RU161828U1

RU161828U1 - RADIATION PROTECTION PANEL

Info

Publication number: RU161828U1
Application number: RU2015135109/07U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Орыщенко; Андрей Валентинович Анисимов; Виктория Ефимовна Бахарева; Ирина Валентиновна Никитина; Николай Леонидович Кучин; Владимир Николаевич Вавилкин
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2016-05-10

Abstract

Панель радиационной защиты, включающая слои стеклоткани, пропитанной полимерным связующим, и металлический наполнитель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит пропитанные полимерным связующим слои параарамидной ткани, а в качестве металлического наполнителя - стальную сетку, размещенную между слоями пропитанных полимерным связующим тканей, при весовом соотношении металлической сетки и слоев пропитанных полимерным связующим тканей (40-50):(60-50).A radiation protection panel, including layers of fiberglass impregnated with a polymeric binder, and a metal filler, characterized in that it further comprises layers of para-aramid fabric impregnated with a polymeric binder, and as a metal filler, a steel mesh placed between layers of polymeric binder-impregnated fabrics, in a weight ratio metal mesh and layers impregnated with a polymer binder fabric (40-50) :( 60-50).

Description

Заявляемая полезная модель относится к средствам обеспечения радиационной безопасности человека, в частности к конструкциям, применяемым для биологической защиты от ионизирующего излучения (нейтронов и гамма-излучения). Она может найти применение для биологической защиты транспортных энергетических установок, радиационных установок медицинского назначения, а также для изготовления защитных контейнеров, предназначенных для хранения и транспортировки радиоактивных источников.The inventive utility model relates to means of ensuring the radiation safety of a person, in particular to structures used for biological protection from ionizing radiation (neutrons and gamma radiation). It can be used for biological protection of transport power plants, medical radiation facilities, as well as for the manufacture of protective containers for storing and transporting radioactive sources.

Известно [Н.Г. Гусев, В.А. Климанов, В.П. Машкович, А.П. Суворов. Защита от ионизирующих излучений. М., Энергоатомиздат, т. 1, 1989], что для эффективной защиты от ионизирующего излучения (нейтронов и гамма-излучения) защитная панель должна быть выполнена из материала, содержащего в своей структуре большое число ядер водорода, не менее 2-2,5% масс, бора и тяжелые металлы.It is known [N.G. Gusev, V.A. Klimanov, V.P. Mashkovich, A.P. Suvorov. Protection against ionizing radiation. M., Energoatomizdat, t. 1, 1989], that for effective protection against ionizing radiation (neutrons and gamma radiation), the protective panel must be made of a material containing in its structure a large number of hydrogen nuclei, not less than 2-2.5 % of mass, boron and heavy metals.

Известна панель радиационной защиты, выполненная из серпентинитового бетона, включающего 31,0-55,0% масс, серпентинитового щебня фракции 5-20 мм, 6,0-30,0% масс, серпентинитовой гали и 8,0-10,0% масс оксидов щелочных металлов [RU 2529031, МПК G21F 1/04, 2014]. Серпентинитовый бетон имеет плотность 2500-2600 кг/м³ и прочность при сжатии 50-60 МПа; панель может эксплуатироваться при температуре 300-350°C. Защитные конструкции из бетона изготавливаются методом обычной заливки бетона по технологии, принятой в строительстве, и имеют высокую надежность биозащиты.A known panel of radiation protection made of serpentinite concrete, including 31.0-55.0% of the mass, gravel serpentinite fractions of 5-20 mm, 6.0-30.0% of the mass, serpentinite galium and 8.0-10.0% masses of alkali metal oxides [RU 2529031, IPC G21F 1/04, 2014]. Serpentinite concrete has a density of 2500-2600 kg / m ³ and compressive strength of 50-60 MPa; the panel can be operated at a temperature of 300-350 ° C. Protective structures made of concrete are made by the usual method of pouring concrete according to the technology adopted in construction, and have high reliability biosecurity.

Эти свойства серпентинитового бетона определили его широкое применение в качестве основного материала конструкций биологической защиты для всех наземных реакторов, прежде всего реакторов АЭС, для которых весо-габаритные характеристики защитных конструкций не имеет решающего значения. Однако, для транспортных ядерных энергетических установок, например судовых, необходимо минимизировать весо-габаритные характеристики применяемой конструкции биологической защиты.These properties of serpentinite concrete have determined its widespread use as the main material of biological protection structures for all surface reactors, primarily nuclear power reactors, for which the weight and size characteristics of protective structures is not critical. However, for transport nuclear power plants, such as ship ones, it is necessary to minimize the weight and size characteristics of the applied biological protection structure.

