Какой металл защищает от радиации
Обновлено: 16.05.2024
Радиационное облучение может быть достаточным, чтобы ухудшить критические свойства конструкционных материалов. Радиационная стойкость зависит от мощности источника излучения, расстояния до него, а также допустимыми уровнями воздействия, при которых эти эффекты становятся важными.
Свойства материалов, которые подвергаются воздействию излучения, должны рассматриваться в трёх категориях:
- Механической (прочность, твёрдость, относительное удлинение);
- Тепловой (теплопроводность);
- Оптической (коэффициенты излучения, поглощения и отражения).
Радиационная стойкость материалов принято рассматривать отдельно для наземных и искусственных космических объектов.
Понятие радиационной стойкости материалов
Материалы, защищающие от излучения, используются для различных радиологических применений – в медицине, технике неразрушающего контроля, при производстве космических летательных аппаратов и пр. Однако использование радиации сопряжено с риском. Те, кто использует радиацию, должны быть надлежащим образом обучены радиационной безопасности, радиационной физике, биологическим эффектам радиации, чтобы гарантировать безопасность.
Таким образом, выбор радиационно стойких материалов важен для того, чтобы снизить влияние внешнего радиационного облучения на человека, а также на экологию окружающей среды.
Одним из основных принципов снижения влияния радиоактивного излучения является экранирование - использование поглощающего материала (оргстекла, для бета-частиц и свинца для рентгеновских и гамма-лучей). Экранирование используется в различных областях, включая диагностическую визуализацию, лучевую терапию, ядерную и промышленную защиту. Способность к экранированию считается одной из основных составляющих, которой определяется радиационная безопасность материалов.
Различают экранирование объектов и экранирование производственного персонала. В первом случае используют механически прочные защитные экраны, конфигурация которых соответствует форме защищаемого объекта, во втором – защитную одежду, которая ослабляет рентгеновское излучение: фартуки, жилеты, обувь. Интенсивность экранирования зависит от индивидуальной стойкости веществ к радиоактивному излучению.
Стойкость неорганических материалов
Исторически материалы для защиты от излучения изготавливались из свинца. Однако в последнее время, кроме свинца, используются также композиты на его основе и бессвинцовистая неорганика.
Противорадиационная стойкость свинца связывается с его высокой плотностью, которая составляет 11,34 г/см³. Это делает данный металл полезным для эффективной защиты от рентгеновского и гамма излучения.
Свинец в чистом виде хрупок, поэтому непосредственно для экранирования его не применяют. Чтобы превратить чистый свинец в радиационно-защитный материал, его смешивают со связующими веществами и добавками, получая гибкий свинцово- виниловый лист. Затем из этих листов набирается необходимая толщина защитного покрытия. Существует три стандартных уровня защиты, эквивалентных свинцу, для традиционной одежды с радиационной защитой из свинца: 0,25 мм, 0,35 мм и 0,5 мм.
Свинцовая композитная защита представляет собой смесь свинца с другими, более лёгкими металлами. Состав композита варьируется в зависимости от назначения, но обычно туда входят олово, резина, ПВХ, и другие металлы, ослабляющие радиацию. Экранирование из композиционной смеси на основе свинца легче (до 25%), чем свинец обычного сорта, при этом фактическая эффективность защиты остаётся на прежнем уровне.
Из других металлов, обладающих высокой радиационной стойкостью, следует отметить некоторые тяжёлые металлы, которые относятся к той же группе, что и свинец, и, следовательно, так же хорошо поглощают или блокируют излучение. В ряду высокой радиационной стойкости находятся олово, сурьма, вольфрам, висмут.
Стойкость полимеров
Радиационная стойкость полимеров и пластика сильно зависит от длины волны базового излучения, но с уменьшением длины волны (что характерно именно для рентгеновского и гамма-излучения) противорадиационная способность всех неметаллов снижается. Поэтому излучение высокой энергии часто приводит к снижению характеристик удлинения и развитию хрупкости в полимере.
Общий срок службы пластика зависит от общего количества поглощённого излучения. Такие материалы, как полиэстер или полиамид, обладают удовлетворительной устойчивостью к гамма-излучению и рентгеновским лучам. Наоборот, полиэтилен (особенно высокого давления) весьма чувствителен к радиации, и поэтому в активных ионизирующих средах не применяется.
Информацию, касающуюся радиационного сопротивления пластмасс, следует рассматривать только как ориентир, поскольку различный химический состав пластика, мощность дозы, уровень механического напряжения, температура окружающей среды играет основную роль в противорадиационной стойкости. Обычно рекомендуется проводить экспериментальное тестирование применительно к конкретным условиям.
