цель проекта:
Существует растущий спрос на разработку новых защитных материалов, которые могут быть подстроены в соответствии с конкретными применениями (или типом излучения). В последние два десятилетия появились исследования, направленные на изучение применимости нано- и микро-композитов для ослабления/поглощения излучения с высокой энергией. Из-за большого отношения площади поверхности к объему, наночастицы, как сообщается, обладают повышенной способностью поглощать частицы с высокой энергией, по этому микро- или наноматериалы, диспергированные в полимерной матрице, могут быть использованы для разработки эффективной радиационной защиты. Полимерные композиционные материалы особенно интересные кандидаты для материалов радиационной защиты по различным причинам. Во-первых, они могут быть использованы в качестве конструкционных материалов, как металлы или сплавы, но при этом значительно легче. Во-вторых, они могут быть обработаны для достижения эффективного экранирования излучения для конкретной отрасли. Важным требованием, которому должны соответствовать полимерные композиции, предназначенные для изготовления конструкционных изделий для защиты от радиоактивных излучений, является высокая механическая прочность и стабильность свойств в широком интервале температур. Цели: - Разработать материал, позволяющий создавать функциональные звенья для быстрого и оперативного возведения конструкций для защиты от радиационного излучения. - Создание композиционных материалов на основе наноструктурированных соединений бора для создания быстровозводимых конструкций и покрытий, предназначенных для защиты от радиационного излучения. - Разработка лабораторного технологического регламента производства композиционных материалов на основе наноструктурированных соединений бора для создания быстровозводимых конструкций и покрытий, предназначенных для защиты от радиационного излучения. - Создание лабораторной установки по производству композиционных материалов на основе наноструктурированных соединений бора для создания быстровозводимых конструкций и покрытий, предназначенных для защиты от радиационного излучения.

