Experimental study of the radiation-protective properties of composite materials based on halloysite

Повышение эффективности радиационной защиты персонала требует постоянного совершенствования материалов, используемых на ОИАЭ. Первым и главным требованием, предъявляемым к материалам, предназначенным для защиты, являются их высокие защитные свойства как против нейтронного, так и против гамма-излучения. В связи с этим активно проводятся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на совершенствование существующих и разработку новых нетоксичных материалов, обеспечивающих эффективную радиационную защиту

В настоящее время особое внимание уделяется композитным материалам, где в качестве матрицы могут быть использованы полимеры, цемент или глина. Композитные материалы широко применяются в качестве радиационной защиты благодаря возможности изменять состав наполнителя, их весу, механическим свойствам и хорошей способности ослаблять излучение. Композитный материал представляет собой структуру, состоящую из двух и более компонентов с различными физико-химическими свойствами. Комбинирование этих компонентов позволяет получить материал с новыми, улучшенными характеристиками, отличающимися от свойств исходных составляющих. Путем варьирования состава, пропорций компонентов и ориентации наполнителя, можно создавать широкий спектр материалов с заданными свойствами. В большинстве случаев композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по механическим характеристикам, что позволяет снизить массу конструкций без потери прочности и других эксплуатационных параметров

Галлуазит — это уникальный природный слоистый материал, состоящий из алюмосиликатной глины, сформированной в нанотрубки. По своему химическому составу он схож с каолинитом, а его нанотрубки можно представить как свернутые слои каолина. Длина этих трубок варьируется от 0,5 до 1,5 мкм, а их внешний диаметр составляет 50–80 нм. Формирование трубчатой структуры обусловлено различиями в периодах слоев диоксида кремния и оксида алюминия с октаэдрической структурой

Целью работы является исследование радиационно-защитных свойств галлуазита в качестве матрицы для композитных материалов. Перспективным направлением использования изделий из галлуазита, как в чистом виде с повышенной плотностью, так и с добавлением различных промышленных отходов, могут стать блоки (кирпичи) для быстровозводимых конструкций радиационной защиты. Эти изделия могут эффективно использоваться для экранирования высокоактивного оборудования в процессе его ремонта и демонтажа, обеспечивая безопасность и защиту персонала атомной энергетики от потенциального радиационного воздействия.

Исследование микроструктуры галлуазита было проведено с помощью микроскопа TESCAN Mira 3 LMU (см. рисунок 1).

Рисунок 1 - Изображение нанотрубок галлуазита, полученное при помощи электронного микроскопа

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.33.1

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) предназначен для детального изучения поверхности материалов, предоставляя изображения с высоким разрешением и информацию о составе, структуре и других характеристиках приповерхностных слоев. СЭМ формирует изображение путем сканирования поверхности образца сфокусированным электронным пучком. Этот метод особенно эффективен для анализа трехмерных электронно-плотных образцов. С помощью СЭМ можно исследовать форму и морфологию поверхности частиц, анализировать покрытия, шероховатость и волнообразность поверхности, изучать поры и волокна с заданными свойствами, при этом увеличения варьируются от 4 до 10⁶ раз, а ускоряющее напряжение — от 200 В до 30 кВ. Использование катода Шоттки с высокой яркостью обеспечивает получение изображений с высоким разрешением, отличной контрастностью и низким уровнем шума

[5]

.

По 5 полученным спектрам были определены усредненные значения элементов химического состава. Галлуазит состоит из 40.28% кислорода, 27,25% алюминия, 29,72% кремния, 1,27% калия и 1,48% железа (см. рисунок 2).

Рисунок 2 - Карта распределения химических элементов в составе галлуазита

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.33.2

Были изготовлены 4 образца из галлуазита с добавлением 10% эпоксидной смолы и 0%, 10%, 20%, 40% металлических отходов (см. рисунок 3). Образцы были подвергнуты процессу прессования, который осуществлялся под давлением 114,24 МПа

[6]

. Прессование было направлено на значительное повышение их плотности, что, в свою очередь, должно было улучшить физические и механические характеристики материала. Прессование помогло более равномерно распределить структуру образцов, что положительно сказалось на их общей прочности и устойчивости к внешним воздействиям.

Плотность измеряли с помощью плотномера MH-300A. Плотномер MH-300A — экономичный цифровой прибор с диапазоном измерения с 0,01 г до 300 г. Благодаря использованию метода Архимеда плотномер напрямую может точно показывать плотность исследуемого образца. Погрешность измерения находится в пределах ±0,01 г/см3.

Рисунок 3 - Образцы из галлуазита с различным содержанием металлических отходов

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.33.3

Для теоретической оценки экранирующих свойств материала, а именно массового коэффициента ослабления, был применен программный комплекс NIST XCOM. В основе XCOM лежит база данных сечений взаимодействия фотонов, разработанная Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST). XCOM позволяет рассчитать полные и парциальные сечения различных процессов взаимодействия фотонов с веществом, включая некогерентное и когерентное рассеяние, фотоэлектрическое поглощение, а также образование электрон-позитронных пар в поле атомного ядра и электронов

[7]

.

В таблице 1 приведены квантово-теоретические модели, использованные для определения сечений вышеупомянутых процессов.

Массовый коэффициент ослабления был получен с помощью программного пакета NIST XCOM. Далее по формулам рассчитывался линейный коэффициент ослабления (см. рисунок 4) и толщина слоя половинного ослабления (см. рисунок 5).

Линейный коэффициент ослабления μ зависит от энергии гамма-излучения, атомного номера Z и плотности ρ поглотителя. Гамма-кванты взаимодействуют, в основном, с атомными электронами, следовательно, коэффициент ослабления должен быть пропорционален плотности электронов Р, которая пропорциональна объемной плотности поглощающего материала.

Линейный коэффициент ослабления рассчитывался по формуле:

где 

Стоит также отметить, что одной из важных характеристик защитных материалов является толщина половинного ослабления 

Слой половинного ослабления рассчитывался по формуле:

Рисунок 4 - Зависимость линейного коэффициента ослабления от концентрации металлических отходов

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.33.5

Рисунок 5 - Зависимость толщины слоя половинного ослабления от концентрации металлических отходов

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.33.6

В ходе проведенных исследований был получен химический состав галлуазита, который включает в себя преимущественно легкие элементы. Эти элементы, несмотря на свою широкий спектр использования в различных областях, обеспечивают недостаточные экранирующие свойства. Их большой удельный объем и низкая плотность не позволяют им эффективно поглощать радиоактивное излучение и использоваться в качестве радиационной защиты. Поэтому для повышения радиационно-защитных свойств галлуазита, он был использован в качестве матрицы с заполнителем из металлических отходов. Также образцы подвергались прессованию для повышения из плотности. Эти меры привели к значительному улучшению защитных характеристик. При увеличении концентрации металлических отходов линейный коэффициент ослабления увеличился на 26%. В то же время толщина слоя половинного ослабления изменилась с 5,22 см до 4,14 см.