Стойкость органических веществ
Радиационная стойкость материалов органического происхождения – сельскохозяйственных культур, кустарников, деревьев – важна для оценки их экологической безопасности при потреблении (овощи, фрукты) и проведении сезонных лесохозяйственных работ, например, при высадке саженцев.
Высокие дозы облучения, используемые при попытках произвести стерильные или пригодные для длительного хранения фрукты или овощи, ухудшают вкус продуктов. При этом их безопасность (при сравнительно низких дозах облучения, ниже 3 кГр) для потребления полностью обеспечивается. С другой стороны, облучение эффективно убивает бактериальные патогены в свежих, а также свежесрезанных овощах и фруктах. Эта эффективность распространяется на некоторые бактериальные патогены человека, а также на бактериальные фитопатогены, что приводит к увеличению сроков сохранения органики. Более устойчивыми к облучению являются патогенные вирусы и грибы.
Таким образом, радиационное облучение считается одним из наилучших способов безопасности потребления фруктов и овощей.
Что задерживает радиацию?
Допустим, существует угроза повышенной радиации. Чем можно защитить свое тело, воду и продукты, исходя из отсутствия спецсредств. Какие материалы не пропускают радиацию?
Радиация - это излучение. Состав излучения изотопов радиоактивных материалов разделяется на Альфа частицы, которые задерживаются поверхностью кожи, Бета частицы проникают глубже, но фольга толщиной 0,1 мм для них является непреодолимым барьером, нейтронное излучение легко прошибает бетон толщиной 15 см, но полиэтиленовая пленка 1 мм для них труднопроходимая преграда. Свинец используют для защиты от рентгеновского излучения и гамма квантов. Бетон в 10см ослабит поток гамма квантов в 2 раза. Свинцовый экран для рентгеновских лучей будет непреодолим при толщине около 0,5см. Так что если изладить бетонный бункер с метровой толщиной стен и облицевать его свинцом и полиэтиленом, то от радиации вы защититесь на 100%.
Спасибо за подробный ответ. А при опасном повышенном фоне солнечной радиации помогут ли эти средства или здесь понадобится что-то другое? — 11 лет назад
Солнечная радиация (излучение) это жесткий ультрафиолет (ЖУ), мягкий ультрафиолет (МУ), видимый спектр (ВС) и инфракрасное излучение (тепло). ЖУ задерживает озоновый слой. МУ - нужен и растениям и нам, фотосинтез и выработка витамина Д. ВС - мы в нем видим. Тепло - тоже хорошо. Есть ещё в солнечном ветре поток частиц, но с ними справляется магнитосфера Земли, раскидывая потоки по полюсам. — 11 лет назад
А что свинец вреден человеку сам по себе, помимо радиации, - это ничего? Или бетон и полиэтилен под свинцом сведут этот вред к нулю? — 4 года назад
С английского «radiation» переводится как излучение. В принципе, любое тело, температура, которого выше «абсолютного нуля» излучает какую-то энергию (как правило, это комплекс энергий). Радиаций (излучений) достаточно много, например: солнечная, тепловая, световая, звуковая, и др. Какие-то виды излучений полезны, а какие-то вредны и опасны. Самое опасное излучение ионизирующее, потому что у человека (да и многих животных) отсутствуют органы чувств, способные его воспринимать. Ионизирующее излучение такое, которое при взаимодействии с веществом вызывает ионизацию или возбуждение его атомов и молекул, т.е. создаёт пару ионов с противоположными зарядами.
В результате воздействия излучений (радиации), облучаемое тело или предмет получает определённое количество энергии.
Радиацию задерживает любой предмет (вещество) помещённый между источником излучения и облучаемым предметом. Другое дело насколько он задерживает или ослабляет то или иное излучение. Например: свинцовая пластина серьёзно ослабит рентген-излучение, но совершенно бесполезна в качестве защиты от теплового излучения.
Источниками ионизирующих излучений на земле являются Солнце и радиоактивные (способные к распаду) вещества находящиеся в земле. Сумма этих излучений и образует так называемый «естественный фон». Защищаться от него бесполезно, да и глупо. Большая вероятность того, что всё живое на Земле произошло в результате воздействия ионизирующего излучения.
Для оценки «вредности» воздействия радиации существует понятие приемлего риска. Но это уже предмет другого вопроса.