В связи с этим прочность защитной панели и эффективность ослабления ею ионизирующего излучения (нейтронов и гамма-излучения) становятся определяющими.In this regard, the strength of the protective panel and the effectiveness of attenuation by it of ionizing radiation (neutrons and gamma radiation) become decisive.

Также известна панель радиационной защиты, выполненная из гидрида титана [Ягодин Г.А. Технология редких металлов в атомной технике.1971, 344 с]. Гидрид титана имеет высокие защитные характеристики по отношению к ионизирующим излучениям (нейтронам и гамма-излучению) и высокую теплостойкость (температура эксплуатации 190-200°C). Однако его получают сложным методом сквозного насыщения водородом титановых заготовок в виде брикетов размером 100×100 мм, а полученный материал хрупок и не поддается механической обработке. В результате при формировании панелей защиты возникает необходимость заполнения образующихся зазоров крошкой гидрида титана. Используемая для этих целей фракция гидрида титана (менее 0,2 мм) пожаро- и взрывоопасна из-за выделения водорода при повышении температуры эксплуатации. Таким образом, защитная панель из гидрида титана, ввиду сложности и трудоемкости ее изготовления, несоизмеримо дороже защитных панелей из бетона. Кроме того, значительное число стыков между малыми блоками снижает эффективность биологической защиты в целом.Also known is a radiation protection panel made of titanium hydride [G. Yagodin. Technology of rare metals in atomic engineering. 1971, 344 s]. Titanium hydride has high protective characteristics with respect to ionizing radiation (neutrons and gamma radiation) and high heat resistance (operating temperature 190-200 ° C). However, it is obtained by a complex method of through saturation with hydrogen of titanium billets in the form of briquettes 100 × 100 mm in size, and the resulting material is brittle and can not be machined. As a result, when forming the protection panels, it becomes necessary to fill the gaps formed with a titanium hydride crumb. The titanium hydride fraction (less than 0.2 mm) used for these purposes is fire and explosive due to the evolution of hydrogen with increasing operating temperature. Thus, the protective panel made of titanium hydride, due to the complexity and complexity of its manufacture, is incomparably more expensive than protective panels made of concrete. In addition, a significant number of joints between small blocks reduces the effectiveness of biological protection in general.

Также известна панель радиационной защиты, выполненная из борсодержащего полиолефина, которая включает полипропилен и частицы полиборида магния размером 60-400 мкм, взятые в количестве 16-18% мае. [RU 2260213, МПК G21F 1/10, 2005]. Высокое содержание водорода и требуемое содержание бора обеспечивают высокую эффективность защиты от нейтронного излучения; изготовление панелей из наполненной полимерной композиции не трудоемко, а сами панели легко монтируются.Also known is a radiation protection panel made of a boron-containing polyolefin, which includes polypropylene and magnesium polyboride particles 60-400 microns in size, taken in the amount of 16-18% in May. [RU 2260213, IPC G21F 1/10, 2005]. The high hydrogen content and the required boron content provide high efficiency of protection against neutron radiation; the manufacture of panels from a filled polymer composition is not laborious, and the panels themselves are easily mounted.

Однако панели из наполненного полипропилена имеют низкую эффективность ослабления гамма-излучения, а также не обладают ни огнестойкостью, ни термостойкостью - температура их эксплуатации не превышает 130°C.However, panels made of filled polypropylene have a low efficiency of attenuation of gamma radiation, and also have neither fire resistance nor heat resistance - their operating temperature does not exceed 130 ° C.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является панель радиационной защиты, включающая слои пропитанной полимерным связующим стеклоткани и металлический наполнитель [RU 2239895, МПК G21F 1/10, 2004]. В качестве металлического наполнителя панель содержит тонкодисперсный порошкообразный вольфрам, в качестве полимерного связующего - эпоксидную смолу или фенолформальдегидное связующее, при этом порошкообразный вольфрам взят в десятикратном избытке по весу по сравнению со связующим. Вольфрамовый порошок смешивают со связующим, которым пропитывают стеклоткань, пропитанные слои собирают в пакеты и формуют панель.The closest in technical essence and the achieved effect is a radiation protection panel, including layers of fiberglass impregnated with a polymer binder and a metal filler [RU 2239895, IPC G21F 1/10, 2004]. The panel contains finely divided tungsten powder as a metal filler, an epoxy resin or phenol-formaldehyde binder as a polymer binder, and tungsten powder is taken in a tenfold excess by weight compared to the binder. Tungsten powder is mixed with a binder, which is impregnated with fiberglass, the impregnated layers are collected in bags and formed into a panel.

