5.6.7. Материалы, состоящие в основном из элементов со средним значением атомной массы А. Бетоны, руды, породы, минералы, цементные камни — материалы этой группы. Именно они наиболее широко применяются при сооружении защиты как реактора, так и оборудования на АЭС. Связано это не только с тем, что эти материалы доступны и дешевы, но и с тем, что они удобны в технологическом отношении, а путем подбора состава бетона или засыпки из породы можно получить материал, обладающий достаточно высокими защитными свойствами. Так, бетоны лучших составов при объемной массе 2,2— 2,3 т/м3 имеют длину релаксации плотности потока быстрых нейтронов, равную примерно 10 см, a 
= 2,2 Ч- 2,5. Несомненным достоинством материалов этой группы является их способность сохранять свои защитные свойства при достаточно высоких температурах (до 450—500° С). Бетоны, порода и другие материалы этой группы не горят, при нагревании и под действием радиации не выделяют каких- либо токсичных газов, облучение мало изменяет их свойства.
Для эффективного ослабления плотности потока промежуточных нейтронов в составе материалов рассматриваемой группы целесообразно иметь водород, т. е. воду, так как других носителей водорода здесь, как правило, нет. Установлено, что A,g не очень сильно зависит от концентрации воды в бетоне (рис. 5.20), а В2°3 с уменьшением концентрации воды (сн,о) растет, а при сНго< 5% растет быстро (рис. 5.21).
При содержании в бетоне (р — 2,3 т/м3) 1% воды и меньше — = 13 -г 14 и равновесное состояние в спектре нейтронов устанавливается в слое бетона, толщина которого близка к реальной толщине защиты реактора. Считает, что бетон или другой материал рассматриваемой группы при р = 2 4- 2,5 т/м3 должен содержать 7—12% воды, тогда он будет обладать высокими защитными свобствамн; Hб = 10 см, ВГ = 2,2 2,5.
Рис. 5.21. Зависимость дозового. фактора накопления нейтронов в материалах защиты на основе бетона от содержания воды (сплошная линия проведена по экспериментальным точкам, полученным для бетонов разных составов, в том числе тяжелых, содержащих до 40% железа по объему)
1 — обычный бетон; 2 — лимонитовый бетон; 3 — бруситовый бетон; 4 — серпентинитовый бетон; 5 — железосерпентиннтовый бетон <25% железа по объему); б- железосерпентнеитовый бетон <50% железа по объему); 7 — барийсерпентинитовый цементный камень: 8 — железобарий- серпентинитовый цементный камень (состав № I); 5 — смесь речного песка с серпентиннтовой галей; 10 — смесь серпентнннтовой галн со стальной дробью <40% железа по объему); 11 — дунит; 12 — смесь серпентннитовой гали со стальной дробью <20% железа по объему)
Вода попадает в бетон либо в виде воды затворения, которая частично (по 20—40%) связывается цементом, либо с заполнителем, в состав которого она входит химически связанной. Поскольку вода затворения, в том числе и связанная цементом, удаляется из бетона при достаточно низких температурах (100—150° С), целесообразно в качестве заполнителей бетонов применять вещества, содержащие связанную воду, сохраняемую при высоких температурах. Такие же вещества целесообразно использовать и в виде засыпок. Обычно это водосодержащие породы или минералы.
5.6.7.1. Бетоны.
Бетон представляет собой затвердевшую массу. приготовленную из воды, цемента, крупного и мелкого заполнителей. Обычно используют портландский цемент марок 300—500.
Он состоит из окислов Са, Si, А1 и других элементов, содержание кислорода в цементе — около 40%.
Для затворения бетонной смеси применяют воду, пригодную для питья; в отдельных случаях воду деминерализуют и даже дистиллируют. Заполнителями для бетонов служат песок и щебень; при выборе заполнителей стремятся, чтобы их массовое содержание в бетоне было 75—85% (при р = 2,0 -т- 2,5 т/м3), тогда заполнители образуют в бетоне жесткий каркас, уменьшают усадку и обеспечивают необходимую прочность. Ориентировочно для приготовления 1 м3 бетонной смеси расходуют 250—300 кг воды, 350—400 кг цемента, 1000— 1200 кг щебня и 550—700 кг песка.
