COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF RADIATION-PROTECTIVE PROPERTIES OF NATURAL MINERALS IN VIETNAM

Современный этап развития российского атомного комплекса характеризуется динамичной экспансией и стабильным ростом ключевых показателей как на внутреннем, так и глобальном энергетическом рынке. АО «Концерн Росэнергоатом», выступающее системообразующим предприятием отрасли, генерирует свыше 20% от общего объема электроэнергии в России, что существенно усиливает энергетическую безопасность государства.

Однако роль атомной индустрии не ограничивается вопросами электрогенерации. Госкорпорация «Росатом», уверенно удерживающая мировое лидерство по количеству строящихся атомных энергоблоков (текущий портфель заказов включает 35+ проектов в 12 государствах), трансформировалась в многопрофильный технологический холдинг. Компания успешно реализует инновационные разработки в различных сферах:

• медицинский сектор (современные методы радиотерапии и диагностики);

• промышленные технологии (аппаратура для неразрушающего контроля и стерилизационные установки);

• фундаментальные и прикладные научные исследования;

• перспективные направления ядерной медицины и радиационных технологий.

Такая диверсификация деятельности позволяет российскому атомному сектору сохранять конкурентные преимущества на международной арене, одновременно способствуя технологическому суверенитету страны.

Особый интерес вызывает разработка инновационных материалов для радиационной защиты, критически важной задачи как для безопасности работы атомных электростанций, так и для других областей применения ядерных технологий.

В фокусе внимания находятся эффективные средства защиты от гамма-излучения, представляющего наиболее сложную проблему из-за его высокой проникающей способности.

Оптимизация затрат на создание радиационной защиты достигается за счет использования местных природных материалов и промышленных отходов, что не только экономически выгодно, но и способствует снижению экологического следа атомной промышленности. Разработка таких материалов — комплексная задача, требующая глубокого понимания физики взаимодействия излучения с веществом. Основное требование к материалам радиационной защиты — высокая эффективность экранирования как нейтронного, так и гамма-излучения. Для достижения этого используются различные стратегии, включающие изменение химического состава материала путем введения тяжелых элементов, таких как свинец, вольфрам, висмут или уран, поглощающих гамма-кванты за счет фотоэлектрического эффекта и эффекта Комптона

Однако простое добавление тяжелых элементов не всегда оптимально. Например, высокая плотность свинца делает его эффективным, но не всегда удобным в обработке, и имеет высокую стоимость. Поэтому ведутся исследования по использованию композитных материалов на основе цемента, бетона, полимеров, в которые вводятся диспергированные частицы тяжелых металлов или их соединений. Это позволяет создавать материалы с регулируемыми свойствами, оптимизированные для конкретных условий эксплуатации

Важным аспектом является учет не только эффективности экранирования, но и долговечности, стойкости к внешним воздействиям (температура, влажность, агрессивные среды), легкости обработки и экономической целесообразности. Например, исследуются возможности использования шлаков металлургического производства, богатых тяжелыми металлами, в качестве наполнителя для композитов радиационной защиты.

Такой подход позволяет решать сразу две задачи: утилизацию промышленных отходов и создание эффективных и недорогих материалов. Кроме того, активно развиваются исследования в области функциональных нанокомпозитов для радиационной защиты. Включение наночастиц тяжелых металлов или оксидов в матрицу полимера или цемента позволяет значительно повысить эффективность экранирования при меньшем количестве добавки. Это связано с увеличением поверхности взаимодействия излучения с веществом. Однако необходимо учитывать возможные проблемы, связанные с токсичностью некоторых наночастиц и их миграцией в окружающую среду. Поэтому важным направлением исследований является разработка биосовместимых и экологически безопасных нанокомпозитов. Все эти направления обеспечивают постоянное усовершенствование материалов радиационной защиты, делая атомную энергетику более безопасной и эффективной.

