Как радиационное излучение влияет на характеристики бетона

Большинство исследований игнорируют гамма-излучение, поскольку оно мало влияет на прочность и другие свойства бетона. Всё внимание в основном направлено на второй тип излучения: нейтронное

Большинство действующих атомных электростанций в мире были введены в эксплуатацию несколько десятилетий назад. Одним из технических факторов старения АЭС является ухудшение характеристик бетона, из которого они построены. Поэтому важно понимать, как меняются свойства бетона под воздействием радиации, чтобы сформулировать обоснованные технические решения, нацеленные на повышение безопасности АЭС и снижение ущерба от нее окружающей среде.

Использование бетона при строительстве АЭС

На протяжении десятилетий на АЭС из бетона строятся защитные оболочки реакторов, которые защищают их от аварий и стихийных бедствий. Их толщина может достигать 2 метров. Бетон выполняет роль и биологической защиты, снижая уровень радиации вокруг реактора до уровней, безопасных для человека.

В зависимости от заданной функции на АЭС используется различные бетонные смеси. Бетон, который используется в качестве биологической защиты, должен обладать определенными свойствами, учитывая его близость к корпусу реактора.

Ядерное излучение влияет на свойства материалов, в том числе на механические характеристики бетона. Поэтому крайне важно знать критическую дозу облучения, при которой неизменными остаются прочность материала при сжатии и растяжении, его эластичность, тепловые и защитные свойства.

Типы радиационного излучения

Существуют разные типы излучения: гамма-лучи, которые с трудом вытесняют атомы, что делает их относительно безопасными для бетона. Большинство исследований игнорируют гамма-излучение, поскольку оно мало влияет на прочность и другие свойства бетона. Всё внимание в основном направлено на второй тип излучения: нейтронное.

Под нейтронным излучением понимается испускание электрически нейтральных частиц, которое происходит в результате радиоактивного распада тяжелых элементов с большим количеством нейтронов, чем протонов. Его можно разделить на два основных типа, которые характеризуются медленными и быстрыми нейтронами.

Быстрые нейтроны имеют энергию выше 0,1 МэВ (мегаэлектронвольт), иногда превышая даже 1 МэВ, тогда как медленные нейтроны обладают энергией до нескольких эВ. Существующие экспериментальных данные и отсутствие доказательств говорят о том, излучение каких нейтронов более вредное: быстрых или медленных. Однако важно знать, что рядом с быстрыми нейтронами всегда есть медленные.

Доступная информация о воздействии радиационного излучения на бетон

Ранние исследования на тему разрушения бетона под воздействием радиации в целом привели к нескольким интересным открытиям. Первое и наиболее важное - это то, что для типичного бетона критическое значение плотности энергии нейтронного излучения, выше которой снижается прочность материала при сжатии и растяжении, составляет около 1 × 10¹⁹ n/ см². [1]

Это же исследование показывает, что доза облучения в корпусе реактора достаточно высока, чтобы вызвать разрушение бетона. Дополнительные данные характеризуют отдельные эффекты, которые возникают под воздействием быстрых или медленных нейтронов. Например, модуль упругости бетона, который подвергся облучению, оказался на 10-20% ниже, когда плотность энергии быстрых нейтронов достигла значений от 7 × 10¹⁸ до 3 × 10¹⁹ n/ см², чем его необлученный вариант, и подобное процентное изменение происходит, когда плотность энергии медленных нейтронов составляет около 3 × 10¹⁹ n/ см². [2]

Подсчитано, что на биологическую защиту бетона будет воздействовать плотность энергии нейтронов на таких уровнях, которые снизят механические характеристики материала после 40 лет его эксплуатации, и именно тогда сведения о составе бетона будут использоваться при оценке риска при продлении срока службы АЭС. Однако некоторые бетонные смеси более устойчивы к радиации, чем другие, поэтому срок безопасной эксплуатации реактора может быть выше.

Ссылки:

1. H. K. Hilsdorf, J. Kropp, and H. J. Koch, Der Einfluss radioaktiver Strahlung auf die mechanischen Eigenschaften von Beton (Ernst u. Sohn, 1976) ["The Effects of Nuclear Radiation on the Mechanical Properties of Concrete,"American Concrete Institute, Special Publication 55, 223 (1978)];

2. B. Pomaro, "A Review on Radiation Damage in Concrete for Nuclear Facilities: From Experiments to Modeling," Model. Simul. Eng. 2016, 1, (2016).

Источник: Stanford University