Основные планируемые результаты проекта:
- Лабораторный технологический регламент на композиционный материал на основе наноструктурированного карбида бора и полиимида.
- Лабораторная установка для получения композиционного материала на основе наноструктурированного карбида бора и полиимида.
- Лабораторный образец композиционного материала на основе наноструктурированного карбида бора и полиимида.
- Проект технического задания на проведение на проведение ОТР по теме «Технология производства композиционных материалов с наноструктурированными соединениями бора для создания быстровозводимых конструкций и покрытий с заданными анизотропными свойствами, предназначенных для защиты от радиационного излучения».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Практически все материалы, из которых изготавливаются различные конструктивные узлы и рабочие части атомных и термоядерных установок, подвергаются действию этих излучений во время их работы. Поскольку длительность работы ядерных реакторов и проектируемых термоядерных аппаратов должна быть не менее 10 лет (иначе они будут экономически невыгодными), то в течение этого же времени должны бесперебойно "работать" и материалы конструкций. Излучения реакторов, воздействуя на материалы, изменяют их структуру, а значит, и их прочностные, электрические и другие свойства.
Поэтому проблема выбора или создания новых конструкционных радиационностойких материалов приобретает принципиальное значение в дальнейшем прогрессе человечества в освоении новых источников энергии.
Защита от радиоактивного излучения имеет большое техническое и экономическое значение. При этом любой материал поглощает радиоактивное излучение до определенной степени. В частности, α-излучение, как правило, поглощается полностью без особых проблем. Для защиты от β-излучения часто также не требуется дополнительных мер безопасности. Проблему представляет собой защита от излучения нейтронов и γ-излучения. Она включает в себя, с одной стороны, эффективную изоляцию от долговременных источников излучения, например, при хранении радиоактивных отходов и, с другой стороны, защиту от временных или непостоянных радиоактивных выбросов, происходящих при работе рентгеновской аппаратуры или проведении различных научных и технических экспериментов.
В настоящий момент в качестве материалов для защиты от нейтронов широко используется полиэтилен и композит из полиэтилена с оксидом бора, но у них малая механическая прочность и низкая устойчивость к воздействию температур, что ограничивает их применение.
Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования сообщают об использовании различных защитных материалов (например, бетона, полимерных композитов, тяжелых металлов, таких как свинец, композитов окиси свинца/вольфрама/олова и т.д.) для ослабления или поглощения нежелательной радиации. Эффективность экранирования данных материалов в значительной степени зависит от типа излучения и диапазона энергий. Свинец и другие металлы с высокой атомной массой используются для ослабления излучения с высокой энергией, такого как рентгеновские лучи и гамма-лучи. Тем не менее, эти металлы не всегда в состоянии блокировать все типы излучений, в частности выбросы нейтронов в космосе или в ядерных лабораториях. Кроме того, радиозащитное снаряжение из этих материалов является тяжелым и громоздким, что нежелательно для большинства применений.
Существует растущий спрос на разработку новых защитных материалов, которые могут быть подстроены в соответствии с конкретными применениями (или типом излучения). В последние два десятилетия появились исследования, направленные на изучение применимости нано- и микро-композитов для ослабления/поглощения излучения с высокой энергией. Из-за большого отношения площади поверхности к объему, наночастицы, как сообщается, обладают повышенной способностью поглощать фотоны. Микро- или наноматериалы, диспергированные в полимерной матрице, могут быть использованы для разработки эффективной радиационной защиты. Полимерные композиционные материалы особенно интересные кандидаты для материалов радиационной защиты по различным причинам. Во-первых, они могут быть использованы в качестве конструкционных материалов, как металлы или сплавы, но при этом значительно легче. Наконец, они могут быть обработаны для достижения эффективного экранирования излучения для конкретной отрасли.
Одним из основных требований, которым должны соответствовать полимерные композиции, предназначенные для изготовления конструкционных изделий для защиты от радиоактивных излучений, кроме этой защиты от радиоактивных излучений, является обеспечение достаточно высокой механической прочности изделий из этих композиций.
Предлагаемая разработка относится к области композиционных пленкообразующих материалов, предназначенных для создания тонкослойных полимерных радиационно защитных покрытий, и может быть использована в различных областях науки и техники, где требуется высокоэффективная защита от радиационного излучения в сочетании с высокими требованиями по механической прочности изделий из этих композиций.
В настоящее время в качестве радиационно стойких матриц применяются полиимидные смолы. Эти материалы обладают долговечностью в широком интервале температур: от -230ºC до 600ºC, механической прочностью и радиационной стойкостью и уже нашли применение в таких областях, как микроэлектроника, аэрокосмическая промышленность, разделение газов и в производстве топливных ячеек. Полимерная матрица, содержащая большое количество атомов водорода является эффективной защитой от быстрых нейтронов, которые после нескольких столкновений с ядрами вещества теряют свою кинетическую энергию и становятся тепловыми.
В свою очередь соединения бора обеспечивают поглощение заявляемым материалом излучения тепловых нейтронов. Кроме того, сочетание полиимида с соединениями бора повышает огнестойкость заявляемого композиционного материала. Использование наноразмерного наполнителя приводит к увеличению поверхности захвата нейтронов и большей эффективности материала.
В качестве наполнителя для блоков предлагается использовать сверхвысокормолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), который содержит большое количество атомов водорода. Матрица СВМПЭ модифицируется оксидами металлов с высокой атомной массой, способных улавливать γ-излучение, блоки из этого композита будут дополнительно покрыты полиимидным материалом, содержащим наноструктурированные соединения бора. Так же рассматривается возможность дополнительного использования нано-глин в качестве наполнителя для СВМПЭ. Для этого будет разработана методика получения наномодификаторов из глин, которые могут быть использованы в коммерческом обороте.
Один из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определённым способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства, способные длительно сохранять свои эксплуатационные свойства при действии высоких и очень низких температур, различных химических агентов, повышенных уровней радиации и других факторов. Один из основных путей решения данной проблемы - это создание композиционных материалов на основе полиимидной матрицы. Путем добавления разных количеств наночастиц на различных стадиях полимеризации матриц, а так же увеличение числа доступных мономеров, обратимость реакции имидизации (второй стадии реакции синтеза) позволят широко варьировать молекулярные, молекулярно-массовые характеристики и, как следствие, их термо-, теплостойкость, устойчивость к воздействию радиации, растворимость, способность к переработке, деформационно-прочностные и иные свойства будущих композитов.
Создание защитных блоков для быстровозводимых конструкций с покрытием из предлагаемого полиимидного композиционного материала позволит значительно увеличить их радиационную устойчивость от воздействия быстрых и тепловых нейтронов. Быстровозводимые конструкции позволяют в короткий срок обустраивать защитные убежища для людей и техники в случае ядерного заражения местности. Помимо этого радиационно защитные блоки могут применяться для оборудования хранилища ядерных отходов, при оборудовании радиологических кабинетов, в центрах по исследованию ядерной энергии, на АЭС и атомных подводных лодках, а также в космонавтике. Помимо этого разрабатываемые композиции могут быть применены при иммобилизации опасных отходов в составе органо-минеральных составов, в частности при утилизации отходов, содержащих радиоактивные изотопы элементов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
- Лабораторные технологические регламенты получения композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида бора могут быть использованы для создания новых производств.
- Создание защитных блоков для быстровозводимых конструкций с применением предлагаемого композиционного материала позволит значительно увеличить их радиационную устойчивость от воздействия быстрых и тепловых нейтронов. Быстровозводимые конструкции позволят в короткий срок обустраивать защитные убежища для людей и техники в случае ядерного заражения местности. Помимо этого радиационно защитные блоки могут применяться для оборудования хранилища ядерных отходов, при оборудовании радиологических кабинетов, в центрах по исследованию ядерной энергии, на АЭС и атомных подводных лодках, а также в космонавтике.
- Наноструктурированный карбид бора, технология получения которого будет разрабатываться в рамках данного ПНИЭР, может иметь самостоятельную ценность для использования в качестве компонента высокотвердых материалов.

Текущие результаты проекта:
За счет средств субсидии:
-Написан аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы области полимерных материалы и композитов, применяемых для защиты от радиационного излучения.
- Произведен выбор и обоснование направления исследований.
- Произведен выбор строения и структуры полиимидных матриц.
- Проведена сравнительная оценка существующих способов защиты от радиационного излучения на основе полимерных и композиционных материалов.
- Произведен выбор оксида металла для наполнения СВМПЭ.
- Проведен анализ возможности применения смешанных видов наполнителе для более полной защиты от радиационного излучения.
- Проведены патентные исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.

За счет внебюджетных средств:
- Разработан метод получения диангидридов кислот для синтеза полиимидных матриц.
- Разработан метод получения диаминов для синтеза полиимидных матриц.
- Проведены маркетинговые исследования рынка нанонаполнителей для полимерных композиционных материалов и исходных веществ, необходимых для получения мономеров (диангидридов кислот и диаминов), применяемых для синтеза полиимидной матрицы.
- Выполнен обзор существующих полимерных и композиционных материалов для защиты от радиационного излучения, представленных на российском рынке.
- Закуплена необходимая для разработки методик получения лабораторная посуда и реактивы.