Записки строителя

Комаровский Александр Николаевич

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.

Из-за большего накопления нейтронов промежуточных энергий защита без водосодержащего материала вызывает перерасход стали (около 5000 кг на квадратный метр защиты при толщине ее более 2 м). Поэтому особо тяжелые защиты целесообразно делать двухслойными: со стороны падающего излучения — слой стали, за ним — слой гематитового бетона с нормальным расходом цемента.

Результаты исследований по защите ускорителей нашли практическое применение. В частности, защита экспериментального зала ускорителя в Серпухове выполнена в соответствии с рекомендациями аспирантов кафедры. Результаты работы кафедры учтены также в проекте реконструкции синхроциклотрона Объединенного института ядерных исследований и в ряде других проектов.

Рост энергии и интенсивности элементарных частиц в пучках современных ускорителей приводит к увеличению радиационных нагрузок на материалы узлов ускорителей. По поручению Академии наук СССР кафедра проводит исследование радиационной стойкости широкого круга материалов (металлы, диэлектрики, полимеры и т. д.), которые предполагается использовать в узлах проектируемых ускорителей протонов на энергии в миллиарды электронвольт. Облучение образцов исследуемых материалов производится в ядерном реакторе, синхроциклотроне и синхрофазотронах. Испытание материалов после облучения позволит получить необходимые данные об их радиационной стойкости и сделать практические выводы и рекомендации.