Алексей Бирман, д.т.н., профессор СПбГЛТУ, 

Алексей Степанов, ООО «НПП «Технологии Деревообработки», 

Александр Тамби, Ассоциация «ЛЕСТЕХ», д.т.н., проф. АГАТУ

Потребление энергии в мире неуклонно растет, что требует постоянного ввода новых мощностей. Несмотря на использование новых способов получения энергии, обойтись без ядерных энергетических установок человечеству пока не удается. Кроме гражданской энергетики, они используются в военном судостроении. В обозримом будущем не следует ожидать появления новых источников энергии, сопоставимых по мощности с ядерными установками. В сложившихся условиях снижение стоимости установок и создание эффективной защиты от нейтронного и гамма-излучения является перспективной задачей, решение которой возможно с использованием древесины.

Назначением защиты от излучений ядерных энергетических установок (ЯЭУ) является ослабление нейтронного и гамма-излучения до уровня, безопасного для биологических объектов. Ни одно из природных веществ не способно одновременно эффективно ослаблять, то есть снижать энергию указанных излучений и это определяет композитный состав материала защиты. Так, относительно тяжелые элементы с атомным весом А ≥ 50 являются поглотителями гамма-излучения и замедлителями быстрых нейтронов (Е = 10…1,11 МэВ), а дальнейшее снижение энергии нейтронов до уровня тепловых (Е = 0,414…0 эВ) осуществляют легкие элементы с атомным весом максимально приближенным или равным 1 (водород).

Легкие материалы с высоким содержанием водорода (например блоки из парафина) являются лучшим препятствием при продвижении нейтронных потоков. Подтверждением этому являются данные о необходимом числе столкновений нейтрона с ядрами атомов вещества. Так для снижения энергии потока нейтронов от величины, например, 1,0 МэВ до 0,025 эВ при движении в уране для достижения такого результата требуется 2100, в углероде – 100, а в водороде – 25 столкновений [1].

В ядерной энергетике водородосодержащими материалами (как правило, с примесью бора, лития или кадмия) являются парафин, полимеры, гидриды металлов, вода, тяжелая вода и т.д. Однако перечисленные материалы обладают рядом существенных недостатков. Так, сертифицированный защитный материал Neutrostop (Институт ядерных исследований «Ржеж», Чехия), выполненный на основе борированного полиэтилена, резко снижает прочность при температуре 70–80 °С, выделяя токсичные газы [2]. Гидриды металлов при 80 °С разлагаются с выделением взрывоопасного водорода. Парафин не имеет несущей способности. Наиболее дешевый материал – вода – характеризуется текучестью и требует размещения в емкостях из нержавеющей стали.

Древесина, лишенная указанных недостатков, также является водородосодержащим материалом. Причем содержание водорода в единице ее объема сравнимо с содержанием водорода в известных защитах. И его можно увеличить за счет уплотнения древесины, см. таблицу [3].

Сравнительные характеристики ядерной плотности, ядер/см³х10²²

Отметим, что в натуральной древесине поровое пространство занимает от 55 до 72% объема. Пропитав поры полимерами (полиметилметакрилатом, полиэтиленом и т.п.), можно дополнительно повысить содержание водорода в древесине. Введение бора (в виде борной кислоты) в древесину также осуществляется пропиткой.

До настоящего времени большинство исследований, направленных на изучение результатов взаимодействия древесины с ионизирующими излучениями, имели задачу оценки изменения свойств древесины от такого взаимодействия.

Настоящая работа направлена на решение обратной задачи: не оценка изменений в древесине за счет ионизирующих излучений, а исследование изменения энергии нейтронных потоков при встрече с защитой как из натуральной (цельной или измельченной), так и модифицированной (уплотнением и/или пропиткой) древесины. С этой целью научным коллективом Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета им. С.М. Кирова были проведены экспериментальные исследования, методика которых была построена на сравнительном анализе защищающей способности деревянных образцов и образцов защитных материалов, апробированных в атомной промышленности. Критерием оценки результатов экспериментов являлась измеряемая детектором остаточная плотность потоков быстрых и тепловых нейтронов как разность плотности потока, генерируемого источником нейтронов и «потерями» нейтронов в веществе защиты.

Для проведения экспериментов было использовано оборудование циклотронной лабораторий Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН и Военно-космической Краснознамённой академии им. А.Ф. Можайского (ВКА).

При испытаниях использовался плутониево-бериллиевый 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 одинаковых размеров (кубы с гранью 100 мм) были изготовлены из следующих материалов:

а) модифицированная древесина березы с плотностью 1,15 г/см³ и влажностью 10–12 %, пропитанная насыщенным раствором борной кислоты;

б) борированный полиэтилен марки ПС-20-5Б.

