Линейный коэффициент ослабления для бетона

Обновлено: 10.01.2025

Линейный коэффициент ослабления для бетона

Различные виды радиации по разному взаимодействуют с веществом в зависимости от типа испускаемых частиц, их заряда, массы и энергии. Заряженные частицы ионизируют атомы вещества, взаимодействуя с атомными электронами. Нейтроны и гамма-кванты, сталкиваясь с заряженными частицами в веществе, передают им свою энергию, в случае гамма-квантов возможно также рождение электрон-позитронных пар. Эти вторичные заряженные частицы, тормозясь в веществе, вызывают его ионизацию.
Воздействие излучения на вещество на промежуточном этапе приводит к образованию быстрых заряженных частиц и ионов. Радиационные повреждения вызываются в основном этими вторичными частицами, так как они взаимодействуют с большим количеством атомов, чем частицы первичного излучения. В конечном итоге энергия первичной частицы трансформируется в кинетическую энергию большого количества атомов среды и приводит к ее разогреву и ионизации.

3.1. Тяжелые заряженные частицы - протоны,
альфа-частицы, продукты деления и другие

Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют главным образом с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов. Максимальная энергия, которая может быть передана в одном акте взаимодействия тяжелой частицей, движущейся со скоростью v << с, неподвижному электрону, равна
Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных потерь dE/dx. Удельные ионизационные потери представляют собой отношение энергии заряженной частицы, теряемой на ионизацию среды при прохождении отрезка х, к длине этого отрезка. Удельные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы (рис.1) и особенно резко перед остановкой в веществе (пик Брэгга). Этот эффект используется в терапии рака, где очень важно обеспечить максимальное выделение энергии в глубоко расположенной опухоли, причиняя при этом минимальный вред окружающей здоровой ткани.

Для определенной среды и частицы с данным зарядом Z величина dE/dx является функцией только кинетической энергии: φ(E). Проинтегрировав это выражение по всем значениям Е от 0 до Е_max, можно получить полный пробег частицы, то есть полный путь (R), который заряженная частица проходит до остановки и полной потери кинетической энергии:

Удельные ионизационные потери энергии для тяжелых заряженных частиц при энергиях
Е << (М/m_e)Мс 2

3.2. Электроны, позитроны

Прохождение электронов и позитронов через вещество отличается от прохождения тяжелых заряженных частиц. Главная причина - малые массы покоя электрона и позитрона. Это приводит к относительно большому изменению импульса при каждом столкновении, что вызывает заметное изменение направления движения электрона или позитрона и как результат - электромагнитное радиационное излучение.
Ионизационные потери электронов преобладают в области относительно небольших энергий. С ростом энергии электрона Е растут радиационные потери. Отношение ( К ) удельных радиационных и ионизационных потерь энергии определяется зависимостью :

где
Е выражается в Мегаэлектронвольтах,
Z - средний заряд ядер атомов среды.
Энергия электронов Е_крит, при которой величина удельных радиационных потерь равна величине удельных ионизационных потерь - называется критической. Критические энергии для различных веществ приведены в табл.4.

При энергиях электрона выше критической радиационные потери преобладают над ионизационными. Так для электронов с энергией 100 Мэв радиационные потери в железе и свинце превышают ионизационные соответственно в 3 и 10 раз. В области энергий, в которой преобладают радиационные потери, энергия электронов экспоненциально убывает при прохождении через вещество:

где Е_о - начальная энергия электрона,
Е - энергия электрона после прохождения длины х,
L_r - радиационная длина.
Прохождение позитронов в веществе описывается теми же соотношениями. Дополнительно необходимо учесть эффекты аннигиляции налетающего позитрона с электроном вещества. Сечение аннигиляции σ поэтому позитроны аннигилируют, практически потеряв всю свою энергию.
Масса электронов значительно меньше массы тяжелых частиц, что сказывается на характере их движения в веществе. При столкновении с атомными электронами и ядрами электроны значительно отклоняются от первоначального направления движения и двигаются по извилистой траектории. Для электронов вводится эффективный пробег, определяемый минимальной толщиной вещества, измеряемой в направлении исходной скорости пучка и соответствующей полному поглощению электронов.
Эффективные пробеги в (г/см 2 ) электронов с энергией Е (МэВ) в алюминии можно определить по формулам :

R(А1) = 0.4 E 1.4 , при 0.15 < Е < 0.8,
R(A1) = 0.54 Е - 0.133 , при 0.8 < Е < 3,

Эффективный пробег электронов в веществе с зарядом Z и массовым числом А связан с эффективным пробегом в алюминии следующим образом:

Эффективные пробеги электронов в различных веществах приведены в таблице 5.

Эффективные пробеги (в см) электронов в
различных веществах в зависимости от их энергии.

Удельные потери электронов с кинетической энергией (Е) складываются из суммы ионизационных и радиационных потерь:

А. Ионизационные потери

Б. Радиационные потери

при E >> 137 m_ec 2 Z -1/3

здесь
m_e - масса электрона (m_ec 2 = 511 кэВ - энергия покоя электрона);
с - скорость света; v - скорость электрона; = v/c ;
Z - заряд ядер вещества в единицах заряда позитрона;
- средний ионизационный потенциал атомов вещества среды, через которую проходит частица.
= 13.5 эВ·Z ;
n_е - плотность электронов в веществе;
r₀ = е 2 /m_ес 2 = 2.8·10 -13 см - классический радиус электрона.