Современные требования к радиационной защите выявили принципиальную ограниченность природных материалов, ни один из которых в естественном виде не способен обеспечить комплексную защиту от всех видов ионизирующего излучения. Это фундаментальное ограничение стало катализатором для активного развития материаловедения в области создания искусственных композитов с программируемыми свойствами. Современные исследования демонстрируют, что путем комбинации различных материалов в многослойных и гибридных структурах возможно достижение беспрецедентных защитных характеристик, недостижимых для мономатериалов. Особое значение в этом процессе занимает принцип оптимизации радиационной защиты (ALARA), который требует тщательного научного обоснования при проектировании новых композиционных систем 

Параллельно с технологическим развитием в области радиационной защиты происходят значительные изменения в энергетических стратегиях различных стран. Ярким примером служит Вьетнам, где в ноябре 2016 года было принято стратегическое решение о пересмотре национальной ядерной программы. Несмотря на отказ от масштабного строительства атомных электростанций по экономическим соображениям, страна демонстрирует взвешенный подход к развитию ядерных технологий. В настоящее время ведется активная проработка проекта создания современного Центра ядерной науки и технологий, ключевым элементом которого станет исследовательский водо-водяной реактор мощностью 15 МВт

Такая двусторонняя динамика: с одной стороны, постоянное совершенствование защитных материалов, с другой — эволюция подходов к использованию ядерных технологий, — создает уникальную синергию для научно-технического прогресса в этой области. Особую актуальность приобретают исследования, направленные на адаптацию новейших композитных материалов к конкретным условиям эксплуатации в различных типах ядерных установок, что открывает новые горизонты как для фундаментальной науки, так и для практического применения.

В данной работе приведен обзор и результаты исследований радиационно-защитных свойств природных минералов Вьетнама из нескольких месторождений (рис.1) в северной части страны недалеко от столицы — Ханоя.

Рисунок 1 - Места отбора образцов

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.5.1

Плотность (ρ, г/см3) образцов измеряли с помощью плотномера MH-300A (рис. 2). Погрешность измерения находится в пределах ±0,01 г/см3. Измерения плотности проводились с использованием принципа Архимеда: 

$\rho =\frac{\left(W_a-W_L\right)}{W_a}{\rho }_L$

, где Wa — вес образца в воздухе, WL — вес образца в жидкости, ρL — плотность жидкости.

Рисунок 2 - Плотномер

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.5.2

С целью определения радиационно-защитных свойств минералов был исследован химический состав образцов в Управлении по ядерным материалам (г. Каир, Египет) с помощью рентгенофлуоресцентного анализа (X-ray fluorescence spectrometry (рис. 3)).

Рисунок 3 - X-ray fluorescence spectrometry

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.5.3

Метод основан на сборе и анализе спектра, полученного после возбуждения характеристического рентгеновского излучения, которое возникает при переходе атома из возбужденного в основное состояние. Атомы разных элементов испускают фотоны со строго определенными энергиями, измерив которые можно определить качественный элементный состав. Для измерения количества элемента регистрируется интенсивность излучения с определенной энергией. Результаты анализа представлены в таблице 1 и таблице 2.

Рисунок 4 - Схема устройства спектрометра

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.5.6

Определение линейного коэффициента ослабления происходило в результате измерения интенсивности счета импульсов по следующей формуле: 

Слой половинного ослабления (см) по формуле: 

Значение интенсивности счета импульсов без поглотителя составила 574,43.

Для проведения измерения требовалась параллельность граней образцов, поэтому был произведен отбор, а также каждый минерал подвергался нескольким измерениям для обеспечения более точных результатов. Данные экземпляры облучались источником излучения Cs-137. Результаты измерений представлены на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5 - Слой половинного ослабления образцов

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.5.7

Рисунок 6 - Линейный коэффициент ослабления образцов

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.5.8

На рис. 7 представлено сравнение значений линейного коэффициента ослабления изготовленных образцов из глины с наполнителем в виде промышленных отходов с другими образцами радиационно-защитных материалов по данным, приведенным в зарубежных публикациях, например

Рисунок 7 - Сравнение линейного коэффициента ослабления образцов радиационно-защитного материала матрицей из глины

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.5.9

Используя правило смешивания, массовый коэффициент ослабления определяется по формуле: 

На основе химического состава при помощи базы данных XCOM так же были определены массовый коэффициент ослабления для данных образцов (рис. 8, 9)

Рисунок 8 - Зависимость массового коэффициента ослабления от энергии гамма-излучения для камней

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.5.10

Рисунок 9 - Зависимость массового коэффициента ослабления от энергии гамма-излучения для образцов из глины

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.5.11

Проведенные исследования выявили значительные различия в защитных характеристиках изученных образцов. Наибольшей эффективностью экранирования ионизирующего излучения обладает образец GG 8.2 (зеленый гранит), что подтверждается его максимальными значениями линейного и массового коэффициентов ослабления, а также минимальной толщиной слоя половинного ослабления среди всех тестируемых материалов. Эти исключительные свойства обусловлены уникальным элементным составом данного образца, включающим повышенную концентрацию высокоэффективных тяжелых элементов, его высокой объемной плотностью и наличием кристаллических фаз с плотной упаковкой атомов.

