5.6.1. Требования, предъявляемые к материалам защиты.
Первым и основным требованием к материалу, предназначаемому для защиты от источников излучения на АЭС, является требование иметь высокие защитные свойства как по отношению к нейтронам, так и к γ-излучению. Для этого материал должен иметь определенный химический состав: содержать ядра легких и тяжелых элементов, в отдельных случаях содержать бор. Не всегда удается найти такой материал, поэтому часто приходится применять отдельно легкие материалы, обычно содержащие водород, и тяжелые.
Независимо от того, в каком виде используется тот или иной материал, к нему предъявляется ряд требований, позволяющих осуществить и длительное время эксплуатировать защиту:
конструкционная прочность материала, особенно прочность на сжатие, позволяющая сделать конструкцию защиты самонесущей, а иногда и конструкцией, несущей дополнительную нагрузку;
высокая радиационная и термическая стойкость материала, т. е. неизменность свойств материала под действием радиации и тепла или такое изменение свойств, которое можно считать допустимым;
химическая инертность материала, особенно по отношению к теплоносителю и конструкционным материалам реакторной установки;
жаростойкость и огнестойкость, т. е. материал должен допускать кратковременный перегрев защиты, а температура его эксплуатации (рабочая температура) должна быть достаточно высокой, материал не должен легко воспламеняться и гореть;
способность не выделять газов, особенно ядовитых, взрывоопасных или с резким запахом, под действием нагрева и при облучении;
высокая теплопроводность, малый коэффициент линейного расширения, минимальная усадка (как при монтаже, так и при эксплуатации), вибро- и ударостойкость, водо- и газонепроницаемость — все эти свойства позволяют создать наиболее простую конструкцию защиты и эксплуатировать ее в благоприятных для материала условиях;
технологичность, т. е. простота монтажа и демонтажа защиты, возможность механической обработки материала; невысокая стоимость и доступность.
Многие из этих требований противоречивы, и в природе нет материалов, одновременно удовлетворяющих всем требованиям, хотя можно найти материалы или их комбинации, которые в значительной степени удовлетворяют этим требованиям. В настоящее время найдено, разработано и исследовано достаточное количество защитных материалов, так что они не ограничивают конструктора или проектировщика АЭС в выборе того или иного конструктивного или компоновочного решения.
Показатели защитных свойств материала.
Основным показателем защитных свойств материала по отношению к γ-излучению служит линейный коэффициент ослабления плотности потока (мощности дозы) γ-излучения. Чем выше плотность материала, тем больше fA, тем более высокими защитными свойствами обладает материал. Трудно найти такой материал, плотность которого известна, а защитные свойства (в сравнении с другими материалами) неочевидны. В таких случаях необходимо вычислить ц, пользуясь, например, соотношениями (1.3.13) или (1.3.14).
Защитные свойства материала по отношению к нейтронам необходимо характеризовать двумя показателями, так как материал, обладающий высокими защитными свойствами для какой-либо одной энергетической группы нейтронов, может иметь низкие защитные свойства для другой группы. Такими показателями являются длина релаксации плотности потока быстрых (Еп ^ 2 МэВ) нейтронов и дозовый фактор накопления нейтронов, т. е. Hб и В%оа-%о определяют экспериментально или вычисляют по формулам (5.2.26)» (5.2.26а);
ВГ можно также определить экспериментально или рассчитать по формулам (5.2.27), (5.2.29).
Трех названных характеристик достаточно, чтобы оценить место материала в ряду других по его защитным свойствам и выбрать тот или иной материал для использования в защите*.
*Поскольку вопрос о защитных свойствах материала по отношению к V-излучению решается просто, дальше при описании материалов приводятся в основном их характеристики защитных свойств по отношению к нейтронам.
Классификация материалов защиты.
По ядерному составу и, следовательно, по общности процессов взаимодействия излучений с материалом, а также его основному назначению материалы защиты подразделяют на три группы: 1) легкие; 2) состоящие в основном из элементов со средним значением атомного номера; 3) тяжелые. В первых двух группах выделяют две подгруппы материалов: содержащие и не содержащие водород.
Основное назначение материалов первой группы — ослабление плотности потока нейтронов, главным образом, промежуточных энергий. Нейтроны замедляются в таких материалах в результате упругих рассеяний на ядрах водорода (первая подгруппа) и на ядрах других легких элементов (вторая подгруппа).