Радиационные потери можно описать с помощью следующего простого соотношения:

где L_r радиационная длина

3.3.Нейтроны

В связи с отсутствием у нейтронов электрического заряда они проходят в веществе без взаимодействий сравнительно большие расстояния, измеряемые сантиметрами. Эффективные сечения взаимодействия нейтронов с электронами атома малы σ по сравнению с сечением взаимодействия заряженной частицы с атомом σ Нейтроны сталкиваются главным образом с ядрами атомов, входящих в состав вещества. Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. Поэтому обычно нейтроны делят на отдельные энергетические группы - тепловые, медленные и быстрые нейтроны. Границы этих энергетических групп условны (табл.6).

где M , m - масса ядра и масса нейтрона, Е_n - начальная энергия нейтрона, - угол между первоначальным направлением движения нейтрона и направлением движения ядра отдачи в лабораторной системе координат.
Для медленных нейтронов наблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определенных значениях энергий нейтронов Е_n, характерных для данного вещества. Основные процессы - рассеяние и замедление нейтронов до тепловых скоростей.
Энергии тепловых нейтронов не превышают энергии связи атомов в водородосодержащих молекулах. Поэтому в случае, если не происходит ядерной реакции, тепловые нейтроны могут вызвать лишь возбуждения колебательных степеней свободы, что приводит к разогреву вещества.
Наиболее характерными реакциями при взаимодействии тепловых нейтронов с веществом являются реакции радиационного захвата (n,γ). При уменьшении энергии нейтронов сечение упругого рассеяния (n,n) остается примерно постоянным на уровне нескольких барн, а сечение (n,γ) растет по закону 1/v , где v -скорость налетающего нейтрона. Поэтому для очень медленных нейтронов возрастает не только абсолютная, но и относительная роль реакций радиационного захвата.
Наиболее существенные реакции, идущие под действием тепловых нейтронов, следующие:
n + 3 Hе → 3 H + р + 0.76 МэВ (σ = 5400 барн),
n + 14 N → 14 C + р + 0.63 МэВ (σ = 1.75 барн),
n + 6 Li → 3 H + + 4.78 МэВ (σ = 950 барн),
n + 10 B → 7 Li + + 2.79 МэВ (σ = 3840 барн).
В области тяжелых ядер начинают проявлять себя реакции деления (n,f). Однако для живой материи, состоящей преимущественно из легких элементов, эти реакции несущественны.

Ослабление узкого коллимированного пучка нейтронов тонким слоем вещества происходит по экспоненциальному закону:

где I₀ и I(х) - значения плотности потока до и после прохождения слоя вещества х, N - число ядер в единице объема вещества, σ - полное сечение взаимодействия нейтронов с веществом.
Величина Σ = Nσ имеет размерность обратной длины (см -1 ) и называется - линейный коэффициент ослабления потока нейтронов в веществе.
Величина λ = 1/Σ имеет размерность длины и называется - длина свободного пробега нейтрона в веществе.
Средняя длина пробега по отношению к поглощению λ_a - это расстояние, при прохождении которого плотность потока нейтронов из-за поглощения уменьшается в e раз.
Плотность потока нейтронов N(R) на расстоянии R от точечного источника, испускающего N₀ моноэнергетических нейтронов в единицу времени, определяется соотношением:

Для защиты от нейтронных источников высокой интенсивности наиболее употребительным материалом в промышленности является бетон.
На рис.2 приведены в полулогарифмическом масштабе кривые ослабления γ-лучей, быстрых и тепловых нейтронов в бетоне. Данные о длине свободного пробега быстрых нейтронов в различных материалах приведены в табл.7.
В лабораторных условиях для защиты от быстрых нейтронов обычно используют комбинированную защиту, состоящую из парафина (воды), кадмия (бора) и свинца. В такой защите последовательно происходит замедление быстрых нейтронов (парафин, вода), поглощение нейтронов в результате (n,γ) реакции (кадмий, бор) и ослабление интенсивности образующихся γ-квантов (свинец).

Мощность дозы, относительные единицы

3.4. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом

При прохождении через вещество фотоны (гамма-кванты) взаимодействуют с атомами, электронами и ядрами, в результате их интенсивность уменьшается. В области энергий до 10 Мэв наиболее существенными процессами являются фотоэффект, эффект Комптона и образование злектрон-позитронных пар. При энергии гамма-квантов больше 10 Мэв превышается порог фотоядерных реакций и в результате взаимодействия фотонов с ядрами становятся возможны реакции типа (γ,р), (γ,n), (γ,α). Сечения фотоядерных реакций в области энергий до 100 Мэв составляют 1% полного сечения взаимодействия гамма-квантов с атомом. Однако фотоядерные реакции необходимо учитывать в процессах преобразования фотонного излучения в веществе, так как вторичные заряженные частицы, такие как протоны и альфа-частицы, могут создавать высокую плотность ионизации.
При фотоэффекте фотон поглощается атомом и высвобождается электрон. Энергетические соотношения при этом выглядят следующим образом:

где E_γ - энергия первичного фотона, E_i энергия связи электрона в атоме, Е_е - кинетическая энергия вылетевшего электрона.
После вылета фотоэлектрона в атомной оболочке образуется вакансия. Переход менее связанных электронов на вакантные уровни сопровождается выделением энергии, которая может передаваться одному из электронов верхних оболочек атома, что приводит к его вылету из атома (эффект Оже) или трансформироваться в энергию характеристического рентгеновского излучения. Таким образом, при фотоэффекте часть энергии первичного гамма-кванта преобразуется в энергию электронов (фотоэлектроны и электроны Оже), а часть выделяется в виде характеристического излучения, Линейный коэффициент фотопоглощения можно записать в виде :

где τ_k - характеризует часть коэффициента поглощения, приводящую к преобразованию первичной энергии фотона в кинетическю кинетическую энергию электрона. τ_s - характеризует преобразование энергии первичных фотонов в энергию характеристического излучения.
Линейный коэффициент фотоэлектрического поглощения пропорционален отношению:

Величина τ резко уменьшается с ростом энергии и при E_γ > 10 Мэв фотоэлектроны практически не образуются.
Ослабление интенсивности ( I ) падающего пучка фотонов в зависимости от толщины слоя вещества описывается соотношением:

где = τ + ε + χ и
- линейный коэффициент ослабления в случае фотоэффекта,
ε - линейный коэффициент ослабления для комптон эффекта,
χ - линейный коэффициент ослабления в случае эффекта образования пар.

- эффект Комптона

- эффект образования пар

- фотоэффект

В случае эффекта Комптона, часть энергии -кванта преобразуется в кинетическую энергию электронов отдачи, а часть энергии уносит рассеянный фотон. Аналогично фотоэффекту линейный коэффициент комптоновского взаимодействия можно представить в виде :

где ε_k и ε_s имеют тот же смысл, что и _k, _s в случае фотоэффекта.
Вероятность рассеяния -квантов в случае эффекта Комптона зависит от плотности атомных электронов
n_e - Z. Линейный коэффициент комптоновского рассеяния ε - Z /E_γ . Поэтому с увеличением энергии число рассеянных -квантов уменьшается.
В случае тяжелых ядер комптон-эффект начинает преобладать над фотоэффектом в области энергий
E_γ > Mэв. Комптон-эффект слабее зависит от энергии E_γ по сравнению с фотоэффектом. Поэтому им можно пренебречь лишь в области энергий E_γ >10Мэв, где становится существенным эффект образования электрон-позитронных пар.
В случае образования электрон-позитронных пар баланс энергии имеет следующий вид :

где Е_е- и E_e+ кинетические энергии электрона и позитрона.
В случае эффекта образования электрон-позитронных пар энергия первичного фотона преобразуется в кинетическую энергию электрона и позитрона и в энергию аннгиляционного излучения.
Если через χ обозначить линейный коэффициент эффекта образования пар, то часть коэффициента χ_к, характеризующая преобразование энергии первичного фотона в кинетическую энергию электрона и позитрона, определяется соотношением :

Линейный коэффициент эффекта образования пар - Z 2 lnE_γ
В области энергий E_γ >10 Мэв основную роль в ослаблении пучка -квантов играет эффект образования пар.
Таким образом, во всех трех процессах взаимодействия первичного фотона с веществом часть энергии преобразуется в кинетические энергии электронов и позитронов, а часть - в энергию вторичного фотонного излучения.
Поэтому коэффициент линейного ослабления потока фотонов μ можно записать в виде :
μ = μ_k + μ_s
μ_k - линейный коэффициент передачи энергии излучения. Он определяет долю энергии γ-излучения, переданную электронам и позитронам в слое вещества. Значения μ и μ_k в различных средах даны в таблице 8.
μ_s - линейный коэффициент рассеяния, Он определяет долю энергии γ-излучения, преобразованную в энергию вторичного γ-излучения.

Линейные коэффициенты передачи μ_k и линейные коэффициенты ослабления μ, в различных средах, см -1
Энергия γ-квантов МэВ	Вода		Алюминий		Свинец
Энергия γ-квантов МэВ	μ_k	μ	μ_k	μ	μ_k	μ
0.1	0.0253	0.171	0.1002	0.444	24.494	60.0
0.2	0.0299	0.137	0.0742	0.323	6.645	11.8
0.5	0.0330	0.097	0.0775	0.228	1.022	1.72
1.0	0.0310	0.0706	0.0726	0.166	0.435	0.79
2.0	0.0260	0.0493	0.0613	0.117	0.218	0.51
5.0	0.0189	0.0302	0.0486	0.075	0.308	0.49
10.0	0.0154	0.0221	0.0451	0.062	0.372	0.60

Величина зависит от плотности ρ, заряда ядер вещества Z и энергии γ-квантов E_γ:

Можно ввести массовый коэффициент ослабления μ_m = μ/ρ.
Тогда соотношение I(x) = I₀ e -μx будет иметь вид:

где М_х = ρ_х .
Если точечный источник γ-излучения находится в вакууме, то плотность потока γ-излучения I будет меняться с изменением расстояния R до источника по закону:

Если точечный источник -излучения помещен в вещество, то на ослабление плотности потока моноэнергетических -квантов влияет и взаимодействие с веществом и увеличение расстояния:

I ( R ) = exp(-μR)I₀ /4πR 2

Это соотношение не учитывает вклад в интенсивность рассеянного излучения. Рассеянные -кванты после многократных столкновений с электронами могут выйти из вещества. В точку А, расположенную после защитного слоя, попадают как первичные, так и рассеянные -кванты. Тогда приведенное соотношение будет иметь вид :

I ( R ) = exp(-μR) B I₀ /R 2

Величина В называется фактором накопления. Она обычно измеряется экспериментально.

СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 (с Изменениями N 1, 2, 3)

, -

расчетные сопротивления бетона осевому растяжению для предельных состояний соответственно первой и второй групп;

расчетное сопротивление бетона смятию;

передаточная прочность бетона;

расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном;

расчетные сопротивления арматуры растяжению для предельных состояний соответственно первой и второй групп;

расчетное сопротивление поперечной арматуры растяжению;

расчетное сопротивление арматуры сжатию для предельных состояний первой группы;

начальный модуль упругости бетона при сжатии и растяжении;

приведенный модуль деформации сжатого бетона;

модуль упругости арматуры;

приведенный модуль деформации арматуры, расположенной в растянутой зоне элемента с трещинами;

предельные относительные деформации бетона соответственно при равномерном осевом сжатии и осевом растяжении;

относительные деформации арматуры при напряжении, равном ;

относительные деформации усадки бетона;

коэффициент ползучести бетона;

отношение соответствующих модулей упругости арматуры и бетона .

Характеристики положения продольной арматуры в поперечном сечении элемента

обозначение продольной арматуры:

а) при наличии сжатой и растянутой от действия внешней нагрузки зон сечения - расположенной в растянутой зоне;

б) при полностью сжатом от действия внешней нагрузки сечении - расположенной у менее сжатой грани сечения;

в) при полностью растянутом от действия внешней нагрузки сечении:

для внецентренно растянутых элементов - расположенной у более растянутой грани сечения;

для центрально-растянутых элементов - всей в поперечном сечении элемента;

обозначение продольной арматуры:

а) при наличии сжатой и растянутой от действия внешней нагрузки зон сечения - расположенной в сжатой зоне;

б) при полностью сжатом от действия внешней нагрузки сечении - расположенной у более сжатой грани сечения;

в) при полностью растянутом от действия внешней нагрузки сечении внецентренно растянутых элементов - расположенной у менее растянутой грани сечения.

Геометрические характеристики

ширина прямоугольного сечения; ширина ребра таврового и двутаврового сечений;

ширина полки таврового и двутаврового сечений соответственно в растянутой и сжатой зонах;

высота прямоугольного, таврового и двутаврового сечений;

высота полки таврового и двутаврового сечений соответственно в растянутой и сжатой зонах;

расстояние от равнодействующей усилий в арматуре соответственно и до ближайшей грани сечения;

рабочая высота сечения, равная соответственно и ;

высота сжатой зоны бетона;

относительная высота сжатой зоны бетона, равная ;

расстояние между хомутами, измеренное по длине элемента;

эксцентриситет продольной силы относительно центра тяжести приведенного сечения, определяемый с учетом указаний 7.1.7 и 8.1.7;

расстояния от точки приложения продольной силы до равнодействующей усилий в арматуре соответственно и ;

эксцентриситет усилия предварительного обжатия относительно центра тяжести приведенного сечения;

расстояние от нейтральной оси до точки приложения усилия предварительного обжатия с учетом изгибающего момента от внешней нагрузки;

расстояние от точки приложения усилия предварительного обжатия с учетом изгибающего момента от внешней нагрузки до центра тяжести растянутой или наименее сжатой арматуры;

длина зоны анкеровки;

длина зоны передачи предварительного напряжения в арматуре на бетон;

расчетная длина элемента, подвергающегося действию сжимающей продольной силы;

радиус инерции поперечного сечения элемента относительно центра тяжести сечения;

номинальный диаметр стержней соответственно продольной и поперечной арматуры;

площади сечения арматуры соответственно и ;

площадь сечения хомутов, расположенных в одной нормальной к продольной оси элемента плоскости, пересекающей наклонное сечение;

коэффициент армирования, определяемый как отношение площади сечения арматуры к площади поперечного сечения элемента без учета свесов сжатых и растянутых полок;

площадь всего бетона в поперечном сечении;

площадь сечения бетона сжатой зоны;

площадь сечения бетона растянутой зоны;

площадь приведенного сечения элемента;

площадь смятия бетона;

момент инерции сечения всего бетона относительно центра тяжести сечения элемента;

момент инерции приведенного сечения элемента относительно его центра тяжести;

момент сопротивления сечения элемента для крайнего растянутого волокна.

