композиция для получения радиационно-защитного материала (варианты)

Формула изобретения

1. Композиция для получения радиационно-защитного материала, содержащая связующее и в качестве наполнителя оксиды свинца, кремния и бария, отличающаяся тем, что она содержит полученный спеканием из оксидов свинца, кремния и бария наполнитель и в качестве связующего огнеупорную глину при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид свинца 15-40; оксид бария 35-65; оксид кремния 5-15; огнеупорная глина 5-20.

2. Композиция для получения радиационно-защитного материала, содержащая связующее и в качестве наполнителя оксиды свинца, кремния и бария, отличающаяся тем, что она содержит полученный спеканием из оксидов свинца, кремния, бария и олова наполнитель и в качестве связующего огнеупорную глину при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид свинца 15-40; оксид бария 25-55; оксид кремния 5-15; оксид олова 10; огнеупорная глина 5-20.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к материалам для защиты от ионизирующих излучений и предназначено для создания защитных конструкций и изготовления средств биологической защиты для персонала в технической, медицинской и научно-исследовательских областях применения ядерных технологий.

Известна композиция для получения радиационно-защитного материала, содержащая полимерное вяжущее и наполнитель [а.с. СССР №1519440, кл. G 21 F 1/02, 1989 г.].

Недостатком такой композиции является невысокая эффективность ослабления рентгеновского излучения получаемым из нее материалом.

Известна строительная смесь, включающая стекловяжущее - молотое стекло, стеклозаполнитель - дробленное стекло и жидкое стекло и добавку гипса при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ 58,1-70,5; В ₂O₃ 0,1-3,7; CaO - 0,2-6,0; BaO - 0,2-12,0; PbO 0,2-13,0; Al₂О₃ 2-6; Na₂ O 3-7; K₂O 8-10, жидкое стекло плотностью 1,21-1,25 г/см и добавку гипса при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: молотое стекло 100, дробленное стекло 50-300, жидкое стекло 30-60 и гипс 1-26 [RU, патент № 2187483, кл. С 04 В 28/26, опубл. 20.08.2002 г. (прототип)].

Недостатки этой композиции заключаются в том, что использование механических смесей оксидов, имеющих различные термодинамические характеристики, приводит к снижению прочностных и ухудшению термофизических характеристик конечного продукта, а при долговременном использовании сопровождается неконтролируемым изменением его свойств.

Технический результат изобретения заключается в оптимизации эффективности ослабления получаемым материалом ионизирующих излучений в зависимости от спектра, а также в повышении термофизических свойств и механической прочности защитных конструкций.

Технический результат достигается тем, что композиция для получения радиационно-защитного материала по первому варианту, содержащая связующее и в качестве наполнителя оксиды свинца, кремния и бария, согласно изобретению содержит полученный спеканием из оксидов свинца, кремния и бария наполнитель и в качестве связующего огнеупорную глину при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид свинца	15-40
Оксид бария	35-65
Оксид кремния	5-15
Огнеупорная глина	5-20

Согласно второму варианту изобретения новым является то, что она содержит полученный спеканием из оксидов свинца, кремния, бария и олова наполнитель и в качестве связующего огнеупорную глину при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид свинца	15-40
Оксид бария	25-55
Оксид кремния	5-15
Оксид олова	10
Огнеупорная глина	5-20

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемые композиции отличаются от прототипа качественным составом и количественным соотношением компонентов. Объединение этих двух технических решений в одну заявку связано с тем, что оба изобретения решают одну и ту же задачу принципиально одним и тем же путем, но не могут быть объединены одним пунктом формулы.

В табл.1 приведены составы композиций радиационно-защитных материалов.

Таблица 1.
№	Содержание компонентов наполнителей, % мас.
	PbO	BaO*	SiO 2	огнеупорная глина	SnO2
Б1	15.0	65,0	15.0	5.0	-
Б2	33.0	45,0	9.0	13.0	-
БЗ	40.0	35.0	5.0	20.0	-
Б4	33.0	35,0	9.0	13.0	10.0

В качестве компонентов наполнителя используются твердые растворы оксидов свинца и кремния в силикатах бария, возможна замена 10% ВаО на оксид олова 10% SnO_2.

