Всесторонне развитие атомной энергетики, в том числе аварии, происходящие на АЭС, требует защиты персонала, а также населения, не занятого непосредственно в атомной промышленности. С каждым годом ужесточаются нормы радиационной безопасности, выполнение которых находится под жестким контролем государства. Полеты в космосе и нахождение там продолжительное время возможно только в условиях полной защиты человека от радиации. Широкое распространение ионизирующего излучения в медицине может быть, возможно, только при полной защите медицинского персонала от вредных воздействий радиации.

Известно, что для снижения уровней радиационного воздействия до разрешенных (нормативных) значений требуются специальные радиационно-защитные материалы. В настоящее время известно несколько видов ионизирующих излучения: α-, β-, γ-излучения, нейтронное излучение, космическое и др. В каждом случае защита от излучения различна. Например, для защиты от нейтронного излучения лучше применять водородсодержащие материалы. В работах [6, 7, 30] представлены способы синтеза радиационно-защитного материала на основе дроби гидрида титана. Авторами описано, что при модифицировании гидрида титана можно повысить температуру эксплуатации материалов на его основе, что значительно может повлиять на его использование в атомной промышленности [8, 24, 27], где температурных диапазон эксплуатации может достигать 700 °С в аварийном случае.

В космосе на низких околоземных орбитах преимущественно действует вакуумный ультрафиолет, от которого сильно страдают полимерные материалы. Однако, применение фотостойких наполнителей может увеличить стойкость полимерных композитов к данному виду излучения [3, 4, 16-18, 26]. Для защиты от атомарного кислорода, который повреждает внешнюю структуру наружных материалов в космосе, особенно полимерных, применяют наполнители на основе кремнийсодержащих материалов [12, 20, 29]. Для защиты от электронного облучения лучше применять элементы с малой атомной массой, так как при облучении тяжелых металлов может образоваться вторичное гамма-излучение, которое гораздо более опасно [10, 14, 15, 19, 28].

Для защиты от γ-излучения применяют органические и неорганические радиационно-защитные материалы и смеси, состоящие из одного и более компонентов [2, 5, 9, 21, 22, 31]. Чаще всего они должны обладать высокими физико-механическими характеристиками, так как они используются в качестве несущих конструкций. Широкое применение в настоящее время получили радиационно-защитные материалы на основе тяжелого бетона. Однако, они имеют ряд недостатков: большие габаритные размеры, большая масса, высокая себестоимость (которая складывается из-за содержания дорогостоящих компонентов).

Также сильным недостатком радиационно-защитных конструкций из тяжелого бетона является его низкая теплопроводность и выделение связанной цементом воды при температуре выше 100 °C, что приводит к ухудшению первоначальных радиационно-защитных свойств бетона, или к его полному разрушению.

В связи с вышеперечисленным, в настоящее время активно разрабатываются современные композиционные материалы на основе металлической матрицы и прочных металлических или органических наполнителей. Данные материалы получили название металлокомпозиционные. Они состоят из металлической матрицы (дюральалюминиевая, хромовая, медная и др.) и армирующих компонентов естественного и искусственного происхождения (граниты, базальты, известняки, доломиты, кварциты, мрамор, металлургические и топливные шлаки, золы, керамзит, железооксидные системы и др.) [1, 11, 13, 23, 25, 32].

В данной работе представлено исследование по возможности использования оксида железа (Fe2O3) для синтеза радиационно-защитных материалов.

Цель исследования

Изучить влияние оксида тяжелого металла (оксида железа III) на повышение радиационно-защитных свойств металлокомпозиционного материала с целью создания новых композитов для атомной промышленности.

Материалы и методы исследования

В качестве материалов при разработке нового вида радиационно-защитного металлокомпозита использовали в качестве матрицы – дюралюминия (дюраль) марки Д16Т, а в качестве наполнителя – оксид железа III (Fe2O3). Все составляющие компоненты разрабатываемого материала не проявляют токсичных свойств, поэтому и композит на их основе будет экологически чист. Минералогический состав наполнителя представлен в табл. 1.

Таблица 1

Минералогический состав оксида железа ( % масс.)

Анализ табл. 1 показывает, что наполнитель оксид железа III (Fe2O3) представлен в основном гематитовой фазой (93,5 %).

Анализ радиационно-защитных свойств образцов разработанного композита по отношению к гамма – излучению выполнен на гамма – установке УПГД-2. Источник гамма-излучения по 137Cs с МЭД 2520 мкР/ч на расстоянии 1 м (погрешность 6 % при доверительной вероятности 0,95). Источник гамма-излучения по 60Co с МЭД 1620 мкР/ч на расстоянии 1 м (погрешность 6 % при доверительной вероятности 0,95).

Результаты исследования и их обсуждение

Авторами были разработана технология синтеза композитов на основе дюралюминия и оксида железа. Были исследованы физико-механические свойства композита в зависимости от содержания наполнителя. Содержание наполнителя варьировалось от 0 до 100 %. На рисунке представлена кривая зависимости предела прочности при сжатии материала от содержания оксида железа. Пик прочности приходится на 60 % содержание наполнителя, а затем она сильно снижается. На основании рисунка можно предположить, что оптимальным является состав, содержащий в себе 60 % оксида железа. Плотность оптимального состава 4,26 г/см3.

В табл. 2 приведены коэффициенты ослабления гамма-излучения от точечных источников 137Cs (661 кэВ)и 60Со (1172 кэВ) в композите оптимального состава (60 % наполнителя), полученные экспериментальным путем.