Характеристики предварительно напряженного элемента

усилие предварительного обжатия с учетом потерь предварительного напряжения в арматуре, соответствующих рассматриваемой стадии работы элемента;

усилие в напрягаемой арматуре с учетом соответственно первых и всех потерь предварительного напряжения;

предварительное напряжение в напрягаемой арматуре с учетом потерь предварительного напряжения в арматуре, соответствующих рассматриваемой стадии работы элемента;

потери предварительного напряжения в арматуре;

сжимающие напряжения в бетоне в стадии предварительного обжатия с учетом потерь предварительного напряжения в арматуре.

Линейный коэффициент ослабления для бетона

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

МЕТОДЫ ДЕФЕКТОСКОПИИ РАДИАЦИОННЫЕ

Non-destructive testing. Methods of defectoscopy,
radiation. Field of application

Дата введения 1983-07-01

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 5 февраля 1982 г. N 484

Постановлением Госстандарта СССР от 26.11.87 N 4289 срок действия продлен до 01.07.93*

* Ограничение срока действия снято по протоколу Межгосударственного Совета стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС N 2, 1993 год). - Примечание изготовителя базы данных.

ПЕРЕИЗДАНИЕ. Апрель 1991 г.

Настоящий стандарт устанавливает область применения радиационных (радиографического, электрорадиографического, радиоскопического и радиометрического) методов дефектоскопии продукции с использованием излучения рентгеновских аппаратов, излучения закрытых радиоактивных источников на основе Со, Cs, Iг, Se, Tm и тормозного излучения бетатронов.

Классификация методов контроля - по ГОСТ 18353-79.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Радиационные методы дефектоскопии следует применять для обнаружения в объектах контроля дефектов: нарушений сплошности и однородности материала, внутренней конфигурации и взаимного расположения объектов контроля, не доступных для технического осмотра при иx изготовлении, сборке, ремонте и эксплуатации.

1.2. Выбор метода или комплекса методов и средств контроля следует проводить в соответствии с требованиями стандартов, технических условий и рабочих чертежей, утвержденных в установленном порядке, на конкретный объект контроля, а также с учетом требований настоящего стандарта, технических характеристик средств контроля, конструктивных особенностей объектов контроля, технологии их изготовления, размеров выявляемых дефектов и производительности контроля.

1.3. Радиационные методы неразрушающего контроля следует указывать в стандартах и технических условиях на объекты контроля.

1.4. Виды дефектов, выявляемых радиационными методами при контроле объектов, указаны в табл. 1.

Чувствительность контроля сварных соединений - по ГОСТ 3242-79, ГОСТ 7512-82 и ГОСТ 23055-78; паяных соединений - по ГОСТ 24715-81.

Слитки и отливки

Трещины, раковины, поры, рыхлоты, металлические и неметаллические включения, неслитины, ликвации

Сварные соединения, выполненные сваркой плавлением

Трещины, непровары, поры, раковины, металлические и неметаллические включения, утяжины, превышения проплава, подрезы, прожоги, смещения кромок

Сварные соединения, выполненные точечной и роликовой сваркой

Трещины, поры, металлические и неметаллические включения, выплески, непровары (непровары определяют по отсутствию темного и светлого колец на изображении сварной точки при резко выраженной неоднородности литой зоны или при применении контрастирующих материалов)

Трещины, непропаи, раковины, поры, металлические и неметаллические включения

Трещины в головке заклепки или основном материале, зазоры между телом заклепки и основным материалом, изменение формы тела заклепки

Сборочные единицы и детали, железобетонные изделия и конструкции и т. п.

Трещины, раковины, коррозия, отклонения размеров, зазоры, перекосы, разрушение и отсутствие внутренних элементов изделия, отклонения толщины защитного слоя бетона, размеров и расположения арматуры и т.п.

2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

2.1. Радиографический метод

2.1.1. Напряжение на рентгеновской трубке, радиоактивный источник излучения, энергию ускоренных электронов бетатрона следует выбирать в зависимости от толщины и плотности просвечиваемого материала по табл. 2-4.

Область применения радиографического метода дефектоскопии при использовании рентгеновских аппаратов

Толщина просвечиваемого материала, мм

Напряжение на рентгеновской трубке, кВ, не более

Сплав на основе

Неметаллический материал со средним атомным номером (плотность, г/см)

Бетон в защите ядерных установок - Параметры для расчетов ослабления в бетонах потоков нейтронов

Материалы, составляющие бетоны, и сами бетоны представляют собой смесь окислов легких элементов и элементов со средним атомным весом. В зависимости от точности химического анализа в большинстве материалов можно различить от 5 до 15 элементов. Такие элементы, как водород, кислород, алюминий, кремний, кальций, железо, присутствуют почти во всех бетонах. В некоторых бетонах в очень ограниченных количествах можно обнаружить калин, натрий, магний, марганец, углерод, фосфор, серу, а также бор, барий, титан, хром. Микроскопические сечения взаимодействия нейтронов для отдельных элементов уже обсуждались раньше в третьей и четвертой главах. Здесь основное внимание будет уделено защитным параметрам материалов или бетонов, которые представляют собой сложные вещества.