Наполнитель готовят следующим образом. Навески оксидов металлов подвергают совместному помолу в керамической шаровой мельнице. В полученный материал добавляют воду и тщательно перемешивают, после чего прессуют таблетки под давлением 100-200 кг/см². Высушенные в течение 12 часов при температуре 60°С таблетки помещают в печь и в течение часа плавно поднимают температуру до заданной (1000-1200°С) в зависимости от состава. Время изотермической выдержки спекания материала составляет 30-90 минут и определяется степенью приближения температуры спекания материала к линии солидуса оксидной системы, образованной компонентами наполнителя. В процессе спекания материала, состоящего из оксидов металлов, происходит синтез прочных химических соединений - силикатов бария (n-BaO-SiO ₂) и, как следует из диаграммы состояния системы m-PbO-SiOr n-BaO-SiO₂, растворение в нем оксидов свинца и кремния, что подтверждается рентгенофазным анализом образцов наполнителей.

Полученный путем спекания оксидов металлов наполнитель подвергают помолу до фракции 0,15 мм, что и является исходным материалов для получения керамики.

Для получения керамики в наполнитель вводят 5-20% огнеупорной глины, полученную шихту увлажняют и тщательно перемешивают, а затем прессуют цилиндры диаметром 50 мм и разной высоты, высушенные цилиндры обжигают в печи при температуре 900-1200°С в течение 3 часов.

Полученные изделия испытывались на их способность поглощать ионизирующие излучения.

Рентгенозащитные свойства материалов испытывались с использованием источника монолинии гамма-излучения с энергией 0.662 МэВ - ¹³⁵Cs и рентгеновского аппарата РУП-3 с напряжением на аноде 250 кВ и током 8 мА.

Результаты испытаний материалов на способность ослаблять рентгеновское и гамма-излучение приведены в табл.2, 3.

Таблица 2 Характеристики материалов по поглощению гамма-излучения
Материал	Zэфф Е =0.662 МэВ						Е ,=0.662 МэВ					m E =0.662 МэВ						Т пл., °С			Плотность , г/см3
Pb	82						1.118					0.0986						327			11.34
Б1	59						0.354					0.0868						1200			4.08
Б2	63						0.379					0.0865						1100			4.38
Б3	73						0.426					0.0973						950			4.39
Б4	62						0,365					0,0863						1100			4.36
Таблица 3 Кратность ослабления мощности экспозиционной дозы для рентгеновского источника с напряжением на аноде U=250 кВ и анодном токе 8 мА
Разработанные
Материал		Б1					Б2						Б3						Б4
D, мм		3.5	7.0		13.5		3.5	7.0		13.8			3.5	7.7		13.2			3.5			7.0		13.8
К		6.1	12.7		17.6		7.5	12.3		23.3			5.7	13.2		20.4			7.1			11.9		21.7
Контрольные
Материал	Al								Cu								Pb
D, мм	3.5			7.0		13.5			3.5		7.0				12.0		3.5			7.0			13.5
К	1.1			1.2		1.9			3.8		6.0				9.2		13.2			20. 0			26.2

Из приведенных данных видно, что использование изобретения обеспечивает получение защитного материала с оптимизированными характеристиками по степени ослабления для рентгеновского и гамма-излучения различных спектров. Для рентгеновских источников с рабочим напряжением на аноде до 300 кВ материалы обеспечивают защиту, сопоставимую со свинцовым экраном, при значительно более низких массах защиты в 2.7-2.9 раз.

Из разработанных керамических материалов можно изготавливать тигли, экраны с рабочей температурой до 1200°С, а также облицовочные плитки с последующим их покрытием глазурью и другие изделия. Кроме того, наполнитель и конечный продукт на керамической основе обладают низкой токсичностью и высокой устойчивостью к воздействию факторов окружающей среды, а также к изменению своих характеристик со временем, что позволяет использовать такие материалы для долговременных конструкций, включая объекты долговременного и окончательного захоронения отходов ядерного цикла.

Предлагаемые материалы прозрачны для электромагнитного излучения, что подтверждено испытаниями в лабораторной индукционной печи с частотой 2500 герц. Из них можно изготавливать изделия (емкости, трубы, плитки и т.д.), предназначенные для работы в широком интервале температур, при этом в зависимости от предназначения может выбираться различный вяжущий материал.