Недостатками данного технического решения, принятого за прототип, являются относительно невысокая конструкционная прочность панели, неэффективные защитные характеристики по отношению к нейтронам и гамма-излучению, а также низкие теплостойкость (температура эксплуатации 140-160°C) и огнестойкость, неудовлетворительные весо-габаритные характеристики.The disadvantages of this technical solution adopted as a prototype are the relatively low structural strength of the panel, ineffective protective characteristics with respect to neutrons and gamma radiation, as well as low heat resistance (operating temperature 140-160 ° C) and fire resistance, unsatisfactory weight and size characteristics.

Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение эффективности защиты от ионизирующего излучения (нейтронное и гамма-излучение) при одновременном повышении конструкционной прочности изделия, а также его огнестойкости в широком диапазоне температуры эксплуатации и снижении весо-габаритных характеристик.The technical result to which the claimed utility model is aimed is to increase the efficiency of protection against ionizing radiation (neutron and gamma radiation) while increasing the structural strength of the product, as well as its fire resistance in a wide range of operating temperatures and reducing weight and size characteristics.

Указанный технический результат достигается тем, что панель радиационной защиты, включающая слои пропитанной полимерным связующим стеклоткани и металлический наполнитель, дополнительно содержит пропитанные полимерным связующим слои параарамидной ткани, а в качестве металлического наполнителя - стальную плетеную одинарную сетку, размещенную между слоями пропитанных полимерным связующим тканей, при весовом соотношении металлической сетки и слоев пропитанных полимерным связующим тканей (40-50):(60-50).The specified technical result is achieved in that the radiation protection panel, comprising layers of fiberglass impregnated with a polymeric binder and a metal filler, further comprises layers of a para-aramid fabric impregnated with a polymeric binder, and a steel woven single mesh placed between the layers of the polymeric binder impregnated fabrics, when the weight ratio of the metal mesh and the layers impregnated with a polymer binder fabric (40-50) :( 60-50).

В качестве параарамидной ткани может быть взята параарамидная ткань из волокон СВМ (ГОСТ 28001-88), или параарамидных волокон типа Kevlar фирмы DuPont (США), или волокон РУСАР (ТУ 2272-001-51605609-00). Используются параарамидные ткани сатинового или саржевого типа. Параарамидные ткани не горючи.As a para-aramid fabric, a para-aramid fabric made of CBM fibers (GOST 28001-88), or para-aramid fibers of the Kevlar type from DuPont (USA), or RUSAR fibers (TU 2272-001-51605609-00) can be taken. Satin or twill-type para-aramid fabrics are used. Para-aramid fabrics are not combustible.

В качестве стеклоткани используется стеклоткань, выполненная из алюмоборосиликатного бесщелочного стекловолокна с содержанием бора не менее 0,8% масс. Панель дополнительно содержит бор в форме карбида бора (ГОСТ 5744-85), введенного в полимерное связующее в количестве 5-10% масс.As fiberglass, fiberglass is used, made of alumina-borosilicate alkali-free fiberglass with a boron content of at least 0.8% by weight. The panel additionally contains boron in the form of boron carbide (GOST 5744-85), introduced into the polymer binder in an amount of 5-10% of the mass.

В качестве стальной сетки панель включает плетеную одинарную сетку (сетку Рабица) без покрытий, с ромбовидными ячейками №№5-20 по ГОСТ 5336-88.As a steel mesh, the panel includes a woven single mesh (Rabitz mesh) without coatings, with diamond-shaped cells No. 5-20 according to GOST 5336-88.