В противоположность этому, образец G 9b.1 (обычный гранит) продемонстрировал значительно меньшую эффективность защиты. Полученные данные убедительно свидетельствуют о наличии прямой корреляции между тремя ключевыми факторами: концентрацией тяжелых элементов в составе минерала, плотностью материала и его радиационно-защитной эффективностью. Эти результаты имеют важное практическое значение для разработки новых поколений защитных материалов на основе природных минералов с оптимизированным составом, позволяя целенаправленно подбирать сырьевые компоненты для создания эффективных радиационных экранов.

Рисунок 10 - Массовые коэффициенты, линейные коэффициенты и плотности образцов

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.5.12

Экспериментальные исследования продемонстрировали значительное улучшение защитных характеристик вьетнамских глиняных материалов против γ-излучения при применении двух взаимодополняющих подходов. В ходе исследования установлено, что увеличение давления прессования с 7,61 до 114,22 МПа приводит к существенному улучшению радиационной защиты. Для образцов из красной глины (PR серия) линейный коэффициент ослабления увеличился на 32% при энергии γ-квантов 0,66 МэВ и на 36% при 1,33 МэВ, с соответствующим уменьшением слоя половинного ослабления на 24% и 27%. Аналогичные, хотя и менее выраженные изменения наблюдались для белой глины: рост коэффициента ослабления на 14–17% и снижение HVL на 12–15% в том же энергетическом диапазоне.

Параллельно исследовалось влияние введения промышленных металлических отходов (до 70% по массе) на защитные свойства композитов. Композиты на основе красной глины (RW серия) показали увеличение коэффициента ослабления на 24% при 0,66 МэВ и на 16% при 1,33 МэВ, с уменьшением HVL на 24% и 17% соответственно. Для композитов из белой глины (WW серия) эти показатели составили 27% и 21% для коэффициента ослабления, 27% и 20% для HVL при тех же энергиях излучения.

Физический анализ выявил два основных механизма улучшения защитных свойств: механическое уплотнение приводит к уменьшению пористости и увеличению плотности упаковки частиц, в то время как введение металлических добавок повышает эффективный атомный номер материала и создает дополнительные центры рассеяния излучения. Полученные результаты подтверждают перспективность комбинированного подхода, сочетающего механическое уплотнение и модификацию состава, для создания эффективных радиационно-защитных материалов на основе местного сырья. Особенно важно, что оба метода позволяют значительно улучшить защитные свойства при сохранении экологической безопасности и экономической целесообразности производства.

Комплексные исследования подтвердили высокую эффективность применения местных вьетнамских материалов для задач радиационной защиты. Особый интерес представляет зеленый гранит марки GG 8.2 из месторождения Сапа, демонстрирующий исключительные защитные характеристики благодаря уникальному минеральному составу с повышенным содержанием тяжелых элементов (железо, свинец, вольфрам) и оптимальной кристаллической структурой. Данный материал рекомендован в качестве высокоэффективного наполнителя для специальных бетонов при строительстве объектов атомной инфраструктуры, включая энергоблоки АЭС, исследовательские реакторы и хранилища радиоактивных материалов.

Параллельно разработаны инновационные композитные материалы на основе красной глины, превосходящие зарубежные аналоги по ключевым параметрам. Эти композиты особенно перспективны для создания модульных защитных конструкций, мобильных экранов и быстровозводимых сооружений.

Полученные результаты создают научную основу для развития национальной программы радиационной безопасности Вьетнама, эффективно сочетая передовые научные разработки с практическим использованием местных минеральных ресурсов. Это открывает новые перспективы для строительства атомных объектов следующего поколения с оптимизированными характеристиками защиты при значительной экономии средств.