Радиационностойкие материалы и их особенности
Какой металл защищает от радиации
Проведен анализ ионизирующего излучения, оказывающего отрицательное воздействие на человека. Проанализированы способы и методы защиты человека от радиации. Представлены материалы, применяемые для радиационно-защитного материаловедения. Особое внимание уделено разработке современных композиционных материалов на основе металлической матрицы и прочных металлических или органических наполнителей. В данной работе представлено исследование по возможности использования оксида железа (Fe2O3) для синтеза радиационно-защитных материалов. 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). Были исследованы физико-механические свойства композита в зависимости от содержания наполнителя. Содержание наполнителя варьировалось от 0 до 100 %. Установлен оптимальный состав композита. Анализ радиационно-защитных свойств образцов разработанного композита по отношению к гамма – излучению выполнен на гамма – установке УПГД-2. Источником гамма-излучения являлся 137Cs и 60Co.
1. Матюхин П.В. Жаропрочный радиационно-защитный композиционный материал конструкционного назначения / П.В. Матюхин, В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина, В.А. Дороганов, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 10. – С. 32–36.
2. Матюхин П.В. Термостойкие радиационно-защитные композиционные материалы, эксплуатируемые при высоких температурах / П.В. Матюхин, В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, В.А. Дороганов, Н.И. Черкашина, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 7-8. – С. 23–25.
3. Павленко В.И. Влияние вакуумного ультрафиолета на микро- и наноструктуру поверхности модифицированных полистирольных композитов / В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Перспективные материалы. – 2013. – № 3. – С. 14–19.
4. Павленко В.И. Влияние вакуумного ультрафиолета на поверхностные свойства высоконаполненных композитов / В.И. Павленко, В.Т. Заболотный, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Физика и химия обработки материалов. – 2013. – № 2. – С. 19–24.
5. Павленко В.И. Влияние содержания кремнийорганического наполнителя на физико-механические и поверхностные свойства полимерных композитов / В.И. Павленко, Н.И. Черкашина, В.В. Сухорослова, Ю.М. Бондаренко // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – С. 95.
6. Павленко В.И. Дефектность кристаллов модифицированного гидрида титана, подвергнутого термической обработке /В.И. Павленко, О.В. Куприева, Н.И. Черкашина, Р.Н. Ястребинский // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2015. – Т. 58. № 5. – С. 125–129.
7. Павленко В.И. Изучение коэффициентов ослабления фотонного и нейтронного пучков при прохождении через гидрид титана / В.И. Павленко, О.Д. Едаменко, Н.И. Черкашина, О.В. Куприева, А.В. Носков // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2015. – № 6. – С. 21.
8. Павленко В.И. Модифицирование поверхности гидрида титана боросиликатом натрия / В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, О.В. Куприева, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2014. – № 6. – С. 19–24.
9. Павленко В.И. Радиационно-защитный композиционный материал на основе полистирольной матрицы / В.И. Павленко, О.Д. Едаменко, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 3. – С. 113–116.
10. Павленко В.И. Расчет ионизационных и радиационных энергетических потерь быстрых электронов в полистирольном композите / В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2015. – № 8. – С. 5–11.
11. Павленко В.И. Повышение эффективности антикоррозионной обработки ядерного энергетического оборудования путем пассивации в алюминийсодержащих растворах / В.И. Павленко, В.В. Прозоров, Л.Л. Лебедев, Ю.И. Слепоконь, Н.И. Черкашина // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2013. – Т. 56. № 4. – С. 67–70.
12. Павленко В.И. Экспериментальное и физико-математическое моделирование воздействия набегающего потока атомарного кислорода на высоконаполненные полимерные композиты / В.И. Павленко, Л.С. Новиков, Г.Г. Бондаренко, В.Н. Черник, А.И. Гайдар, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Перспективные материалы. – 2012. – № 4. – С. 92–98.
13. Павленко В.И. Эффективный способ получения термостойкого кристаллического нанопорошка вольфрамата свинца для жаростойких радиационно-защитных материалов / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, В.А. Дороганов, И.В. Соколенко, Н.И. Черкашина, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 7-8. – С. 32–36.
14. Павленко В.И. Явления электризации диэлектрического полимерного композита под действием потока высокоэнергетических протонов / В.И. Павленко, А.И. Акишин, О.Д. Едаменко, Р.Н. Ястребинский, Д.Г. Тарасов, Н.И. Черкашина // Известия Самарского научного центра РАН. – 2010. – Т. 12. № 4-3. – С. 677–681.
15. Павленко В.И. Суммарные потери энергии релятивистского электрона при прохождении через полимерный композиционный материал / Павленко В.И., Едаменко О.Д., Черкашина Н.И., Носков А.В. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2014. – № 4. – С. 101–106.
16. Черкашина Н.И. Воздействие вакуумного ультрафиолета и кислородной плазмы на структуру и устойчивость полистирольного композита с органосилоксановым наполнителем: диссертация . кандидата технических наук. – Белгород, 2013.