Для бетонов, используемых в защите на АЭС, применяют различные заполнители: обычные — гранит, известняк; с повышенным содержанием связанной воды—лимонит, серпентинит, брусит; тяжелые— барит, гематит, магнетит и др. Если надо приготовить особо тяжелый бетон (р = 4,5 -г 6 т/м3), то в качестве заполнителей применяют стальную или чугунную дробь, сечку, металлический скрап, арматурные обрезки. Для снижения выхода захватного γ-излучения из бетона и прилегающих к нему металлоконструкций иногда в бетон вводят бор до 3% в виде В4С вместо мелкого заполнителя.
Бетонные смеси, используемые в защите, обычно готовят в бетономешалках принудительного действия, составляющие бетонной смеси дозируют по массе (Вводу) песок с точностью ± 2%, заполнители — ± 5%). Бетон в конструкции защиты укладывают горизонтальными слоями, толщина слоя зависит от размера и формы конструкции, но обычно не превышает 15—20 см. Каждый слой уплотняют вибратором. Защитные блоки небольших размеров лучше готовить на виброплощадке. В процессе твердения бетонной смеси, уложенной в открытые конструкции, поддерживают влажное состояние бетона: открытые поверхности увлажняют водой. Для приготовления монолитных конструкций применяют деревянную или металлическую опалубку, блоки небольших размеров готовят в разборных металлических формах. Тяжелые и особо тяжелые бетоны часто укладывают в конструкции защиты так называемым раздельным способом: сначала в бетонируемый объем укладывают и уплотняют сухие заполнители, а затем снизу под давлением подают цементный раствор.
В процессе бетонирования ведут контроль за объемной массой свежеприготовленной смеси. Для этого отбирают пробы смеси, уплотняют их принятым при бетонировании способом в мерных емкостях и взвешивают. Если к бетону предъявляют требования иметь определенную механическую прочность, то одновременно с укладкой бетонной смеси готовят стандартные образцы для испытаний.
Соблюдение технологии приготовления и укладки бетона, как правило обеспечивает получение заданных свойств бетона, и каких- либо дополнительных методов контроля качества бетонной защиты не применяют.
Те бетонные конструкции, которые в условиях эксплуатации нагреваются до 100° С и более, предварительно сушат. Температура и продолжительность сушки назначаются проектом защиты и зависят от температуры эксплуатации (температура сушки несколько выше температуры эксплуатации) и размеров защиты. Блоки удобно сушить в печах, а монолитные конструкции — внешними нагревателями, горячим воздухом или электронагревателями, заделанными в бетон. Подъем температуры бетона при сушке не должен превышать 20—25° С в час, а продолжительность сушки при 100° С — не менее 7 сут и не менее 3—4 сут при 250—300° С. К сушке бетона приступают не ранее чем через 7 сут после укладки.
В зависимости от типа примененных заполнителей свойства бетона и условия его эксплуатации в защите различны.
Обычный строительный бетон готовят на наиболее часто применяемых в строительной практике заполнителях — граните, известняке и др. Его объемная масса 2,2—2,3 т/м3; вода в бетоне содержится только в виде воды затворения. Поэтому обычный строительный бетон применяют для сооружения защит, работающих при относительно низких температурах или оборудованных системой охлаждения. Прочность этого бетона на сжатие определяется маркой цемента. В нормальных условиях эксплуатации U = 12,2 см, = 3 3,2, Xv = = 14,5 4- 15 см.
Магнетитовые и гематитовые бетоны приготовляют на магнетитовых (Fe304) и гематитовых (Fe203) заполнителях, содержащих окиси железа в количествах, не меньших 70—80%. В зависимости от качества и месторождения заполнителей получают бетоны с объемной массой до 4—4, 5 т/м3. Вода содержится только в виде воды затворения, и условия эксплуатации этих бетонов не отличаются от условий эксплуатации обычного строительного бетона. Если содержание воды в бетоне не обязательно, то гематитовый бетон, как жароупорный, можно использовать при 500° С. Защитные свойства гематитового бетона (р — 3,0 т/м3) в нормальных условиях: Hб = 10 см, = = 3,5, Ху = 15,2 см.