Сечения взаимодействия нейтронов более чувствительны к изменениям в химическом составе бетонов, чем коэффициенты ослабления гамма-квантов. Однако бетоны из-за своего сложного химического состава допускают перераспределение элементов. При этом изменения основных защитных параметров не превышают 5—10%. Так, при замене Са на Si (в обоих случаях плотность бетона и количество водорода сохраняются), меняется только на 2%. Достаточно глубокий анализ, проведенный в работе [10] и авторами настоящей книги, позволил выявить довольно простые закономерности между составом бетонов и их защитными параметрами.
Сечения выведения быстрых нейтронов спектра деления, необходимые для ориентировочных расчетов защиты ядерных реакторов, зависят как от плотности бетонов, так и от содержания воды. В работе [16] показано, что, комбинируя материалы, можно получить бетоны постоянной плотности, но с различным содержанием воды. Сечения выведения для таких бетонов изменяются в соответствии с прямыми 1 на рис. 5.11. Прямая 1 представляет собой геометрическое место точек, каждая из которых характеризует технологический состав бетона сразу после его приготовления, т. е. расчетное весовое количество цемента, воды, мелкого и крупного заполнителя на 1 м3 бетона.
Известно, что количество воды в бетоне уменьшается со временем и с повышением температуры. Следовательно, сечения выведения быстрых нейтронов зависят и от этих условий. Для того чтобы определить сечение выведения нейтронов для эксплуатационного периода, необходимо знать количественную потерю воды в различных бетонах (см. приложение IV).
Прямые 3 характеризуют изменение сечений выведения нейтронов в зависимости от потери воды. Чтобы понять номограмму на рис. 5.11, необходимо помнить, что бетон представляет собой пористый материал, допускающий получение различного количества связанной воды при постоянной плотности. Постоянная плотность бетона получается при замещении легких элементов тяжелыми, а количество связанной воды при этом может расти. Именно поэтому сечение выведения увеличивается в соответствии с прямыми 1. Когда же бетон теряет воду, то количество остальных элементов остается неизменным, бетон уменьшается в весе, поэтому уменьшение сечения выведения следует не в соответствии с прямыми 1, а по прямым 3.

Для примера определим сечения выведения гидратного бетона при температуре 200° С. Состав бетона 1Б-1 приведен в приложении II.

Рис. 5.11. Номограмма для расчета сечения выведения быстрых нейтронов спектра деления в бетонах: 1 — изменение сечения выведения в бетонах постоянной плотности; 2 — то же, связанного о лотерей воды и уменьшением веса бетона; 3 — баритовый бетон (q = 3600 кг/м2); 4 — хромитовый бетон (Q = 3460 кг/м3).

Плотность бетона 2400 кг/м3, начальное количество воды 250 кг/м3. На прямой 1 (см. рис. 5.11), соответствующей плотности 2400 кг/м3 и количеству воды 250 кг/м3, отмечаем начальную точку, характеризующую сечение выведения расчетного состава бетона. Сечение выведения равно 0,09 м

Радиационно-защитные бетоны на минеральных и органических вяжущих

Как известно, эффективность радиационно-защитных свойств бетонов определяется физическими свойствами и химическим составом компонентов: вяжущим, дисперсными фазами, добавками.
Существуют различные мнения относительно вклада компонентов в эксплуатационные, в том числе радиационно-защитные, свойства бетонов. Так, А.П. Веселкин, Е.В. Воскресенский, В.А. Егоров и другие исследователи считают, что защитные свойства определяются заполнителями. Другие ученые, например В.П. Машкович, А.В. Кудрявцева, Б.Н. Виноградов и другие, опровергают это утверждение и подчеркивают, что вид вяжущего вещества оказывает существенное влияние на защитные характеристики бетонов. Поэтому при проектировании новых защитных композитов необходимо учитывать химические и физические характеристики всех компонентов.

Вяжущие вещества

Традиционно для изготовления радиационно-защитных бетонов и растворов используются вяжущие как на минеральной, так и на органической основе. Из органических вяжущих широкое применение получили эпоксидные, фурановые, фенольные, полиэфирные, резорцино-формальдегидные смолы, полибутадиеновые олигомеры, а из минеральных вяжущих — портландцемент, глиноземистый и серный цементы, некоторые виды специальных цементов (борсодержащий, магнезиальный, баритовый, цемент Сореля, расширяющийся сульфатно-шлаковый цемент и сложные цементы, изготовленные с использованием свинца, например свинцово-бариевый и железо-свинцово-бариевый цементы), а также растворы гидросиликатов натрия (торговое название «жидкое стекло»), металлы.
Среди минеральных вяжущих для защиты от ионизирующих излучений широкое применение получил портландцемент. Это объясняется его способностью при твердении образовывать прочный цементный камень, содержащий до 20 % химически связанной воды. Важным показателем является радиационная стойкость бетона на основе портландцемента при воздействии гамма-излучения. Современные требования к материалам из этого вида вяжущего определяют получение высокопрочных и плотных композитов. Эти требования актуальны при изготовлении радиационно-защитных композитов. Достигнуть указанного эффекта возможно уменьшая водоцементное отношение В/Ц, а также посредством использования других физических, химических, физико-химических и комбинированных способов (рис. 1). Такие способы позволяют получать цементное тесто нормальной густоты при В/Ц = 0,06 с прочностью цементного камня — 330 МПа, а при горячем прессовании — 650 МПа. Использование высокодисперсных цементов значительно увеличивает прочность цементного камня в начальный период за счет увеличения количества продуктов гидратации, однако ускоряет и деструктивные процессы, что сопровождается снижением прочности в период эксплуатации. В настоящее время разработаны составы цементного камня на основе портландцемента, характеризующиеся высокой прочностью при В/Ц = 0,171. 0,260. Прессование давлением 20. 25 МПа позволяет уменьшить содержание вяжущего на 15. 20 %, повысить прочность, морозостойкость получаемого цементного композита (более 400 циклов), снизить его водопоглощение (до 2,5 %) и усадочные деформации.

