Записки строителя

Комаровский Александр Николаевич

Радиационная стойкость бетона. Вопрос этот долгое время оставался практически не изученным. Считалось, что для сохранности бетона защитных конструкций необходимо ограничивать интегральный поток нейтронов в бетоне величиной 10¹⁹ нейтр./см². Такое условие приводило к существенному усложнению и удорожанию конструкции защиты. В. Б. Дубровский и Б. К. Пергаменщик совместно с сотрудниками Физико-энергетического института в 1963 г. начали экспериментальные работы по исследованию радиационных повреждений в бетоне.

Облучение образцов бетонов и цементных растворов проводилось в экспериментальных каналах и активной

зоне реакторов БР-5 и 1-й атомной электростанции. Интегральные потоки нейтронов на образцы составляли от 10¹⁹ до 2·10²¹ нейтр./см², температура, сопровождавшая облучение, достигала 300° C. Исследовались плотность, прочность, теплопроводность и другие характеристики.

Было обнаружено, что поведение бетона при облучении зависит главным образом от радиационных изменений в заполнителе, то есть именно заполнитель определяет радиационную стойкость бетона. Это позволило более направленно вести дальнейшие исследования.

Сегодня можно назвать бетоны, способные без заметных изменений воспринимать интегральный поток нейтронов 1—2·10²¹ нейтр./см². К ним относятся бетоны на металлорудных заполнителях — хромитовой и гематитовой руде. Из обычных бетонов к наиболее радиационностойким относятся бетоны на известняке, базальте. Использование их возможно при дозе около 5·10²⁰ нейтр./см². Наконец, что очень важно, выделена группа малостойких бетонов с заполнителями из кварцевого песчаника, гранита, речного песка. Для них максимальная доза не должна превышать 10²⁰ нейтр./см².

На основании рекомендаций кафедры и при ее участии разработаны варианты защиты из радиационностойких бетонов для ряда новых реакторов, которые в ближайшие годы вступят в строй. Работы по указанной тематике продолжаются и сегодня. Изучаются вопросы о влиянии спектрального состава излучений на степень радиационных повреждений, о газовыделениях в бетонах при облучении, о радиационных напряжениях и деформациях фрагментов защиты при высоких интегральных потоках нейтронов.

Водород и защитные свойства бетона. Физики-атомщики постоянно выдвигали общий тезис, что чем больше водорода в бетоне, тем лучше из него биологическая защита. В результате появились составы специальных бетонов с повышенным содержанием водорода (практически — химически связанной воды) за счет использования гидратных заполнителей и цементов. Но применение указанных материалов, по существу, не имело конкретных технико-экономических обоснований. Аспирант кафедры строительства ядерных и специальных сооружений А. М. Туголуков провел комплексное расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование влияния содержания воды в бетоне на толщину и стоимость биологической защиты.

Из бетонов разных составов с различным содержанием воды изготавливались защитные экраны, которые устанавливались в нише исследовательского реактора, где проводилось измерение распределения в экранах потоков быстрых, резонансных и тепловых нейтронов. Результаты экспериментов были довольно неожиданными: оказалось, что для стационарных ядерных реакторов значительное увеличение содержания воды уменьшает толщину защитного слоя бетона всего лишь на… 10%. В то время как стоимость затрат на введение воды в бетон возрастает значительно больше! То есть оказывается целесообразнее несколько увеличить толщину защиты из обычного бетона, чем повышать процент содержания воды.

Необоснованные требования к повышенному содержанию водорода (воды)

в бетонной защите явились причиной того, что во всех известных защитах не допускало нагрев бетона выше 60° C. Хотя с точки зрения прочности и температурных напряжений обычный бетон выдерживает температуры до 250°—300° C, а жаростойкие бетоны — до 1000° C. Для того чтобы исключить разогрев бетонной защиты сверх 60° C за счет поглощения энергии излучения, во всех известных ядерных реакторах перед бетоном возводилась сложная и дорогостоящая тепловая защита из дефицитных материалов: нержавеющей стали, графита, металлических баков, наполненных водой и т. п. Все это помимо удорожания приводило к усложнению конструкции, увеличению габаритов и другим технологическим сложностям.

В 1965 г. В. Б. Дубровский и П. А. Лавданский провели комплексное исследование защитных свойств полностью обезвоженных жаростойких хромитовых бетонов. Экспериментальные данные хорошо совпали с расчетными. Они показали, что в обезвоженном бетоне действительно происходит накопление потоков промежуточных и резонансных нейтронов. Однако увеличение суммарной дозы за счет излучений за защитой сравнительно невелико, и утолщение бетона (по сравнению с такой же водосодержащей защитой) оказывается незначительным. Разогрев бетона происходит только с внутренней стороны на относительно небольшую глубину, основная часть защиты нагреву и высыханию не подвергается. Поэтому ослабление в ней потоков нейтронов низких энергий не уменьшается.

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.