Баритовые бетоны готовят на заполнителях, содержащих до 80— 85% BaSO*; объемная масса баритового бетона 3,0—3,6 т/м3. Вода содержится в виде воды затворения, и бетон используется в тех же условиях, что и обычный строительный. При р = 3,3 т/м3 = 11,9 см, Хч = 12 см, ВГ меняется с толщиной защиты от 5,5 до 7,5 (г > 60 см).
Хромитовые бетоны относятся к группе жароупорных бетонов. Их готовят на хромитовых заполнителях, например на хромитовой руде FeCr04. Объемная масса бетона 3,2—3,3 т/м3. После высушивания может быть применен при 800° С.
Лимонитовые бетоны относятся к группе гидратных бетонов, приготовляются на лимонитовых (2Fe203-3H20) или гидрогетитовых (Fea03-H20) заполнителях, содержащих не менее 60—70% окислов железа и до 12% воды. Объемная масса бетона 2,4—3,2 т/м3, при 85° С содержит до 300—320 кг/м3 связанной воды, при температуре 200° С теряет около 1/4 связанной воды. При р = 2,6 т/м3 Hб = 10,2 см,
= 3,0, Xv = 13,9 см.
Серпентинитовый бетон также относится к группе гидратных, наиболее широко используется в защите реакторов. Готовится на серпентинитовых заполнителях, состоящих из минерала серпентина 3MgO X X Si02’2H20 с примесями AIa03, FeO, Fe2Oa. В СССР используются серпентиниты Баженовского месторождения (Урал), содержащие до 13% связанной воды. В плотном теле серпентинит имеет объемную массу 2,5—2,7 т/м3 и теряет связанную воду при температурах, превышающих 480° С. Объемная масса бетона 2,2 т/м3 и прочность на сжатие 100—140 кг/см2. Рабочая температура 450° С, при ней сохраняется вся связанная заполнителями вода.
Для улучшения защитных свойств бетона в его состав вводят железо в виде дроби или металлического песка, заменяя им часть мелкого заполнителя из серпентинита. Объемная масса такого бетона 3,7 т/м3, рабочая температура 450° С, содержание вода при этой температуре 3,5%. Защитные свойства серпентинитового и железосерпентинитового бетонов характеризуются такими показателями: при р = 2,3 * т/м3
= 10,0 см, = 3,2, Хч = 15,2 см; при р = 3,55 т/м3 Hб — = 9,4 см, = 4,0, Ху = 9,3 см.
Эти бетоны применены в конструкциях защиты многих исследовательских реакторов* на атомных ледоколах, на АЭС с ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.
Бруситовый бетон — новый тип гидратного бетона, приготовленного на бруситовых Mg (ОН)а с примесями CaO, Si02 и других заполнителях, содержащих до 30% связанной воды. Вода теряется при температурах, превышающих 300—350° С. Рабочая температура бруситового бетона 300° С, объемная масса 2,1—2,2 т/м3, Hб = И см, = 2,5.
Засыпка.
Засыпку обычно применяют в защите тогда, когда заполняемая конструкия имеет сложную форму, пронизана трубопроводами, деталями, а в процессе эксплуатации для ревизии или ремонта этих деталей защиту приходится демонтировать. Иногда слой засыпки располагают между корпусом реактора и бетонной монолитной защитой, что улучшает условия эксплуатации последней.
Засыпную защиту делают из смесей определенного гранулометрического состава и в процессе монтажа послойно уплотняют. Если этого не делать, то обычно плотность засыпки составляет примерно 0,5р, где р — удельная масса материала засыпки. Смесь определенного гранулометрического состава позволяет увеличивать объемную массу засыпки примерно до 0,7р. Так, засыпка из серпентинитовых песка, гали и щебня, взятых в соотношении 2:2:3, после уплотнения имеет объемную массу около 2 т/м3.
При монтаже засыпной защиты необходимо принять меры, исключающие потерю мелкой фракции, закладные детали по возможности следует располагать так, чтобы можно было проверить, подошла ли засыпаемая смесь под деталь. При укладке смеси следует наблюдать за ее объемной массой путем отбора проб в мерные емкости, а контроль объемной массы в конструкции проверять по массе засыпки, пошедшей на заполнение, и объему конструкции.