Материалы третьей группы предназначены для защиты от γ-излучения и быстрых нейтронов. Последние замедляются в результате неупругих рассеяний.
Материалы второй группы предназначены для защиты от обоих видов излучения; нейтроны замедляются как в результате упругих (особенно, если материал содержит водород), так и неупругих рассеяний. Защитные свойства этих материалов улучшаются в результате введения в них тяжелого компонента (железа, бария и др ).
Легкие материалы.
Вода — наиболее часто используемый в защите водородсодержащий материал. Имеет высокую ядерную плотность водорода (при р — 1 г/см3 nн — 6,66-1022 яд./см3), доступна и недорога. Применяют дистиллированную или деминерализованную воду. Под действием излучения диссоциирует с образованием водорода, перекиси водорода и ионов ОН. Реакции диссоциации обратимы. Вода как материал защиты имеет неоспоримое преимущество: заполняет все отведенное ей пространство без образования пустот и зазоров. Конструктивно защита из воды выполняется в виде баков из стали или других материалов; если объем воды велик, то баки делают секционными, чтобы уход воды из защиты при потере баком герметичности не приводил к резкому ослаблению защиты.
Защитные свойства воды исследованы достаточно подробно*. Известно, что Я-б зависит от толщины слоя вода и меняется от 8 до 10,5 см. В области установившегося равновесия Яв = 10 см, В*03 = 2 ± 0,3 (точнее — 1,85).
* Здесь и далее приводятся сведения о защитных свойствах материалов по отношению к излучению реактора.
Полиэтилен — термопластичный полимер, при р — 0,93 г/см3 и химической формуле СпН2п ядерная плотность водорода п — 7,92 X
X 1022 яд./см3. Можно применять в защите в виде блоков или плит при температуре до 60° С (самонесущие конструкции) и до 80° С — в ограничивающих кожухах. Полиэтилен горит, при сгорании образует воду и С02. Имеет большой линейный и объемный коэффициент расширения при нагревании. Легко поддается механической обработке.
Обладает более высокими защитными свойствами по отношению к быстрым нейтронам, чем вода: Яб — 8 см в области установившегося равновесия и меняется от 6,2 до 8,2 см при толщине защиты 1 м, ВГ = 1,9 ± 0,2. Защитные свойства по отношению к γ-излучению примерно такие же, как и у воды.
В защите на АЭС полиэтилен применяют редко из-за невысокой рабочей температуры и сравнительно высокой стоимости.
Из других легких водородсодержащих материалов можно отметить ряд пластмасс (полипропилен, полистирол, метилметакрилат и др.) и гидриды металлов (LiH, СаН, TiH„, ZrHn и др.). Пластмассы не имеют особых преимуществ перед полиэтиленом, а гидриды металлов, особенно гибрид титана, хотя и обладают высокими защитными свойствами, достаточно дороги.
Графит — часто применяемый материал (на АЭС с канальными реакторами выполняет роль отражателя и первых слоев защиты), обладающий достаточно высокими защитными свойствами. Используют в защите в виде блоков, которые легко обрабатываются и не слишком дороги. Плотность блоков 1,67 г/см3. Графит в защите можно эксплуатировать при t = 400е С (на воздухе) и при t = 1000° С — в инертной среде.
Длина релаксации плотности потока быстрых нейтронов в графите при d — 125 см составляет 13,2 см. 
в графите растет с толщиной из-за быстрого накопления тепловых нейтронов (при толщине около 40 см мощность дозы на 90% определяется тепловыми нейтронами), поэтому понятие применительно к графиту не показательно. Добавление в графит бора (2—3%) изменяет картину: вклад тепловых нейтронов в мощность дозы становится пренебрежимым, в защите устанавливается равновесное состояние, — 4,8.
Карбид бора. В защите применяют в виде засыпки с удельной объемной массой 1,1—1,5 г/см3, иногда несколько выше. Рабочая температура на воздухе — до 400° С, в инертной атмосфере — до 1500° С. При р = 1,3 г/см3 Hб = 15,7 см, при эквивалентной с графитом плотности его защитные свойства по отношению к нейтронам выше: кб = = 10,2 см; = 4,5.
Тяжелые материалы.
