Стойкая к радиации термореактивная композиция
Сущность изобретения: стойкая термореактивная композиция содержит соединение 1 и соединение 2. Соединение 1 образовано материалами из компонентных групп А и В, причем материалы компонентной группы В составляют 7,5 - 17,5 мас.% от содержания в соединении 1 материалов компонентной группы А. В качестве материалов компонентной группы А может использоваться полусинтетический вулканизированный и хлорированный полимер. Материалы из компонентной группы В добавляются в соединение 1 для того, чтобы улучшить радиоактивную защиту и стойкость к радиации, и представляют собой соединения бария и/или соединения элементов той же группы Периодической системы Д.И. Менделеева, что и барий. Соединение 2 содержит смесь материалов компонентных групп Б и Г, причем материалы компонентной группы Г составляют 0,5 - 7,5 мас.% от содержания материалов компонентной группы Б в соединении 2. Компонентная группа Б включает любое из соединений типа полиимидов или полиимидных смол, а также может включать в себя фенольно-платиновую смолу и/или винильно-платиновую смолу. Базовыми полимерными материалами компонентной группы Г являются фенолформальдегидные и/или платиновиниловые полимеры. В компонентную группу Г могут также включаться некоторые добавочные материалы. Технический результат: композиция обладает повышенной стойкостью к ионизирующему излучению, имеет высокую твердость и может использоваться при высоких температурах. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к материалам и композициям для защиты от радиоактивных веществ и для хранения этих веществ, а также к радиоактивным веществам.
Уровень техники В течение нескольких последних лет, особенно после почти полного "расплавления" реактора Чернобыльской АЭС, на международном уровне возникла антипатия или даже враждебность по отношению к атомной энергии. Эта антипатия существует, несмотря на доказанную и возрастающую опасность глобальных климатических изменений, обусловленных атмосферными эффектами в результате сжигания ископаемых топлив. Исходная оппозиция атомной энергии исходит из кажущихся непреодолимыми опасностей и ущерба для окружающей среды, создаваемых радиоактивными отходами с большой длительностью распада, которые производятся современными ядерными реакторами. Тем не менее, экологический вред от ядерных отходов следует сопоставить с определенным экологическим вредом сжигания ископаемых топлив. Представляется очевидным, что единственный способ избежать экологической катастрофы вследствие глобального потепления - не считая возврата к допромышленной экономике - это заменить традиционные источники энергии источниками, основанными на ядерной реакции расщепления. В какой-то момент в будущем "грязные" источники энергии, основанные на расщеплении, можно будет заменить более чистыми системами, основанными на ядерном синтезе. Однако в настоящее время единственным приемлемым вариантом представляется использование реакции расщепления. Поскольку в настоящее время неизвестно никаких способов уничтожения ядерных отходов, задача должна состоять в обеспечении безопасного обращения с этими отходами и их хранения. Используемый в настоящее время ядерный топливный цикл включает ряд операций, которые являются потенциально вредными в экологическом отношении. В число этих операций входят добыча и производство ядерных топлив и реакция расщепления этих топлив. Нужно также учитывать опасности, связанные с управлением ядерными реакторами, хранением отработанного топлива в месте его использования, транспортированием, утилизацией или захоронением указанных топлив. Представляется, что создание безопасных реакторов является доступной инженерной задачей. Главная экологическая проблема связана с утилизацией и захоронением отработанных ядерных топлив. Независимо от того, подвергаются ли отработанные топлива вторичной обработке с целью получения дополнительных топливных материалов (что, с точки зрения удовлетворения долгосрочных энергетических потребностей, наиболее эффективно) или отработанное топливо просто захоранивается, возникает значительный объем высокорадиоактивных веществ, которые должны быть изолированы от окружающей среды. Подход, принятый в настоящее время, заключается в захоронении радиоактивных материалов в глубоких геологических формациях, где они могут распадаться до безопасного уровня без какого-либо человеческого вмешательства. В идеале эти "погребенные" отходы должны оставаться изолированными от окружающей среды без какого-либо наблюдения или контроля. В противном случае любые сбои человеческой цивилизации могут привести в катастрофической утечке радиоактивных материалов. Следовательно, нельзя просто сбросить отходы в какую-то дыру. Подобные материалы постоянно генерируют тепло; кроме того, выделяются также потенциально взрывоопасные газы, в основном, водород. Испускаемая радиация изменяет и ослабляет большинство материалов. В настоящее время наиболее эффективный подход заключается в уменьшении объема отходов за счет удаления растворителей. Затем производится стеклование отходов или придание им каким-либо другим способом стабильной формы для того, чтобы предотвратить их миграцию в окружающей среде. Тем не менее, остается важная задача создания специальных материалов, которые обладают необычной стойкостью к радиации, теплу и