В качестве засыпаемых материалов используют речной песок, гранит, гематит, серпентинит, брусит. Поскольку длина релаксации плотности потока быстрых нейтронов, обычно измеряемая в сантиметрах, зависит от объемной массы материала в засыпке, то для засыпок ее удобно измерять в г/см2, тогда значение Hс будет справедливо для засыпки любой объемной массы. Для названных материалов равна (г/см2): 31,2; 30,0; 35,4; 25,0; 27,5. Дозовый фактор накопления в водородсодержащих засыпках (серпентинит, брусит) не зависит от толщины слоя засыпки и равен 2,3. В остальных упомянутых материалах, а они не содержат водорода, (г), показатель роста с толщиной в формуле (5.2.23) равен (10“* см-1): для речного песка — 3,1, гранита — 6, гематита — 4.
Чаще других в защите применяют засыпки из серпентинита. Так, на АЭС с РБМК верхняя и нижняя металлоконструкции реактора засыпаны серпентинитом. Объясняется это тем, что серпентинит доступен, способен сохранять свои защитные свойства при длительной эксплуатации при 450° С, содержит воду, что исключает накопление в защите из серпентинита замедляющих нейтронов. Засыпка, выполненная только из серпентинитовой гали, имеет объемную массу 1,6 т/м3, а из песка или гали и щебня — 1,9 т/м3 (в уплотненном состоянии), из всех трех компонентов, как упоминалось, — 2,0 т/м3.
Защитные свойства засыпки из серпентинита по отношению к быстрым нейтронам и особенно γ-излучению улучшают в результате добавления к серпентиниту стальной или чугунной дроби. Объемная масса засыпки растет и при содержании железа 55% составляет 2,17 т/м3, а при 75% — около 3 т/м3. при добавлении железа, естественно, возрастает, но даже при его содержании 80%, когда = 6, в засыпке устанавливается равновесный спектр нейтронов.
Перспективным для засыпных защит материалом является брусит. Засыпку из брусита можно эксплуатировать при температуре 300° С.
Железобарийсерпентинитовый цементный камень.
Материал образуется в результате гидратации смеси специального цемента с молотой чугунной стружкой. Цемент готовится из баритовой руды, серпентинита и антрацита. Готовый цемент содержит ВаО около 75%, Si02—10%, MgO—10% и другие окислы. Отличительная черта цемента — способность удерживать связанную воду при высоких температурах. Чугунный песок добавляют в цемент для улучшения физико-механических и теплофизических свойств цементного камня. В частности, после гидратации смеси получается материал, способный выдерживать односторонний нагрев (длительно, без образования трещин) до 300° С на 0,5 м. (Для сравнения отметим, что для обычного бетона допустим перепад температур 25—30° С на 1 м.) Если готовый материал будет работать в условиях повышенной температуры, чугунный песок прокаливают, при этом на его поверхности образуется окисная пленка, препятствующая реакции восстановления воды до водорода на мелкодисперсной фракции чугуна.
В практике сооружения защиты на АЭС применяют смеси трех составов (цемент: чугун) : 1 : 1, 1 : 1,5 и 1 : 2. Эти смеси после твердения имеют объемную массу 3,9—4,2 т/м3 и прочность на сжатие (в возрасте 28 сут) 450—350 кг/см2. Как и все бетоны, работающие в защите при повышенных температурах, железобарийсерпентинитовый цементный камень рекомендуется применять в открытых конструкциях, обеспечивающих свободный уход выделяющейся при нагреве воды. Закрытые конструкции (они должны иметь отверстия для выхода воды) и большие монолитные конструкции защиты рекомендуется предварительно сушить.
Железобарийсерпентинитовый цементный камень обладает весьма высокими защитными свойствами по отношению как к нейтронам, так и к γ-излучению даже при его рабочей температуре 450° С. Длина релаксации мощности дозы γ-излучения реактора в нем 10,7; 9,0 и 9,2 см (соответственно для смесей). Поскольку даже при 450° С в железо- барийсерпентинитовом цементном камне содержится 1,75; 1,4 или 1,15% воды, в материале устанавливается равновесный спектр нейтронов, так что равен 4; Hб = 10 9 см.
Приведенные сведения характеризуют железобарийсерпентинитовый цементный камень как хороший материал защиты. Он успешно работает в защите верхнего перекрытия реакторов РБМК-1000 на всех АЭС с этим реактором, в том числе уже около 10 лет на Ленинградской АЭС.