В качестве полимерного связующего используется связующее на основе термореактивных полиимидов, такое как «Р-СОД» и «Р-ОДФО», [Михайлин Б.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. С. - Петербург, Профессия, 2006, 623 с.], и в этом случае панель отличается высокой термостойкостью, температура ее эксплуатации составляет 200-250°C.As a polymeric binder, a binder based on thermosetting polyimides, such as "R-SOD" and "R-ODPO", [Mikhailin B.A. Heat-resistant polymers and polymeric materials. St. Petersburg, Profession, 2006, 623 pp.], And in this case the panel is characterized by high heat resistance, its operating temperature is 200-250 ° C.

В качестве связующего могут быть использованы эпоксидные смолы, такие, например, как эпоксидиановые (ГОСТ 10587-84) или циклоалифатические (ТУ 2225-014-33-452160-2004) смолы, тетрафункциональная азотсодержащая эпоксидная смола (ТУ 2225-607-11131395-2003). В этом случае температура эксплуатации составляет 140-160°C, и панель может применяться для защиты от ионизирующего излучения установок, работающих при более низкой температуре, например медицинских установок, или контейнеров для хранения радиоактивных материалов или радиоактивных отходов.As a binder, epoxy resins can be used, such as, for example, epoxydian (GOST 10587-84) or cycloaliphatic (TU 2225-014-33-452160-2004) resins, tetrafunctional nitrogen-containing epoxy resin (TU 2225-607-11131395-2003 ) In this case, the operating temperature is 140-160 ° C, and the panel can be used to protect against ionizing radiation installations operating at lower temperatures, such as medical devices, or containers for storing radioactive materials or radioactive waste.

Заявляемая панель радиационной защиты представлена на фиг. 1-2.The inventive radiation protection panel is shown in FIG. 1-2.

На фиг. 1 показан поперечный разрез заявляемой панели радиационной защиты.In FIG. 1 shows a cross section of the inventive radiation protection panel.

На фиг. 2 показан вид сверху заявляемой панели радиационной защиты.In FIG. 2 shows a top view of the inventive radiation protection panel.

Слои стальной плетеной одинарной сетки 1 (фиг. 1) размещены между слоями пропитанной полимерным связующим стеклоткани 2 и/или между слоями пропитанной полимерным связующим параамидной ткани 3. Размещение полимерных слоев может быть таким, как на фиг. 1, или, в зависимости от назначения панели, другим; обязательным является расположение сетки между слоями тканей, предварительно пропитанных полимерным связующим. В качестве граничных (верхнего и нижнего) слоев желательно брать слой пропитанной полимерным связующим стеклоткани, для обеспечения большей механической прочности.Layers of steel braided single mesh 1 (Fig. 1) are placed between the layers of the polymer binder impregnated fiberglass 2 and / or between the layers of the polymer binder impregnated paraamide fabric 3. The placement of the polymer layers can be as in FIG. 1, or, depending on the purpose of the panel, to others; mandatory is the location of the grid between the layers of fabrics previously impregnated with a polymer binder. As the boundary (upper and lower) layers, it is desirable to take a layer of fiberglass impregnated with a polymeric binder to provide greater mechanical strength.

Панель радиационной защиты работает следующим образом: ионизирующее излучение в виде потока нейтронов, попадая на панель радиационной защиты, ослабляется полимерным связующим, армированным слоями стеклоткани (2) или параарамидной ткани (3), где количество слоев определяется необходимым уровнем защиты (уровнем ослабления ионизирующего излучения);The radiation protection panel works as follows: ionizing radiation in the form of a neutron flux, getting on the radiation protection panel, is weakened by a polymer binder reinforced with layers of fiberglass (2) or para-aramid fabric (3), where the number of layers is determined by the required level of protection (level of attenuation of ionizing radiation) ;

металлическая сетка (1), установленная между слоями обеспечивает ослабление мощности дозы проникающего гамма-излучения и повышает эффективность ослабления быстрых нейтронов;a metal grid (1) installed between the layers attenuates the dose rate of penetrating gamma radiation and increases the efficiency of attenuation of fast neutrons;

снижение выхода захватного гамма-излучения достигается добавлением в связующее карбида бора;reducing the yield of capture gamma radiation is achieved by adding boron carbide to the binder;

органическая параарамидная ткань является негорючим материалом, что придает панели радиационной защиты огнестойкость.Organic para-aramid fabric is a non-combustible material, which makes the radiation protection panels fire resistant.