Критерием оценки результатов экспериментов являлись величины поглощения быстрых и тепловых нейтронов веществом образцов [4].

При проведении экспериментов выяснилась линейная зависимость падения плотности потока нейтронов при их прохождении через все испытуемые образцы. Поэтому на графиках рис. 1 а, б приведены результаты только одного эксперимента для источника нейтронов, генерирующего начальную плотность потока нейтронов 380 нейтр./ см² с, хотя опыты были проведены и для источника нейтронов, генерирующего начальную плотность нейтронов 135, 71, 32, и 22 нейтр./ см² с.

Рис. 1. Падение плотности потока нейтронов в зависимости от длины пробега в материале защиты; а –для быстрых нейтронов; б – для тепловых нейтронов., где 1- уплотненная борированная древесина, 2 –борированный полиэтилен

Анализ результатов проведенных исследований позволяет заключить, что при экранировании быстрых нейтронов эффективность защищающей способности для древесины и полиэтилена практически одинакова, а при экранировании тепловых нейтронов – в среднем выше в 2,8 раза.

Конфигурация нейтронозащитных блоков, разработанная создателями сертифицированной защиты Neutrostop, считается наиболее рациональной и исключает прямой проход нейтронов сквозь защиту [2]. Однако, изготовление блоков достаточно сложной конфигурации из цельной древесины по технологическим и экономическим соображениям менее выгодно, чем их формование из измельченной древесины, учитывая, что массовая тормозная способность не зависит от агрегатного состояния вещества или пространственного равномерного распределения его частиц в объеме [5].

Учитывая это, на базе лаборатории Военно-космической Краснознамённой академии им. А.Ф. Можайского, были организованы эксперименты по исследованию нейтронозащитных свойств измельченной древесины.

Формование блоков осуществлялось термопьезообработкой без внесения в древесную массу дополнительных клеящих веществ. Объектом обработки являлись опилки древесины осины. Плотность матери ала после уплотнения составляла 1,2 г/см³. В качестве боросодержащих материалов использовался карбид бора, соединяемый с древесной массой в смесителе барабанного типа.

Анализ экспериментальных данных показал, что защищающая способность блоков из уплотненной древесной борированной массы при воздействии потоков быстрых и тепловых нейтронов, соответственно, лишь на 6 и 12% ниже защищающей способности защиты из полиэтилена и парафина. При этом имеются способы более 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 предъявляются требования минимизации габаритов защиты. Если же пространство для размещения защиты не ограничено, то можно использовать неуплотненную древесину или древесные частицы (опилки, щепу и т.д.) в виде насыпной наружной защиты или блоков со связующими – битумами и другими дешевыми отходами нефтепереработки. Таким образом, цельная и измельченная борированная древесина может использоваться для защиты от нейтронных потоков малых и средних энергий. При воздействии быстрых нейтронов модифицированная древесина обладает аналогичной защищающей способностью по сравнению с апробированными водородосодержащими защитами (парафин, полиэтилен, Neutrostop), а при воздействии наиболее опасных для биологических объектов тепловых нейтронов – превышает ее в 2,5…3,0 раза.

Отметим, что древесная защита может служить конструкционным, тепло- и звукоизоляционным декоративно-облицовочным материалом, который при обработке антисептиками и антипиренами долговечен и малогорюч. Стоимость защиты современных ЯЭУ может достигать 20…30% стоимости всего сооружения [6]. Нейтронозащитные древесные материалы в 20–30 раз дешевле применяемых в настоящее время водородосодержащих защитных материалов.

Библиографический список

1. Бирман А.Р., Леонова О.Н., Веселовский А.Н., Белоногова Н.А., Применение древесных материалов для защиты объектов от воздействия нейтронов. Изв. СПбГЛТА, вып. 171, СПб.: СПбГЛТА, 2004. С. 87-93.

2. Neutrostop. Export-Import KOVO. Praha, 1985. 53 с.

3. Бирман А.Р., Артемьева Н.А., Мальгин А.А., Белоногова Н.А. Древесная компонента биологической защиты ядерных энергетических установок. «Научное обозрение», №5, 2011, С. 369-376.

4. Белоногова Н.А. Повышение защитных свойств низкосортной древесины путем пропитки и уплотнения. Реф. канд.тех. наук. СПб.: ЛТА, 1999. 20 с.

5. Голубев Б.П. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. – М.: Атомиздат, 1976 г. 504 с.

6. Бирман А.Р., Белоногова Н.А. Нейтронозащитные свойства древесины. «Лесной журнал», №1, 2008. С. 100-106.