Для увеличения эффективности ослабления и поглощения нейтронов целесообразно применение глиноземистого или высокоглиноземистого цемента. При его твердении образуется кристаллогидрат двухкальциевого алюмината, содержащий восемь молекул воды. Общее содержание химически связанной воды в глиноземистом цементе составляет 25. 35 %. В научной школе А.П. Прошина на основе высокоглиноземистого цемента разработаны радиационно-защитные строительные растворы со средней плотностью 4045. 4126 кг/м3, общей пористостью — 3,85. 8,56 %, открытой пористостью — 1,31. 2,32 %, прочностью при сжатии — 53,6. 72,0 МПа.
Однако существенными факторами, мотивирующими исследователей продолжать поиск новых видов вяжущих веществ для радиационно-защитных материалов, являются: для портландцемента — достаточно низкая температура эксплуатации конструкций защиты (не более 300 °С); для высоко глиноземистого цемента — структурные преобразования, вызванные перекристаллизацией продуктов гидратации, что приводит к появлению значительных внутренних напряжений и, как следствие, снижению показателей эксплуатационных свойств.
Как известно, материалы для защиты от радиации должны содержать легкие, средние и тяжелые химические элементы. К таким вяжущим относится глетглицериновый цемент, который получают совмещением оксида свинца с глицерином. Оксид свинца, вследствие высокого его содержания в цементе, выполняет функции химически активного компонента (образуется глицерат свинца) и наполнителя. Образующийся камень имеет высокую среднюю плотность — 4560 кг/м3, прочность при сжатии — 23 МПа, водопоглощение (через 24 ч) — 0,96 %. Быстрый набор прочности получаемого композита позволяет использовать его для срочных работ при бетонировании, а также в качестве замазки или шпатлевки для защиты от радиации.

В работах обосновано применение серы в качестве вяжущего вещества, обладающего высокими защитными свойствами от ионизирующего излучения. Целесообразность применения серы обусловлена ее доступностью, гидрофобностью, высокой радиационной и химической стойкостью, высокой технологичностью бетонных и растворных смесей, безотходностью производства. Эксплуатационными свойствами серного вяжущего управляют добавлением химических и минеральных добавок, изменением технологических режимов изготовления. Некоторые свойства серных вяжущих приведены в табл. 1. Однако их существенными недостатками являются горючесть, низкая термостойкость, высокие усадочные деформации и низкая стойкость серы к щелочам.
Эффективны также жидкостекольные композиты. Их получают на основе растворимого стекла — водного раствора гидросиликатов натрия или калия. В качестве отвердителей часто применяют порошкообразные вещества: кремнефтористые натрий и калий, феррохромовый шлак, нефелиновый шлам, гипс, портландцемент, ферросилиций, алюминат кальция, сульфат магния, доменные шлаки, буру, фосфаты натрия, кальция и др. Материалы на основе жидкого стекла отличаются достаточно высокими прочностными характеристиками — жаро-, огне- и кислотостойкостью, но низкими водостойкостью, щелочестойкостью, высокими усадочными деформациями. По данным В.Б. Дубровского, жидкостекольные композиты, отвержденные кремнефтористым натрием и наполненные хромитовой рудой, облученные в активной зоне реактора БР-5 потоками нейтронов до (13. 20)*10в24 нейтрон/м2 при температуре 550 °С, внешне не изменились; прочность при сжатии материала снизилась на 37 %, модуль деформации — на 22 %. Это позволяет считать жидкое стекло вполне удовлетворительным радиационно-стойким вяжущим. Основные свойства жидкостекольных материалов представлены в табл. 2.

Для защиты от ионизирующего излучения эффективно применение металлобетонов. Преимущества их применения обеспечиваются благодаря высокой прочности, пластичности, вязкости, высокому качеству образуемых поверхностей, хорошим технологическим и литейным свойствам металлов. В настоящее время разработаны металлобетоны с широким диапазоном свойств на основе железа, кобальта, палладия, свинца, алюминия и других металлов. Основные свойства металлобетонов на основе алюминия (заполнитель — гематит) и свинца (заполнитель — ферроборовый шлак) представлены в табл. 3.

