Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0041

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0041
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Полимерные нанокомпозиты для комбинированной радио- и радиационной защиты
Докладчик
Бойков Андрей Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность проекта определяется тем, что в результате техногенных катастроф, активного освоения космоса, применения аппаратуры, генерирующей электромагнитные излучения, и использования ускорителей заряженных частиц медицинского и ядерно-энергетического назначения обострилась проблема, связанная с защитой электронной аппаратуры, техники и персонала, ее обслуживающего, от электромагнитных и ионизирующих излучений искусственного и природного происхождения, т.е. решение задачи получения материала комбинированной защиты, которая к настоящему времени удовлетворительного решения не имеет.
Описание исследования

Для решения проблемы комплексной защиты от ионизирующего и электромагнитного излучения предполагается использовать дисперсные порошки с радио- и радиационно-поглощающими свойствами для использования их в качестве наполнителя в полимерной матрице, что позволит значительно улучшить защитные характеристики полимерных композитов и достичь двойного эффекта поглощения электромагнитных и проникающих радиационных излучений. Сопоставимость размеров структурных единиц (частиц) и длины волны излучения (нейтронов, рентгеновских и гамма квантов) приводит к дополнительному рассеиванию излучений и, следовательно, к увеличению эффективной длины пути излучения в нанокомпозитах. Поэтому для получения радио- и радиационно-защитных полимерных композитов необходимо создание новых технологических процессов, позволяющих достичь специальных потребительских свойств продукции и повышения эффективности их производства, а также повышения их конкурентоспособности.

В роли таких технологических процессов выступает смешение компонентов в высокоэнергетических мельницах, т.к. механообработка позволяет равномерно распределить компоненты наполнителя в объеме полимерной матрицы, что благоприятно влияет на физико-механические свойства и способность поглощать электромагнитное, гамма и нейтронное излучение.

Радиационные испытания на нейтронном пучке были выполнены на горизонтальном экспериментальном канале № 7 (ГЭК-7) реактора ИР-8 НИЦ "Курчатовский институт". Этот канал является касательным к активной зоне реактора. Источником нейтронов является бериллиевый блок (рассеиватель), установленный в канале напротив активной зоны реактора. Благодаря такому устройству прямое гамма-излучение из активной зоны реактора в канал не попадает. Гамма-излучение на выходе канала создается гамма-квантами, рассеянными в бериллиевом блоке и на конструкционных материалах. Это сопутствующее гамма-излучение на несколько порядков меньше прямого излучения из активной зоны реактора.

Для определения коэффициента ослабления пучка гамма-квантов при прохождении сквозь исследуемые образцы использовался экспериментальный стенд "Гамма-МД" с элементами гамма-спектрометра производства фирмы Canberra (США). Высокое разрешение спектрометра и защита из свинца обеспечили измерения практически без фонов. Для проведения радиационных испытаний на исследованных образцах использовали диапазон гамма-квантов от 121 кэВ до 1,4 МэВ. Источниками служили изотопы 152Eu и 60Со, которые позволили провести измерения с гамма-квантами следующих энергий: Еg = 121 кэВ, Еg = 244 кэВ, Еg = 344 кэВ, Еg = 779 кэВ, Еg = 964 кэВ, Еg = 1112 кэВ, Еg = 1173 кэВ, Еg = 1332 кэВ и Еg = 1408 кэВ.

Измерения радиофизических характеристик наполненных радио- и радиационно-защитными наполнителями полимерных композиционных материалов после их облучения гамма- и нейтронным излучением были проведены на измерителе КСВН и ослабления панорамном Р2-113 на частоте 4 ГГц были измерены: коэффициенты ослабления ЭМИ образцами ПКМ, а также коэффициенты отражения с применением согласованной нагрузки и короткозамыкателя (металлической пластины). Погрешность методики измерений ± 2,5 дБ. 

Известно, что под воздействием проникающего излучения в полимерных материалах протекают процессы как сшивки, то есть образование поперечных связей между молекулами полимера, так и деструкции, заключающиеся в разрыве полимерных цепей и соответствующим снижением механических свойств материала. По итогам радиационных и радиофизических испытаний были проведены физико-механические и структурные испытания облученных образцов.

 

Результаты исследования

Рисунок 1 - Результаты нейтрон поглощающих свойств.

На рисунке 1 показаны изменения коэффициента поглощения Кn от содержания всех радиационно-поглощающих наполнителей. Из этого рисунка наглядно видно, что с увеличением содержания борсодержащих наполнителей коэффициент поглощения тепловых нейтронов значительно повышается и достигает значения 25. При этом в наибольшей степени поглощение тепловых нейтронов происходит наполнителями из карбида бора и нитрида бора.

Окончательно можно заключить, что в наибольшей степени ослабляют поток тепловых нейтронов образцы, которые имеют в своем составе 20 весовых процентов карбида бора. Материал с таким составом является эффективной защитой от нейтронного излучения. Причем не только от тепловых нейтронов, но и от быстрых нейтронов при толщине защитного материала в несколько сантиметров, так как быстрые нейтроны в результате упругого рассеяния на водороде полиэтилена будут сбрасывать энергию до тепловых значений и поглощаться бором. Изменения весовых количеств других ингредиентов, входящих в состав образцов, не меняют заметным образом величину коэффициента Кn.

Рисунок 2 - Результаты поглощения гамма-квантов.

На рисунке 2 представлена зависимость коэффициента ослабления гамма-излучения Кg от состава наполнителей в образцах. На этом рисунке наглядно показано, что при низких энергиях гамма-квантов коэффициент ослабления значительно увеличивается и достигает величины 1.5. При высоких энергиях гамма-квантов коэффициент ослабления не превышает значения 1.04.

Рисунок 3 - Результаты ослабления ЭМИ.

Коэффициент ослабления ЭМИ напрямую зависит от состава образца и его толщины. На рисунке 3 представлена зависимость коэффициента ослабления от состава образца, а также удельное ослабление на 1 мм толщины образца. Как видно из рисунка 3, образцы 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 13 могут быть использованы как эффективные радиозащитные композиционные материалы. 

По результатам физико-механических и структурных испытаний было выявлено увеличение модуля упругости и снижение относительного удлинения по сравнению с не облученными образцами, что связано с процессами сшивки в полимерной матрице. Микроструктура образцов в результате облучения не изменилась.

 

 

 

Практическая значимость исследования
Основные области применения создаваемых материалов:

1) Защита электроники и обслуживающего персонала от ЭМИ и ионизирующего излучений в атомной и аэрокосмической промышленности;
2) Защита обслуживающего персонала и жителей прилегающих селений от интенсивных ЭМИ 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.
4) Возможно применение в смежных областях.
Постер

Poster_template_IN.ppt