Древесина защищает от ионизирующего излучения
В атомной промышленности в качестве защиты от поражающего живую ткань нейтронного излучения используют вещества с высоким содержанием водорода (парафин, полиэтилен, гидриды металлов, тяжелую воду и т. д.), являющиеся эффективными поглотителями быстрых нейтронов, а при смешивании с бором - эффективными поглотителями тепловых нейтронов. Древесина, натуральная или борированная, - водородосодержащий материал. Причем содержание водорода в единице объема древесины не меньше, а иногда и больше, чем в единице объема традиционных защитных материалов.
Однако, анализируя литературные источники, можно сделать вывод, что древесина и древесные материалы не только не используются, но и не рассматриваются и не исследуются в качестве нейтронозащитных.
Последствия аварий на АЭС в Чернобыле и Фукусиме указывают на важность обеспечения радиационной безопасности и необходимость расширения спектра научных исследований, направленных на поиск и создание новых нейтронозащитных материалов.
Практическая значимость создания защиты с использованием новых и по возможности дешевых материалов объясняется высокой стоимостью традиционных защитных материалов. Затраты на обеспечение безопасности современных АЭС составляют почти 50% общих капитальных вложений. Стоимость защиты современных ядерно-технических установок может достигать 30% стоимости всего сооружения.
Водородосодержащие материалы являются лучшим препятствием для проникновения нейтронов в вещество, так как в них происходит максимальная потеря энергии нейтронов. Эффективность этой защиты иллюстрируют данные о числе столкновений нейтронов с ядрами атомов элементов разной плотности, необходимых для снижения энергии нейтронов, например, с 1,0 МэВ до 0,025 эВ (то есть при переходе нейтронов из разряда быстрых в разряд тепловых). Так, при движении нейтронов в уране для достижения означенного выше результата требуется 2100 столкновений, в углероде - 100, а в водороде - 25.
Рис. 1. Экранирование ионизирующих излучений
На рис. 1 проиллюстрирована эффективность разных видов защиты при воздействии ионизирующих излучений. Водородосодержащий материал представлен в виде блока из парафина. До настоящего времени задачей большинства исследований, направленных на изучение результатов взаимодействия древесины с ионизирующими излучениями, к которым относится и излучение нейтронов, была оценка изменения свойств древесины после подобного взаимодействия.
Исследовались пределы радиационной устойчивости древесины в связи с применением в деревообрабатывающей промышленности радиоактивных изотопов для гаммаскопии. Изучалось действие радиации на связи компонентов лигноуглеводного комплекса. Рассматривалась возможность получения продуктов радиолиза древесины как сырья для химической промышленности. Проводились исследования модификации древесины за счет действия ионизирующих излучений. То есть речь шла об определении влияния излучений на свойства древесины и ее компонентов.
Интерес представляет рассмотрение обратной задачи: исследование изменений ионизирующих излучений, в частности, нейтронных потоков, при встрече с защитой из древесины - как из натуральной (цельной или измельченной), так и из модифицированной уплотнением и (или) пропиткой.
Для подтверждения возможности использования древесины в качестве защиты от нейтронных потоков научным коллективом Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета им. С. М. Кирова были проведены экспериментальные исследования, методика которых построена на сравнительном анализе защищающей способности деревянных образцов и образцов защитных материалов, используемых в атомной промышленности.
Определяющим этапом исследований являлись эксперименты по опытной проверке защищающей способности уплотненной (с целью повышения концентрации атомов водорода в единице объема) древесины, пропитанной раствором борной кислоты, при воздействии нейтронных потоков разной плотности.
Эксперименты проводились на оборудовании циклотронной лаборатории Физико-технического института (ФТИ) им. А. И. Иоффе РАН и лаборатории № 31 Военной инженерной космической академии (ВИКА) им. А. Ф. Можайского. При испытаниях использовался Pu (Be) источник нейтронов со средней энергией быстрых нейтронов 5,15 МэВ. Для получения потока тепловых нейтронов использовался этот же источник с шаровым замедлителем из оргстекла.
Опытные образцы одного размера (кубы с гранью 100 мм) были изготовлены из следующих материалов: модифицированной древесины (уплотненной в два раза по сравнению с натуральной древесиной березы влажностью 10-12%, пропитанной насыщенным раствором борной кислоты), борированного полиэтилена марки ПС-20-5Б, материала с коммерческим названием Neutrostop на основе борированного полиэтилена (используется в качестве штатной биологической защиты в циклотронной лаборатории ФТИ).
