Российские инженеры разработали новый вид защиты от нейтронного излучения. Созданный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена включает в себя изотоп бора-10, благодаря чему замедляет быстрые нейтроны. Малая масса и устойчивость к условиям открытого космоса позволят использовать материал в качестве покрытия для скафандров, защищающего от излучения.
Ядерные реакторы, ускорители и открытый космос представляют собой источники разных видов излучения. Опасность для человека можно оценить по длине пробега частицы и передаваемой биологическим тканям энергии. Альфа-частицы способны проникнуть в наше тело на сотые доли миллиметра, бета-частицы на — 2,5 см. Быстрые нейтроны представляют собой отдельный вид излучения. Они обладают высокой энергией и могут проходить расстояние в биологических тканях до 10 см.
Такой вид излучения особенно опасен для людей, работающих рядом с реакторами, так как в атмосфере Земли быстрые нейтроны преодолевают примерно 120 м, прежде чем столкнуться с достаточным количеством ядер атомов или протонов и потерять из-за этого энергию. Однако входящие в состав космического излучения нейтроны претерпевают столкновения значительно реже, поэтому они могут преодолеть миллионы километров в космическом пространстве, сохранив энергию. Таким образом, быстрые нейтроны представляют собой значительную угрозу для здоровья космонавтов.
Защититься от этого вида излучения не так просто, поскольку все материалы плохо его поглощают. Поэтому ученые придумали делать многослойные материалы, чтобы постепенно изменять энергию нейтронов и таким образом делать их более податливыми к поглощению.
Первый слой, где происходит замедление быстрых нейтронов, состоит из элементов с малой атомной массой: воды, парафина, полиэтилена, бетона, гидридов металлов. Второй слой предназначен для поглощения медленных нейтронов. Он включает в себя такие элементы, как бор, кадмий, гафний, европий. Процесс поглощения сопровождается гамма-излучением. И для его ослабления предусматривается третий слой, состоящий из тяжелых металлов или эквивалентных им материалов.
Но вещества, применяемые на первом этапе, имеют свои недостатки. Вода может вытекать, испаряться, поэтому ее носитель требует серьезной гидроизоляции. Парафины легко плавятся, бетоны обладают высоким удельным весом, гидриды металлов дорогие. Поэтому российские ученые озадачились созданием нового материала без недостатков других используемых веществ.
— Мы предложили использовать изотоп бор-10 в качестве составной части защитных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, — рассказал директор по развитию «ТД Пластмасс Групп» Дмитрий Лошадкин. — Изотоп бор-10 позволяет обеспечить высокоэффективную нейтронную защиту, в сотни раз превосходящую бетон.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен в качестве базового материала был выбран благодаря его сроку службы в 50 лет. Также он хорошо совместим с соединениями бора, используемыми для усиления поглощающей способности нейтронной защиты.
Основная проблема при создании наполненных материалов — необходимость обеспечить однородность распределения бора в объеме полимера. В противном случае нейтроны будут проскакивать через места полимера с недостаточной концентрацией бора, и уровень безопасности нейтронной защиты понизится.
Технология включает двухстадийную схему наполнения полимера соединениями бора, объяснил главный технолог «ТД Пластмасс Групп» Алексей Дуданов. По его словам, гранулы наполняются бором при производстве, и затем дополнительно бор вносится в материал в виде нанопорошков.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен — один из самых тяжелых в обработке современных полимеров, потому при наполнении его бором используют ультразвук высокой интенсивности. Благодаря этому впервые в мировой практике удалось совместить формирование структуры полимерного материала и процесс распределения наполнителя в объеме полимера.
Помимо защиты на ядерных объектах, сверхвысокомолекулярный полиэтилен можно использовать для предохранения от радиации в космосе. Даже в условиях низких температур этот материал сохраняет структуру и большую часть спектра своих физико-механических свойств. То есть даже в открытом космосе он будет поглощать нейтронное излучение.
— Новый материал действительно перспективен с точки зрения защиты от радиации, тем более если удалось совместить его с бором-10, — прокомментировал и.о. декана химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, член-корреспондент РАН Степан Калмыков. — Но для подтверждения возможности использования его в космосе нужны дополнительные испытания.
По словам Степана Калмыкова, дело не только в устойчивости к низкой температуре. Важно, насколько встраивание бора изменило прочностные характеристики полимера и как такой композит сможет выдержать сочетание вакуума со сверхнизкой температурой с одной стороны и атмосферного давления при комнатной температуре — с другой.