химическим условиям, обычно сопровождающим радиоактивные отходы. В идеале подобные материалы должны обладать свойствами защиты от радиации и могут быть использованы для инкапсулирования отходов, предварительно уменьшенных в объеме. Еще одним важным применением таких материалов является герметизация атомных объектов, исчерпавших свой ресурс или поврежденных. Самым простым и примитивным из подобных материалов, вероятно, является бетон. Благодаря наличию минеральных включений в простых исходных веществах на основе портланд-цемента или аналогичных материалах, в которые добавляют дополнительные защитные (экранирующие) субстанции (например, частицы тяжелых металлов), эти вещества обеспечивают защиту от атомной радиации. Однако простой бетон не способен долго выдерживать тяжелые химические условия, создаваемые некоторыми видами отходов. Бетонные резервуары для жидких ядерных отходов имеют полезное время жизни не более пятидесяти лет. Более эффективен бетон в отношении остеклованных отходов пониженного объема, но и в этом случае он далеко не идеален. Проведено большое число экспериментов с новыми экранирующими материалами, которые было бы легче применять и которые обладали бы превосходящими защитными и/или физическими свойствами. Однако до настоящего времени эти материалы не проявили себя как вполне успешные. Сущность изобретения Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании защитного (экранирующего) материала, который обладает стойкостью в отношении как ядерной радиации, так и высоких температур, и особенно удобен для иммобилизации в нем материалов типа радиоактивных отходов. Материал по настоящему изобретению представляет собой смесь, содержащую два или более органических полимера, причем включенные в его состав наполнители сшиты поперечными связями с боковыми фенильными цепями полимеров и сополимеров. Другие наполнители обеспечивают защиту от ядерных материалов и могут быть просто введены в матрицу, образованную за счет поперечных связей. Материал представляет собой прочную матрицу с введенными в нее частицами веществ, обеспечивающих радиационную защиту, и теплопроводных материалов, обладающую в целом свойствами, подобными свойствам керамики или металлокерамики. Материал является термореактивным и может обладать очень высокой твердостью, характеризующейся, например, пределом прочности на сдвиг, составляющей около 13830 Н/см2. Материал образован смесью вулканизированного каучука и каучукоподобных полимеров, различных включений, экранирующих радиацию, полиимидной смолы и фенолоформальдегидной смолы. После смешивания ингредиентов в соответствующих пропорциях происходит отверждение материала при повышенной температуре (260oС). Готовый материал имеет плотность в интервале 128-800 кг/м3, в зависимости от доли и вида включений, стойких к радиации. Перечень фигур чертежей Задачи, решаемые настоящим изобретением, и его признаки, которые, как представляется, обладают новизной, определены в прилагаемой формуле изобретения. Принципы и характер использования настоящего изобретения, а также дополнительные задачи и преимущества станут понятны из нижеследующего описания, которое следует рассматривать в сочетании с прилагаемыми чертежами. На фиг.1 приведено схематическое представление структуры материала, стойкого к радиоактивным веществам. Фиг.2 - это структурная формула имидированного ароматического полиимида, который, как представляется, образует полимерную основу материала по настоящему изобретению. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Нижеследующее описание должно позволить любому специалисту в данной области осуществить и использовать настоящее изобретение; в этом описании приводятся наилучшие варианты осуществления изобретения, разработанные изобретателем. Тем не менее, специалистам в данной области будут очевидны и другие модификации, поскольку в данном описании сформулированы и общие принципы создания материала, обеспечивающего защиту от радиоактивных материалов, который прост в обращении и обладает стойкостью по отношению к различным химическим и физическим воздействиям. Настоящее изобретение обеспечивает создание нового материала для экранирования и хранения радиоактивных отходов, обладающего более высокими защитными и физическими свойствами, чем бетон. Материал не имеет ячеистой структуры и представляет собой прочную матрицу, в которую введены частицы веществ, экранирующих радиацию, и теплопроводящие соединения, обладающие свойствами, подобными керамике. Такая псевдокерамическая или металлокерамическая структура обеспечивает снижение суммарного веса материала при одновременном фактическом улучшении его полезных физических свойств. Поскольку материал должен обеспечивать стойкость по отношению к ядерной радиации, он далее будет сокращенно обозначаться как ЯСМ (ядерно-стойкий материал). ЯСМ образован двумя или более органическими полимерами, в которые введены наполнители, сшитые поперечными межмолекулярными связями с фенильными боковыми цепями полимеров и сополимеров. Прочие наполнители обеспечивают защиту (экранирование) от радиоактивности и могут быть просто погружены в матрицу, образованную за счет поперечных связей. ЯСМ является термореактивным (термоотверждаемым) и, будучи полностью полимеризованным, он может представлять собой материал, обладающий чрезвычайно высокой твердостью (примерно Rс 92 по Роквеллу; предел прочности на сдвиг около 13830 Н/см2) и нечувствительный к широкому классу химических агентов. Продолжительное воздействие очень высокой температуры (2200oС) может в конечном итоге привести к разложению органической матрицы. Однако различные наполнители и включения образуют в этом случае матрицу наподобие керамики, так что свойства ЯСМ в целом останутся относительно постоянными. А именно, даже под воздействием очень высоких температур экранирующая способность существенно не изменится, а металлокерамическая структура сохранит достаточно высокую физическую прочность. ЯСМ получается смешиванием и нагревом примерно одинаковых количеств по массе соединения 1 и соединения 2. Каждое из этих соединений содержит часть сшивающей и экранирующей системы готового материала. Используемая базовая система термореактивной смолы содержит вулканизированный хлорированный каучук, полиимидную смолу и фенолформальдегид. Различные материалы, обеспечивающие радиационную защиту, и другие материалы вводятся для придания прочности и благоприятных свойств в отношении радиации. Эти различные ингредиенты можно рассматривать в качестве представителей материалов четырех компонентных групп, обозначаемых буквами А, Б, В и Г. Как объясняется далее, каждая компонентная группа включает ряд альтернативных ингредиентов. Соединение 1 образовано материалами из компонентных групп А и В, причем материалы компонентной группы В предпочтительно присутствуют в нем в количестве от 7,5 до 17,5% по массе от содержания материала компонентной группы А. Соединение 2 содержит смесь материалов компонентных групп Б и Г, причем содержание материалов компонентной группы Б не превосходит содержания (по массе) материалов компонентной группы А в соединении 1, а материалы компонентной группы Г составляют по массе от 0,5 до 7,5% от содержания материалов компонентной группы Б в том же соединении 2. Очевидно, что для соединения 1 и соединения 2 может быть составлен широкий ряд композиций, при условии соблюдения указанных соотношений, в соответствии с которыми конкретное соединение 1 согласуется по составу с конкретным соединением 2. Компонентная группа А содержит эластомерную составляющую матрицы. В качестве материалов компонентной группы А могут функционировать различные каучукоподобные соединения, содержащие изопреноид. Предпочтительным материалом является полусинтетический вулканизированный и хлорированный полимер. Другими словами, углеродные атомы, образующие полимерную цепь, могут нести атомы серы и хлора, связанные с ними ковалентной связью. Применимы также и другие заместители из группы галогенов. Имеющиеся в продаже соединения этого класса включают бутилкаучук, а также полимеры, в частности, предлагаемые под торговыми наименованиями NEOPRENE





Формула изобретения
1. Стойкая к радиации термореактивная композиция, содержащая термоотверждаемую смесь первого соединения и второго соединения, при этом первое соединение содержит смесь материалов группы А и материалов группы В, в которой материалы группы В составляют 5-20% от массы материалов группы А, причем материалы группы А включают соединения-эластомеры, содержащие изопреноид, а материалы группы В включают соединения, обеспечивающие защиту от ядерной радиации, а второе соединение содержит смесь материалов группы Б и материалов группы Г, в которой материалы группы Г составляют 0,5-10% от массы материалов группы Б, причем материалы группы Б включают, по меньшей мере, одно вещество из полиимида, полиимидной смолы, фенольно-платиновой смолы и винильно-платиновой смолы и не превышают по массе содержание материалов группы А в первом соединении, а материалы группы Г включают фенольно-формальдегидную смолу. 2. Стойкая к радиации термореактивная композиция по п.1, отличающаяся тем, что материалы группы В выбраны из группы, состоящей из сульфата бария, карбоната бария, феррита бария, нитрата бария, метабората бария, оксида бария, силиката бария, цирконата бария, акрилата бария, метакрилата бария, алкоксида бария, изопропоксида бария, изопропоксида бария-железа, карбоната свинца, хромата свинца, молибдата свинца, нитрата свинца, ортофосфата свинца, оксида свинца, стеарата свинца, акрилата свинца, метакрилата свинца, карбида вольфрама, карбида титана и йода. 3. Стойкая к радиации термореактивная композиция по п.1, отличающаяся тем, что полимерные материалы группы Г дополнительно включают платиновиниловый полимер. 4. Стойкая к радиации термореактивная композиция по п.1, отличающаяся тем, что материалы группы Г дополнительно включают добавки из группы, состоящей из силикагеля, улавливаемого из дымов, аравийской камеди, оксида магния, оксида циркония, диоксида кремния, оксида кремния, силиката циркония, углерода, оксида железа, фосфата железа, силицида железа, сульфата железа, оксида титана и оксида бериллия. 5. Стойкая к радиации термореактивная композиция по п.1, отличающаяся тем, что соотношение масс первого соединения и второго соединения выбраны таким образом, что масса материалов группы А в первом соединении равна массе материалов группы Б во втором соединении. 6. Стойкая к радиации термореактивная композиция по п.1, отличающаяся тем, что материалы группы Б включают фенольно-платиновую смолу и/или винильно-платиновую смолу.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2