Критерием оценки результатов экспериментов являлись коэффициенты поглощения быстрых (К1) и тепловых (К2) нейтронов веществом образцов. Под коэффициентом поглощения понимается отношение плотности потока излучаемых источником нейтронов к плотности потока нейтронов, регистрируемых детектором, установленным за защитным экраном из испытуемого материала.
Таблица 2. Коэффициенты поглощения тепловых (К2) нейтронов
Усредненные результаты экспериментов сведены в табл. 1 и 2.
Анализ результатов исследований позволяет заключить, что для модифицированной древесины, полиэтилена и материала Neutrostop К1, по сути, один, а К2 модифицированной древесины в среднем в 2,63 раза больше К2 полиэтилена.
Подводя итог проведенных экспериментов, можно отметить, что модифицированная древесина при воздействии быстрых нейтронов проявляет такую же защищающую способность, как известные нейтронозащитные материалы, а при воздействии потоков тепловых нейтронов - более эффективную защищающую способность.
Полиэтилен и Neutrostop являются известными нейтронозащитными материалами, используемыми на объектах ядерной энергетики. Однако у них выявлен ряд существенных недостатков. Так, например, полиэтилен и используемый в настоящее время Neutrostop резко теряют прочность при температуре 70-80°С и выделяют токсичные газы.
У других известных водородосодержащих видов защиты также есть недостатки. Например, гидриды металлов при достижении температуры 80°С разлагаются с выделением водорода, поэтому подобные защитные материалы необходимо заключать в емкости, способные выдерживать высокое давление. Парафин лишен несущей способности и не может, в отличие от древесины, служить в качестве конструкционного материала.
а)
б)
Рис. 2. Защитное ограждение:
а – стена из блоков; б – блок
На рис. 2а представлена конструкция защитного ограждения, сформированного из блоков (рис. 2б). Конфигурация блоков, разработанная создателями защиты Neutrostop, считается наиболее рациональной и при правильной сборке исключает прямой проход нейтронов сквозь защиту. Однако изготовление блоков подобной конфигурации из цельной древесины по технологическим и экономическим соображениям менее выгодно, чем их формование из измельченной древесины. Учитывая это обстоятельство, на базе лаборатории ВИКА им. А. Ф. Можайского были организованы эксперименты по исследованию нейтронозащитных свойств измельченной древесины.
Соединение древесных частиц в блоки осуществлялось способом термопьезообработки за счет реакционноспособных компонентов, содержащихся в древесине, то есть без внесения в древесную массу дополнительных клеящих веществ. Объектом обработки являлись опилки осины. Плотность материала после уплотнения составляла 1,2 г/см3. В качестве боросодержащего материала использовался порошок борной кислоты, который смешивался с древесной массой в смесителе барабанного типа.
Анализ экспериментальных данных показал, что защищающая способность блоков из уплотненной древесной борированной массы при воздействии потоков быстрых нейтронов ниже защищающей способности защиты из полиэтилена и парафина лишь на 6 и 12% соответственно. Причем есть способы глубокого уплотнения древесной массы, то есть дополнительного повышения ее нейтронозащитных свойств.
Применение блоков из уплотненных древесных частиц (или уплотненной цельной древесины) рационально в тех случаях, когда к защите предъявляются требования минимизации габаритов. Если же пространство для размещения защитных средств не ограничено, то в качестве этих средств можно использовать неуплотненные древесину или древесные частицы (опилки, щепу и прочее в виде насыпной наружной защиты или засыпного материала, помещаемого в межстеновые полости).
Возможными примерами использования защиты на основе древесины с включением боросодержащих компонентов являются: защитные средства, обеспечивающие доступ в облучаемые помещения (ремонт, периодический контроль оборудования); элементы вторичной защиты для предотвращения прострела излучения через ослабленные места первичной защиты; устройства экранирования фонового излучения; биологическая защита при работе с изотопами; защита при проведении научных экспериментов; применение ядерной спектроскопии и т. д.
Таким образом, цельная и измельченная борированная древесина может использоваться для защиты от нейтронных потоков малой и средней энергии. Защищающая способность модифицированной древесины от воздействия быстрых нейтронов аналогична способности используемых в настоящее время водородосодержащих защитных материалов (парафина, полиэтилена, Neutrostop), а от воздействия тепловых нейтронов - в 2,5-3 раза выше.
Древесная защита может служить конструкционным, тепло- и звукоизоляционным декоративно-облицовочным материалом, который при обработке антисептиками и антипиренами долговечен и малогорюч. Древесные нейтронозащитные материалы в 20-30 раз дешевле применяемых в настоящее время водородосодержащих.
Алексей БИРМАН, д-р техн. наук,
проф. Санкт-Петербургского
государственного лесотехнического университета
