Записки строителя

Результаты исследований показали технико-экономическую целесообразность выполнения внутренних слоев защиты из жаростойких бетонов. Кроме того, важны полученные достоверные данные о том, что даже полностью обезвоженный бетон благодаря наличию большого количества легких ядер кислорода обладает удовлетворительными защитными свойствами по ослаблению потоков нейтронов.

Таким образом, можно утверждать, что оптимальное содержание в бетоне водорода (химически связанной воды) должно определяться только экономическими показателями биологической защиты в целом. Бытующие в технической литературе рекомендации по содержанию воды в бетоне необоснованны и преувеличены.

Нужен ли в бетоне бор? В ранних работах (в основном американских), посвященных материалам биологической защиты ядерных реакторов, рекомендовалось использовать материалы, имеющие в своем составе бор. Это объясняется тем, что бор почти в тысячу раз лучше поглощает нейтроны низких энергий, чем большинство других элементов. Это в свою очередь приводит к уменьшению вторичного (захватного) гамма-излучения, образующегося в материалах защиты при поглощении низкоэнергетических нейтронов. Строители же, столкнувшись с необходимостью использовать боросодержащие бетоны и растворы, увидели, что помимо низких физико-механических свойств такие материалы и стоят дороже обычных более чем в 10 раз.

В 1960—1967 гг. инженер П. А. Лавданский провел детальные физические и экономические исследования в этой области. Результаты исследований, подкрепленные экономическими расчетами, показали неэффективность использования боросодержащих строительных материалов при сооружении биологических защит стационарных ядерных реакторов. Применение боросодержащих материалов может быть оправдано только в тех случаях, когда основным требованием к защите являются ее минимальные габариты и вес (например, защита транспортных ядерных установок) или защита работает в условиях радиационного разогрева. Причем и в этих случаях концентрацию бора в материалах не следует принимать более 15 кг/м³, так как увеличение концентрации бора сверх этой величины не дает заметного эффекта в улучшении их защитных свойств.

О засыпной биологической защите. В некоторых проектах и действующих реакторах, пущенных в эксплуатацию в период становления атомной техники, конструктивно защита была выполнена в виде металлических баков, заполненных различными сыпучими материалами (в том числе металлорудными, боросодержащими и гидратными) с оптимальным гранулометрическим составом. Основным доводом в пользу сыпучих материалов считалась возможность демонтажа такой защиты в процессе эксплуатации. Этот довод не убедителен, так как засыпка активируется, и до настоящего времени я не знаю примеров демонтажа существующих засыпных защит.

Начиная с 1964 г. работники нашей кафедры В. Б. Дубровский, П. А. Лавданский и В. Н. Леденев совместно с Институтом атомной энергии им. И. В. Курчатова проводили экспериментальные и теоретические исследования эффективности засыпных материалов в конструкциях защит от излучений. Результаты показали, что при прочих равных условиях засыпные защиты (рассматривалось восемь наиболее распространенных и перспективных материалов) в два — четыре раза дороже защиты из обычного бетона. А значит, как правило, и нецелесообразны.

Неоднородность бетонной защиты от гамма-излучении. Эффективность биологической защиты из бетона зависит не только от вида составляющих бетонной смеси, но и от равномерности распределения основных компонентов: заполнителя и цементного теста. Чем выше объемный вес применяемых заполнителей, тем больше опасность расслоения бетона и получения неоднородного защитного экрана. Свежеприготовленная бетонная смесь достаточно однородна. Однако при сотрясении и вибрации в процессе транспортировки и укладки в конструкцию она обладает способностью расслаиваться. При этом в бетонном массиве могут образоваться локальные неоднородности в виде каверн или прослоек из цементного теста с объемным весом, меньшим расчетного объемного веса бетона.

Опасения проектировщиков по поводу таких неоднородностей привели к выработке целого ряда повышенных требований к укладке бетонной смеси. Были разработаны специальные технические мероприятия при производстве работ: дополнительное вытапливание в поверхностный слой бетонной смеси крупного заполнителя, организация оперативного контроля за объемным весом уложенного бетона с помощью изотопных и ультразвуковых установок. Нередко применяются и методы раздельной укладки бетона.

Неясность в вопросах прохождения излучений через менее плотные прослойки в бетонной защите долгое время сдерживала применение более индустриальных сборных экранов из блоков на растворе. Если и применялись сборные элементы, то со сложными сопряжениями или увеличенной до 20% толщиной защиты.

Аспиранты кафедры А. Ф. Миренков и В. Н. Соловьев исследовали прохождение гамма-излучения через неоднородные защиты из бетонов. В экспериментальных исследованиях использовались мощные кобальтовые источники активностью 500, 6000 и 43 500 гр. экв. радия. За экранами из бетонных блоков, уложенных на растворе, определялся прострел излучения по швам шириной от 1 до 3 см. Исследования показали, что для реальной толщины защиты из обычного бетона превышение дозы излучения по швам (или зонам расслоения бетона в монолитной защите) практически не снижает эффективности защиты. Поэтому не стоит предъявлять специальные требования к укладке обычного бетона в защитные конструкции, к изготовлению сборных элементов и их сопряжений, а тем более увеличивать толщину сборной защиты.

Биологическая защита ускорителей. С 1963 г. на кафедре были начаты исследования защитных свойств строительных материалов от проникающей радиации высокой и сверхвысокой энергий, источником которой является ускоритель элементарных частиц. Надо сказать, что в СССР к этому времени были введены в эксплуатацию два мощных ускорителя протонов в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Благодаря этому исследователи получили экспериментальную базу, необходимую для проведения опытов по радиационной защите в реальных условиях.

Исследования проводились аспирантами кафедры В. В. Мальковым и О. А. Улитиным. Первый исследовал материалы и конструкции защиты от наиболее жесткого излучения ускорителя. Такое излучение генерируется на мишенях, камере ускорителя, транспортных каналах и обычно называется прямым излучением. О. А. Улитин занимался мягким спектром излучений ускорителей, формирующимся в результате многократного рассеяния прямого излучения на поверхностях ограждающих стен и перекрытий, а также на элементах технологического оборудования и поэтому получившим название рассеянного излучения.

Базой экспериментальных исследований был выбран синхроциклотрон в Дубне. Для исследований использовались широко применяемые бетоны и засыпки из грунта (песка). Цель экспериментальных исследований заключалась в определении параметров ослабления потоков нейтронов и установлении зависимости их от состава материала.

При исследованиях в прямом излучении ускорителя было показано, что два параметра могут достаточно полно описать ослабление потоков нейтронов в защите: длина релаксации сверхбыстрых нейтронов (толщина защиты, на которой поток ослабляется в «e» раз) и фактор накопления замедленных нейтронов (величина, показывающая, во сколько раз поток медленных нейтронов отличается от потока сверхбыстрых нейтронов). Длина релаксации может быть представлена функцией лишь одного объемного веса защиты, тогда как фактор накопления нейтронов — функцией объемного веса и водосодержания. На основе этого получена зависимость толщины защиты от объемного веса и водосодержания материалов в защите.

Исследования рассеянного излучения позволили установить параметры для расчета и проектирования защитных перекрытий, а также других защитных конструкций, ослабляющих рассеянное излучение. В частности, было установлено, что защитные перекрытия целесообразно выполнять двухслойными: из несущего слоя с использованием обычного железобетона и облегченного водосодержащего защитного слоя из обычного или гипсового бетона (или засыпки из песка). Использование тяжелых материалов оправдано в случае ограниченного пространства для размещения защиты при реконструкции ускорителей.