Железо применяют в защите в виде стали и чугуна (прокат, поковки, дробь). Выбор марки стали или чугуна определяется условиями эксплуатации защиты (температура, контакт с водой и пр.). Плотность листов, поковок 7,8—7,6 г/с8, плотность дроби после уплотнения 4,5—4,7 г/см3. Для листов и поковок Hб = 7,1 см ; Bg03 растет с толщиной защиты [см. (5.2.3)] и различно для углеродистых сталей и сталей с легирующими добавками. В последних за счет хрома, никеля и других происходит частичное перекрытие интерференционного минимума в сечении взаимодействия нейтронов с железом при Еп = 25 кэВ и это приводит к некоторому уменьшению накопления замедляющихся нейтронов: параметр Ь в формуле (5.2.23) для стали марки СтЗ равен 0,102 см-1, для стали Х18Н10Т — 0,092 см"1.
Рис. 5.19. Зависимость длины релаксации плотности потока быстрых нейтронов (1К мощности дозы нейтронов (2), -γ-излучения (5) и дозового фактора накопления нейтронов (4) от объемной доли воды в железоводной защите
Свинец — применяют в защите в виде листов, отливок или дроби. Листовой и рольный свинец имеет плотность 11,3 г/см3, отливки — 10—10,5 г/см3, а дробь в уплотненной засыпке — до 6,5 г/см*. Свинец — мягкий металл и поэтому в защите применяется очехлованным сталью. Одним из способов изготовления очехлованных конструкций является заливка коробов расплавленным свинцом. Защитные свойства свинца исследованы достаточно подробно: Hс — 10 см, коэффициент роста дозового фактора накопления нейтронов Ь = 0,072 см-1. Из доступных материалов свинец обладает наиболее высокими защитными свойствами по отношению к γ-излучению.
Титан, вольфрам, молибден и другие металлы редко используют в защите, главным образом, из-за высокой стоимости. Титан и молибден, кроме того, как материалы защиты не имеют преимущества перед железом (для титана = 9,5 см при р = 4,5 г/см3); вольфрам при плотности 19,3 г/см3 Имеет Hб ==3,6 см, обладает отличными защитными свойствами по отношению к y-излучению, но дорог и малодоступен.
5.6.6. Металло-водородные защиты.
Защита, в одинаковой мере эффективная по отношению к нейтронам и y-излучению, должна содержать в своем составе тяжелые и легкие материалы. Это достигают путем размещения, например, в воде листов (пластин) стали или свинца. Защиту из стали и воды называют железо-водной (ЖВЗ). Такую защиту обычно применяют в реакторах ВВЭР, располагают между активной зоной реактора и его корпусом; основное ее назначение — снизить плотность потока нейтронов и γ-излучения на корпус реактора.
Защитные свойства металло-водородной композиции зависят от относительной концентрации ее компонентов по объему (рис. 5.19). Можно найти такие объемные концентрации тяжелого ст и легкого сл компонентов, например железа и воды, при которых — Hб — это физически оптимальная по составу защита. сТ в оптимальной по составу ЖВЗ составляет 65—80%, при этом средняя плотность защиты 5,5 г/см3, %у = Hб = 7,5 см, = 2,2.
Свинцово-водная защита
(СВЗ) оптимального состава содержит 20% свинца по объему, имеет
среднюю плотность 2,5 г/см3, = 10 см, £н03 =
Значение показателей защитных свойств ЖВЗ и СВЗ, как и других металло-водородных защит, можно рассчитать по формулам (1.3.13)—
|i, (5.2.26а) — XG и (5.2.29) — Bf3.
Рис. 5.20. Зависимость длины релаксации плотности потока быстрых нейтронов от концентрации воды в бетоне (сплошная линия проведена по экспериментальным точкам, полученным разными авторами)
Там, где невозможно применить ЖВЗ или СВЗ, например, из-за высокой температуры и невозможности организовать теплоотвод, применяют защиту из графита и железа (чугуна). Именно такая защита установлена в верхнем перекрытии реактора АМБ на Белоярской АЭС. Ее защитные свойства также зависят от объемных долей железа и графита, при оптимальном составе компонентов (объемная концентрация железа 40—50%) Xv — Хб = — 10,2 см. Несколько более высокими защитными свойствами обладает защита из стали и карбида бора.