Полимербетоны на эпоксидной смоле обладают высокой прочностью, низкой проницаемостью, хорошей химической стойкостью, водостойкостью, стойкостью к истиранию, высокой клеящей способностью. Эпоксидные полимеры обладают высокой радиационной стойкостью, причем исходные материалы и технология изготовления оказывают значительное влияние на стабильность свойств при облучении: чем выше термостойкость полимера, тем он более устойчив к облучению. При использовании эпоксидных смол необходимо учитывать увеличение скорости реакции при повышении температуры окружающей среды и за счет тепловыделения при отверждении, а также низкую деформативность. Основным ограничением в использовании эпоксидных вяжущих является их высокая стоимость.
Резорцино-формальдегидные смолы предложено использовать для изготовления мастик, которые могут использоваться для проведения ремонтно-восстановительных и отделочных работ зданий и сооружений, эксплуатируемых в условиях повышенной радиации, а также применяться для приклеивания штучных облицовочных материалов, заделки стыков и трещин в строительных конструкциях, выравнивания поверхностей стен и полов. Такие смолы имеют невысокую стоимость, а материалы на их основе обладают высокими защитными свойствами и показателями качества: средняя плотность — 1600. 3250 кг/м3; предел прочности при сжатии — 86,2. 102,4 МПа; водопоглощение — 2,5. 4,8 %; коэффициент водостойкости — 0,67. 0,76; общая пористость — 1,5. 7,5 %; коэффициент ослабления гамма-излучения при энергии 0,2 МэВ — 2,194. 2,201 см-1.
Обоснование использования полибутадиеновых олигомеров в качестве вяжущего для радиационно-защитных композитов представлено в работах. На основе таких каучуков получают новый вид бетона — каучуковый бетон или каутон. Каутоны характеризуются высокой радиационной стойкостью (при дозе гамма-излучения 5 МГр коэффициент радиационной стойкости равен 0,99) при коэффициенте ослабления гамма-излучения — 0,29 см-1 (энергия фотонов 0,662 МэВ). Применение каутонов эффективно при совместном влиянии на материал ионизирующего излучения и агрессивных химических сред. Так, материал после облучения имеет коэффициенты химической стойкости в органических и минеральных кислотах, солях, щелочах, ацетоне и дизельном топливе по сравнению с каутоном, не подвергнутым облучению, меньше только на 5,9 %. Однако каутоны обладают невысокой стойкостью в концентрированной соляной кислоте (kx.c = 0,69).
Битум, благодаря высокому содержанию водорода, является эффективным вяжущим для защиты от нейтронного излучения. Его модифицирование гидрофобными добавками (серой, ГЖ 136-41) позволяет получать радиационно-защитное вяжущее, водопоглощение которого составляет 0,5 %. Высокие технологические характеристики битумных вяжущих позволяют изготавливать на их основе плотные, высокопрочные, высоконаполненные радиационно-защитные материалы. Недостатками битумов являются их низкая термостойкость, горючесть.
Полистирол используется для изготовления радиационно-защитных материалов благодаря аморфному строению, что обеспечивает его высокую радиационную стойкость. После облучения полистирола марок «Стирон-411» и «Амфенол» дозой 3*10в7 Гр его прочность при разрыве, сдвиге, ударе, а также модуль упругости и удлинение не изменились. Модифицирование полистирола дибутилфталатом, касторовым и растительным маслами, оксидом хрома позволяет улучшить технологические, эксплуатационные и защитные характеристики материала.
Для изготовления радиационно-защитных материалов могут применяться и другие вяжущие вещества. Перспективны модифицированные полиэтилен, полиэфирная смола, различные стекла и т.д.

Дисперсные фазы

Модифицирующие добавки

Для улучшения эксплуатационных свойств бетонов и растворов рекомендуется вводить в их состав добавки-модификаторы, повышающие качество бетонной смеси и бетона, в том числе радиационно-защитного. Известно, что эффективны соли стеариновой и других жирных кислот в количестве 2,5. 3,5 % (в частности, соли свинца, висмута, вольфрама, циркония, железа, олова, кадмия, лития, бария).
Значительно повышает показатели защитных свойств от гамма-излучения содержание в модификаторе атомов или ионов тяжелых металлов. Эффективную защиту от нейтронов обеспечивает содержание в бетоне легких элементов, что достигается введением соединений бора, например, колеманита, датолита, борокальцита.
В научной школе А.П. Прошина исследовано влияние различных органических, неорганических и многокомпонентных добавок на свойства серных композитов. На основании проведенных исследований авторы работ доказывают эффективность их применения для управления свойствами серных композитов для защиты от радиации предельных и непредельных органических соединений (парафина, стеариновой кислоты или линолевой кислоты и др.). Добавки классифицированы на пластификаторы, стабилизаторы, добавки, увеличивающие прочность, огнестойкость, биостойкость, морозостойкость, щелочестойкость и др.
В работе авторы показывают целесообразность применения кремнийорганических жидкостей для регулирования свойств (подвижности, плотности, прочности и др.) полимерных радиационнозащитных материалов.
По данным А.П. Прошина, Е.В. Королева, Н.А. Очкиной, С.М. Саденко, добавки — пластификатор ЛCT, суперпластификатор С-3, карбамидная смола, сульфосалициловая и лимонная кислоты — увеличивают теплоту гидратации, уменьшают усадочные деформации, внутренние напряжения, пористость; увеличивают прочность радиационно-защитных строительных растворов на основе высокоглиноземистого цемента.
Исследования показали, что классические пластификаторы под действием радиации практически не изменяют своих свойств.

Радиационно-защитные бетоны

Читайте также: