Матеріали для захисту від гамма-випромінювання - Безпека життєдіяльності
2.4 Матеріали для захисту від гамма-випромінювання
Гамма-випромінювання найбільш ефективно послаблюється матеріалами з великим атомним номером і високою щільністю (свинець, сталь, бетон, магнетитові та інші руди, свинцеве скло). На АЕС як матеріал для біологічного захисту зазвичай використовується бетон, металеві конструкції та вода. Розглянемо деякі матеріали, що отримали широке застосування як захист від гамма-випромінювання.
Вода використовується як уповільнювач нейтронів, а й як захисний матеріал від нейтронного випромінювання внаслідок високої щільності атомів водню. При поглинанні теплових нейтронів ядрами водню по реакції H(n,γ)D виникає захоплене γ-випромінювання з енергією E =2,23 МеВ. Захоплююче γ-випромінювання можна знизити, якщо застосувати боровану воду. Теплові нейтрони поглинаються бором реакції B(n,α)Li, а захоплююче випромінювання має енергію E = 0,5 МеВ. Конструктивно водяний захист виконують у вигляді заповнених водою секційних баків із сталі або інших матеріалів.
Поліетилен (р = 0,93 г/см 3 , nн = 7,92 ·10 22 ядер/см 3 ) - Термопластичний полімер (CnH2n), є кращим сповільнювачем, ніж вода. Застосовують у вигляді листів, стрічок, прутків тощо. на таких ділянках захисту, де температура поліетилену менше розм'якшення = 368К. Необхідно враховувати високий коефіцієнт його лінійного розширення (в 13 разів більше, ніж залізо). З підвищенням t поліетилен розм'якшується, а потім спалахує, утворюючи двоокис вуглецю і воду. Захисні властивості від γ-випромінювання приблизно такі ж, як у води. Для зменшення захватного γ-випромінювання поліетилен додають борсодержащие речовини.
З інших водневмісних речовин використовують різні пластмаси (полістирол, поліпропілен) та гідриди.металів.
Свинець використовується для захисту у вигляді виливків (чохлованих сталевими листами), листів, дробу. З наявних дешевих матеріалів свинець має найвищі захисні властивості від γ-випромінювання. Його доцільно використовувати за необхідності обмеження розмірів та маси захисту. Застосування свинцю обмежується низькою температурою плавлення (600 К). Захисні матеріали вольфрам, тантал можуть використовуватися в гарячих зонах, у яких застосування нориці виключається. Використовувати ці метали для захисту промислових реакторів недоцільно, оскільки вони є вкрай дорогими.
Кадмій добре поглинає нейтрони з енергією менше 0,5 еВ. Листовий кадмій завтовшки 0,1 см знижує щільність потоку теплових нейтронів у 10 9 разів. При цьому виникає захоплююче γ-випромінювання з енергією до 7,5 МеВ. Кадмій не має достатньо хороших механічних властивостей. Тому частіше застосовують сплав кадмію зі свинцем, який поряд з хорошими захисними властивостями від нейтронного та γ-випромінювань має кращі механічні властивості, ніж властивості чистого кадмію.
Бетон є основним матеріалом для захисту від випромінювань, якщо маса та розмір захисту не обмежуються іншими умовами. Він складається із заповнювачів, пов'язаних між собою цементом. До складу цементу входять оксиди кальцію, кремнію, алюмінію, заліза та легкі ядра, які інтенсивно поглинають γ-випромінювання та уповільнюють швидкі нейтрони в результаті пружного та непружного зіткнень. Поглинаюча здатність γ-випромінювання залежить від густини бетону, яка може становити 2,1 - 6,6 т/м 3 . Найбільша щільність бетону при використанні заповнювача-залізного скрапу (сталевих кульок, дроту, обрізків сталевого брухту), найменша - при використанні піску та гравію. Конструкція бетонного захисту може бути монолітною (длявеликих реакторів) або складаються з окремих блоків (невеликих реакторів). Для зниження виходу захватного γ-випромінювання бетон вводять замість заповнювача до 3% B4C.
Основним показником захисних властивостей матеріалу по відношенню до γ-випромінювання служить лінійний коефіцієнт ослаблення щільності (потужності дози) γ-випромінювання. Чим вище щільність матеріалу, тим більше μ (коефіцієнт ослаблення), тим вищими захисними властивостями володіє матеріал. Захисні властивості матеріалів покращуються внаслідок введення у них важкого компонента (заліза, барію та інших.). γ-випромінювання послаблюється за рахунок збільшення густини матеріалу.