Нами были изготовлены методом прессования образцы панели радиационной защиты с полиимидным полимерным связующим, в состав которого был введен карбид бора, размером 1000×2000×50 мм и определены их физико-механические показатели.We have made by pressing the samples of a radiation protection panel with a polyimide polymer binder, into which was introduced boron carbide, 1000 × 2000 × 50 mm in size and determined their physical and mechanical properties.

Заявляемая панель радиационной защиты имеет плотность 2500 кг/м³, прочность при сжатии 350-400 МПа, температуру эксплуатации 200-250°C, и эффективно ослабляет нейтроны и гамма-излучение.The inventive radiation protection panel has a density of 2500 kg / m ³ , compressive strength of 350-400 MPa, operating temperature of 200-250 ° C, and effectively attenuates neutrons and gamma radiation.

Для определения эффективности биологической защиты от проникающего излучения были проведены испытания по определению длины релаксации мощности дозы излучения в заявляемой панели радиационной защиты. Испытания проводились на исследовательском реакторе Крыловского государственного научного центра, г. Санкт-Петербург.To determine the effectiveness of biological protection against penetrating radiation, tests were conducted to determine the length of relaxation of the radiation dose rate in the inventive radiation protection panel. The tests were conducted at the research reactor of the Krylov State Scientific Center, St. Petersburg.

По определению, длина релаксации - это толщина материала, на которой величина мощности дозы, обусловленной рассматриваемыми видами ионизирующих излучений, снижается в 2,78 раза. В конечном счете, указанная величина длины релаксации определяет полную суммарную толщину конструкции биологической защиты.By definition, the relaxation length is the thickness of the material at which the dose rate due to the types of ionizing radiation under consideration decreases 2.78 times. Ultimately, the specified length of relaxation determines the total total thickness of the biological defense structure.

В табл. 1 сопоставлены эти показатели для заявляемой защитной панели и наиболее изученного и широко применяемого в настоящее время серпентинитового бетона.In the table. 1, these indicators are compared for the claimed protective panel and the most studied and currently widely used serpentinite concrete.

Из данных таблицы 1 следует, что толщина защиты, необходимая для ослабления потоков нейтронов и гамма-излучения, заявляемой панели меньше, чем у серпентинитового бетона.From the data of table 1 it follows that the thickness of the protection required to attenuate the fluxes of neutrons and gamma radiation of the claimed panel is less than that of serpentinite concrete.

Сравнительные оценки толщин слоев материалов, обеспечивающих равную эффективность защиты по нейтронам при заданной кратности ослабления мощности нейтронного излучения, приведены в таблице 2.Comparative estimates of the thicknesses of the layers of materials that provide equal efficiency of neutron protection at a given ratio of attenuation of neutron radiation power are given in table 2.

Как следует из табл. 2, заявляемая панель радиационной защиты имеет большую эффективность ослабления мощности дозы нейтронов, чем серпентинитовый бетон.As follows from the table. 2, the claimed radiation protection panel has a greater efficiency of attenuating the dose rate of neutrons than serpentinite concrete.

Заявляемая панель легко обрабатывается на металлорежущем оборудовании, что позволяет конструировать и изготавливать края плит, создавая пазы и выступы для сборки конструкций защиты практически без стыковочных зазоров по принципу сборки ламинатных плит.The inventive panel is easily processed on metal-cutting equipment, which allows you to design and produce the edges of the plates, creating grooves and protrusions for assembling protection structures with virtually no joint gaps on the principle of assembling laminate boards.

Плотность заявляемой панели примерно в 2,4 раза ниже по сравнению с панелью прототипом.The density of the claimed panel is approximately 2.4 times lower compared to the panel of the prototype.

Способ изготовления панелей позволяет получать прессованием не только плоские плиты (L до 2000 мм, L₁ до 1000 мм, в зависимости от используемого прессового оборудования), но и изделия с определенной кривизной поверхности, вплоть до скругленных угловых панелей.The panel manufacturing method allows pressing to obtain not only flat plates (L up to 2000 mm, L ₁ up to 1000 mm, depending on the press equipment used), but also products with a certain surface curvature, up to rounded corner panels.

Claims

A radiation protection panel, including layers of fiberglass impregnated with a polymeric binder, and a metal filler, characterized in that it further comprises layers of para-aramid fabric impregnated with a polymeric binder, and as a metal filler, a steel mesh placed between layers of polymeric binder-impregnated fabrics, in a weight ratio metal mesh and layers impregnated with a polymer binder fabric (40-50) :( 60-50).