14.625.21.0035
- Разработка материала, позволяющего 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.
- Создание лабораторной установки по производству композиционных материалов на основе наноструктурированных соединений бора.
Задачи:
- Разработать методику получения и изготовить экспериментальные образцы необходимых мономеров для синтеза полиимидных матриц, самих полиимидных матриц, наноструктурированного карбида бора, композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида бора и полиимида.
- Разработать методику получения и изготовить экспериментальные образцы композиционных материалов на основе оксида металла и СВМПЭ.
- Провести исследовательские испытания полученных образцов композиционных материалов.
- Выбрать оптимальные варианты составов композиционных материалов.
- Разработать лабораторный технологический регламент получения композиционных материалов.
- Создать лабораторную установку для получения композиционных материалов, на которой изготовить экспериментальный образец.
- Разработать предложения и рекомендации по реализации результатов, проведённых исследований в реальном секторе экономики.
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.
Излучения высоких энергий, такие как выбросы альфа/бета частиц, гамма-лучи, а также выбросы нейтронов часто используются в широком диапазоне отраслей промышленности, в которые входит атомная энергетика, здравоохранение и аэрокосмическая отрасль. Значительная часть задач радиационной защиты может быть надлежащим образом решена с использованием металлических материалов. Вместе с тем, существуют задачи, для эффективного решения которых необходимо существенное снижение удельной массы радиационно-защитных изделий. Полимерные композиты – особенно интересные кандидаты для материалов радиационной защиты по нескольким причинам. Во-первых, они могут быть использованы в качестве конструкционных материалов, как металлы или сплавы, но при этом значительно легче, что позволит их применять в авиакосмической отрасли. Наконец,можно варьировать их свойства под конкретное применение для достижения эффективного экранирования излучения.
При выборе направления исследований в рамках текущей научно-исследовательской работы мы определили следующие требования, предъявляемые к разрабатываемым композиционным материалам:
- должны быть стойкими к высоким дозам радиационного излучения;
- должны быть стойкими к климатическим воздействиям;
- должны обладать повышенной термостойкостью;
- должны ослаблять радиационное излучение.
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 гамма-лучи. Тем не менее, эти металлы не всегда в состоянии блокировать все типы излучений, в частности выбросы нейтронов в космосе или в ядерных реакторах. Кроме того, радиозащитное снаряжение из этих материалов является тяжелым и громоздким, что нежелательно для большинства применений. Например, в мобильных ядерных устройствах и пилотируемых космических кораблях, радиозащитные материалы, которые легче предпочтительны из-за уменьшения веса конечного аппарата.
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.
Для обеспечения максимальной радиационной защиты требуются большие степени наполнения полимера радиационнозащитными составами. Бор (точнее, стабильный изотоп бор-10) поглощает нейтроны очень эффективно: сечение поглощения тепловых нейтронов 3837 барн, поэтому наноструктурированные соединения бора весьма перспективны в качестве радиационнозащитных наполнителей.
Анализ литературных данных, в области создания материалов с высокой температурой эксплуатации и стойкостью к радиационному излучению, показывает, что в качестве термоустойчивой полимерной основы, сочетающей при нагреве высокую деформационную и химическую устойчивость, огнестойкость могут быть эффективно использованы полиимиды. Радиационная стойкость полиимидов связана с высокой прочностью связей в имидном цикле, а также с тем, что облучение полиимидов сопровождается конкурирующими процессами – разрывом макроцепей и молекулярным сшиванием. Нанокомпозит на основе термостойкой и радиационностойкой полиимидной матрицы и наноструктурированного карбида бора обеспечивает не только поглощение излучения тепловых нейтронов, но и повышает огнестойкость разрабатываемого композиционного материала.
В качестве наполнителя для блоков предлагается использовать сверхвысокомолекулярный 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.
В рамках первого этапа выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы области полимерных материалов и композитов, применяемых для защиты от радиационного излучения. Проведена сравнительная оценка существующих способов защиты от радиационного излучения на основе полимерных и композиционных материалов. Разработаны методы получения диангидридов кислот и диаминов для синтеза полиимидных матриц.
В рамках второго этапа были усовершенствованы старые и предложены новые методики синтеза исходных диаминов и диангидридов кислот для синтеза полиимидных матриц. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов мономеров (диангидридов кислот, диаминов) и полиимидных матриц. Изготовлены экспериментальные образцы диангидридов, диаминов и различных образцов полиимидной матрицы. Разработана методика получения наноструктурированного карбида бора, изготовлены экспериментальные образцы, которые исследованы согласно разработанным программе и методиками исследовательских испытаний.
Разработаны методы и методики получения композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида бора и полиимида, а также оксидов металлов (диспрозия, гадолиния, самария и вольфрама) и сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний данных композитов. Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы. Разработаны рекомендации по выбору оптимального варианта состава композита «полиимид-наноструктурированный карбид бора».
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 может иметь самостоятельную ценность для использования в качестве компонента высокотвердых материалов, а технология его получения, которая разрабатывается в рамках данного ПНИЭР, может послужить основой для создания отдельного производства.