§ 3. Бетон для защиты от радиоактивных излучений

Бетон предназначается для конструкций биологической защиты атомных электростанций, предприятий по производству и переработке изотопов и т. п.

Защитная конструкция энергетических ядерных реакторов может иметь различную форму, но чаще применяется цилиндрическая (рис. 103). Из активной зоны идет поток нейтронов и у-лучей.

Рис. 103. Вертикальный бетонный цилиндрический корпус реактора АЭС со сферической внутренней поверхностью (по А. Н. Кемеровскому): 1 — арматурные тросы, осуществляющие предварительное напряжение бетонного корпуса; 2 — парогенераторы; 3 — тепловая защита; 4 — активная зона; 5 — загрузочные трубы; 6 — станционное оборудование; 7 — ребра (з которых закреплена наружная спиральная предварительно напряженная арматура); 8 — газодувка

Нейтронный поток включает быстрые, промежуточные и тепловые нейтроны. Поглощение нейтронов в графите, стали и бетоне сопровождается образованием захватного у-излучения, которое учитывается в расчетах защиты (рис. 104).

Рис. 104. Схема защиты реактора (по А. Н. Комаровскому): а — активная зона; 6 — графит; в — стальной корпус; г — бетон

Защитные свойства бетонов определяются в основном плотностью (объемной массой бетона )и содержанием связанной воды, являющейся замедлителем нейтронов. Для биологической защиты наряду с тяжелым бетоном применяют особо тяжелые бетоны с объемной массой 2500 — 6000 кг/м3. Гидратные бетоны содержат повышенное количество связанной воды (более 3% по массе). В борсодержащих бетонах бор входит в состав вяжущего, заполнителей или специальных добавок.

Материалы, применяемые для сооружения бетонной защиты, должны обеспечить возможно большую объемную массу бетона и определенное содержание водорода — обычно в виде воды, связанной с вяжущим.

Цементы. Применяют портландцемент или шлакопортландцемент, который выделяет при гидратации немного тепла и поэтому хорошо зарекомендовал себя в массивных защитных конструкциях. В качестве заполнителей используют тяжелые природные или

искусственные материалы. Для особо тяжелого бетона применяют

в качестве заполнителя близкие по своим свойствам железные руды — магнетит (Fe304) и гематит с содержанием железа не менее 60%. Бурый железняк (лимонит) Fe203-nH20 позволяет значительно повысить содержание связанной воды в гидратном бетоне. Баритовые руды (или барит), содержащие около 80% сульфата бария применяют в качестве мелкого и крупного заполнителя.

Металлический крупный заполнитель получают из отходов металлообрабатывающих заводов, мелким заполнителем служит кварцевый или лимонитовый песок, а также чугунная дробь. Свинцовая дробь дорогая и ее применяют при малой толщине защиты для заделки отверстий в конструкциях, когда требуется бетон с повышенными защитными свойствами. Объемная масса бетона на металлическом заполнителе достигает 6000 кг/м3.

Бетон должен иметь заданную марку по прочности и относительно низкий модуль упругости, что позволяет снизить величину растягивающих напряжений во внешней зоне защиты, вызываемых односторонним нагревом. Кроме того, бетон, расположенный у активного корпуса реактора, должен обладать достаточной стойкостью к воздействию излучений, быть огнестойким и жаростойким даже при температурах, возможных при аварийном режиме реактора. Для массивных конструкций желательна меньшая теплота гидратации цемента и минимальная усадка бетона (для предотвращения температурных и усадочных трещин), а также небольшая величина коэффициента температурного расширения.

Механические свойства особо тяжелых магнетитового, гематитового, лимонитового и баритового бетонов близки. Особо тяжелый бетон имеет марки по прочности Ml00, М200 и МЗОО, при этом марки на осевое растяжение составляют Р10, Р20.

В качестве дополнительной характеристики бетона, которую учитывают в расчете толщины защиты, подбирают количество связанной воды {В), исходя из того, что она связывается цементом или входит в состав заполнителя (лимонита, серпентина).

В табл. 35 приведены примерные составы особо тяжелого бетона на разных заполнителях.

Таблица 35 Примерные составы и объемная масса особо тяжелого бетона

Наименование	Расходы материалов, кг/м3, при изготовлении бетона
	с железной рудой		с металлическим заполнителем (дробь, обрезки стали)
Цемент	389		395
Мелкий заполнитель	1365		2637
Крупный заполнитель	1762		2637
Вода	184		170
Объемная масса бетона	3700		5839