17. Черкашина Н.И. Исследование влияния вакуумного ультрафиолета на морфологию поверхности нанонаполненных полимерных композиционных материалов в условиях, приближённых к условиям околоземного космического пространства / Черкашина Н.И., Павленко В.И., Едаменко А.С., Матюхин П.В. // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – С. 130.
18. Черкашина Н.И. Воздействие вакуумного ультрафиолета на полимерные нанокомпозиты // Инновационные материалы и технологии (ХХ научные чтения): Материалы Межд. научно-практич. конференции. – 2010. – С. 246–249.
19. Черкашина Н.И. Моделирование воздействия космического излучения на полимерные композиты с применением программного комплекса GEANT4 // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3. – С. 122.
20. Черкашина Н.И. Перспективы создания радиационно-защитных полимерных композитов для космической техники в Белгородской области / Н.И. Черкашина Н.И., В.И. Павленко / Белгородская область: прошлое, настоящее, будущее. Материалы областной научно-практической конференции в 3-х частях. – 2011. – С. 192–196.
21. Черкашина Н.И. Разработка наноструктурированных вяжущих на основе местного сырья Белгородской области для штукатурных растворов // В сборнике: Материалы I Международной научно-практической конференции «Проблемы строительного производства и управления недвижимостью». – Кемерово, 2010. – С. 67–70.
22. Черкашина Н.И. Синтез высокодисперсного гидрофобного наполнителя для полимерных матриц / Н.И. Черкашина, А.А. Карнаухов, А.В. Бурков, В.В. Сухорослова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 6. – С. 156–159.
23. Ястребинский Р.Н. Модифицированные железооксидные системы – эффективные сорбенты радионуклидов / Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, А.В. Ястребинская, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2013. – № 5. – С. 39–43.
24. Ястребинский Р.Н. Структурно-фазовая характеристика боросиликатного покрытия // Р.Н. Ястребинский, О.В. Куприева, Н.И. Черкашина // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2014. – Т. 57. № 9. – С. 20–23.
25. Matyukhin P.V. The high-energy radiation effect on the modified iron-containing composite material / P.V. Matyukhin, V.I Pavlenko, R.N. Yastrebinsky, N.I. Cherkashina // Middle East Journal of Scientific Research. – 2013. – Т. 17. № 9. – С. 1343–1349.
26. Pavlenko V.I. Effect of vacuum ultraviolet on the surface properties of high-filled polymer composites / V.I. Pavlenko, N.I. Cherkashina, O.D. Edamenko, V.T. Zabolotny // Inorganic Materials: Applied Research. – 2014. – Т. 5. № 3. – С. 219–223.
27. Pavlenko V.I. Modification of titanium hydride surface with sodium borosilicate / V.I. Pavlenko, O.V. Kuprieva, R.N. Yastrebinskii,N.I. Cherkashina, G.G. Bondarenko/ Inorganic Materials: Applied Research. – 2014. – Т. 5. № 5. – С. 494–497.
28. Pavlenko V.I. Total energy losses of relativistic electrons passing through a polymer composite / V.I. Pavlenko, O.D. Edamenko, N.I. Cherkashina, A.V. Noskov // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2014. – Т. 8. № 2. – С. 398–403.
29. Pavlenko V.I. Using the high-dispersity [alpha]-Al2O3 as a filler for polymer matrices, resistant against the atomic oxygen / V.I. Pavlenko, N.I. Cherkashina, A.V. Yastrebinskaya, P.V. Matyukhin.,O.V. Kuprieva // World Applied Sciences Journal. – 2013. – Т. 25. № 12. – С. 1740–1746.
30. Pavlenko V.I. Study of the attenuation coefficients of photon and neutron beams passing through titanium hydride / V.I. Pavlenko, O.D. Edamenko, N.I. Cherkashina, O.V .Kuprieva, A.V. Noskov // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2015. – Т. 9. № 3. – С. 546–549.
31. Slyusar’ O.A. Effect of additives on dispersed system structure formation / O.A. Slyusar’, R.N. Yastrebinskii, N.I. Cherkashina, V.A. Doroganov, A.V. Yastrebinskaya // Refractories and Industrial Ceramics. – 2015.
32. Yastrebinsky R.N. Modifying the surface of iron-oxide minerals with organic and inorganic modifiers/ R.N. Yastrebinsky, V.I. Pavlenko, P.V. Matukhin, N.I. Cherkashina, O.V. Kuprieva // Middle East Journal of Scientific Research. – 2013. – Т. 18. № 10. – С. 1455–1462.
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.
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.
Читайте также: