Beton je již dlouhou dobu považován za vynikající materiál pro ochranu před účinky ionizujícího záření. Jeho efektivita a ekonomická dostupnost z něj činí klíčovou komponentu stínících konstrukcí v mnoha aplikacích, od rentgenových pracovišť po jaderné elektrárny.
Typy betonu a jejich specifické využití pro stínění
Pro různé typy záření a specifické požadavky na stínění se používají odlišné druhy betonu. Obecně lze rozlišovat mezi těžkými betony a betony s přísadami pro specifické účely.
Těžké betony
Pod pojmem těžké betony rozumíme betony, jejichž objemová hmotnost je větší než ρ = 2 600 kg/m3. Vysoké objemové hmotnosti betonu je dosaženo použitím vhodného těžkého kameniva. Těžké betony se dají použít jako „zátěžové“ tam, kde je zapotřebí koncentrovat velkou hmotnost na malém objemu. Největší rozšíření a význam však těžké betony mají jako materiál pro stínění zdrojů ionizujícího záření - stínící betony.
U jaderných reaktorů a u zdrojů brzdného záření vysokých energií se kromě záření gama tvoří ještě neutronové záření, kde principy jeho zeslabování jsou rozdílné od principu zeslabování záření gama. Neutronové záření je zeslabováno na jádrech lehkých prvků a nejúčinnější jsou právě jádra vodíku (H2) a to právě ve formě, kdy jsou ve sloučenině s kyslíkem jako voda (H2O).
Podstata těžkého betonu je založena na použití kameniva o vysoké specifické hmotnosti jako jedné z jeho výrobních složek. Nejčastěji to bývá drcený baryt, mohou to však být i různé železné rudy nebo doplňkově litinová drť, popř. sekané kousky železa.
Čtěte také: Vše o stínění a strukturovaných fasádách
- Barytový beton: Je vhodný především pro stínění rentgenových pracovišť s rentgeny do energie 500 kV. Jako kamenivo se používá baryt (těživec) BaSO4, který je v kamenivu obsažen v různé koncentraci.
- Beton s železnými rudami:
- Limonit (hnědel): Směs oxidů a hydroxidů železitých (Fe2O3 . n H2O), má nahnědlou barvu.
- Hematit (krevel): Oxid železitý (Fe2O3), cihlově červené barvy, obsahuje až 70 hmotnostních % železa.
- Magnetit (magnetovec): Oxid železnato-železitý (Fe3O4), je černé barvy a nejbohatší železná ruda (obsahuje až 72 % železa). Měrná hmotnost je až 5 200 kg/m3.
- Ilmenit: Oxid železotitaničitý (FeO . TiO2) - titanová ruda.
- Beton s litinovou drtí nebo sekaným železem: Kamenivo tohoto betonu je nahrazeno litinovou drtí nebo sekaným železem. Tento beton se však vyrábí a zpracovává velmi těžko.
- DUCRETE (beton z ochuzeného uranu): Ochuzený uran (DU - depleted uranium) se nachází ve velkém množství jako odpadní materiál. Vhodně upravený oxid uranu lze použít jako kamenivo do betonu, z něhož vyrobený beton DUCRETE dosahuje objemové hmotnosti ρ = 6 400 kg/m3.
Betony pro neutronové stínění
Pro neutronové záření se do betonu přidávají lehké prvky (vodík - voda, plasty) nebo serpentinity (stabilní při vysokých teplotách). Beton z těžkého kameniva a kameniva s obsahem vodíku zeslabuje záření gama a rychlé neutrony. Neutronové záření je zeslabováno na jádrech lehkých prvků a nejúčinnější jsou právě jádra vodíku, a to ve formě, kdy jsou ve sloučenině s kyslíkem jako voda (H2O).
V některých případech je však vyžadováno, aby stínící vlastnosti betonu nepoklesly ani při vyšších teplotách (jaderné reaktory). K takovým materiálům patří serpentinity. Serpentinitové horniny obsahují azbest (3 MgO . 2 SiO2 . 2 H2O), který je schopen dlouhodobě uchovávat svoji krystalizační vodu až do teploty 450 °C. Serpentinitové kamenivo se používá v případech, kdy se předpokládá vnitřní teplota betonu vyšší než 95 °C.
Borovaný beton
Vyhovujícím prvkem pro záchyt tepelných neutronů bez následného vzniku vysokoenergetického sekundárního záření gama je izotop 10B, který je obsažen v horninách, anebo se přidává jako umělá přísada. Bór může být přidáván do obyčejného a těžkého betonu různými způsoby, nejlépe ve formě písku o velikosti zrna 0,5 až 2,5 mm. Doporučuje se podíl 0,9 až 1 % bóru vztaženo na hmotu betonu. Bor je vynikající pohlcovač neutronů díky vysoké účinnosti svého izotopu 10B.
Aplikace betonu v jaderných zařízeních
Beton hraje klíčovou roli v jaderných zařízeních pro stínění ionizujícího záření a ochranu citlivých komponent i personálu.
Projekt ITER a speciální borovaná malta
V budově Tokamaku ITER, který se právě staví v jižní Francii, se nacházejí speciální místnosti s citlivou elektronikou. Ta vyžaduje ochranu před neutronovým a gama zářením, které bude ITER za provozu produkovat. Když není proveditelné přemístit citlivé zařízení mimo tokamak nebo implementovat radiační kalení elektronických součástek a obvodů, je hlavní strategií dodatečné stínění ke zmírnění radiačních rizik.
Čtěte také: Složení betonu
Společnost ITER uzavřela smlouvu se společností Lemer Pax na vývoj první malty svého druhu s názvem Borated MORTAR 075. Malta sice používá standardní cement, ale obsahuje dosud zcela neznámou směs kameniva s optimalizovaným obsahem vodíku pro zpomalení neutronů a s obsahem boru, který absorbuje neutrony. Celkem bylo nalito 48 m3 malty, aby se na podlahách obou místností vytvořila 20 cm tlustá vrstva pro ochranu před zářením.
Stínicí beton v jaderných elektrárnách
V jaderných zařízeních je největší pozornost upřena na kontrolu palivových souborů, heterogenních svarů a jiných stěžejních oblastí. Důležitý konstrukční beton tvoří obálku reaktoru, tzv. kontejnment, a také základy a stropy reaktorového sálu, až několik metrů mocné. Beton biologické ochrany nebo též biologického stínění je určen k ochraně (nejen personálu) před účinky tvrdého neutronového záření.
Biologické stínění se nachází v elektrárně co nejblíže reaktoru. K jeho výrobě se používá kamenivo s vyšším obsahem vodíkových jader. U reaktorů typu VVER býval v zemích Varšavské smlouvy používán serpentinit čili hadec. Jeho chemické složení je Mg3Si2O5(OH)4 a právě vodík v něm obsažený umožňuje záchyt neutronů.
Cílem projektu Centra výzkumu Řež s.r.o., Červenka Consulting s.r.o. a ČVUT je experimentálně vyšetřit vliv velikosti neutronového toku při stejné konečné fluenci na úroveň poškození betonů používaných pro stínění ionizujícího záření. Vytvořený soubor experimentálních dat, použitelný nejen pro existující jaderná zařízení, bude získán při konečných fluencích odpovídajících 80 letům provozu komerčních jaderných zařízení.
Kontrola kvality a nedestruktivní zkoušení betonu
Bezpečnost konstrukcí se zdroji ionizujícího záření závisí především na homogenitě stínícího materiálu. Pro stanovení homogenity stínících betonů lze využít různých metod.
Čtěte také: Betonová dlažba Brož
Metody kontroly na stavbě
Úkolem průběžné kontroly je stav zhutněné betonové směsi zjistit a sjednat případnou nápravu. V případě, že průměrná objemová hmotnost v měřeném místě by byla nižší než projektovaná objemová hmotnost, bylo by toto místo ještě znovu zhutněno ponornými vibrátory, popř. by byla okamžitě přijata opatření na zlepšení kvality vyráběného betonu.
Již od 60. let 20. století se tehdejší Ústřední středisko radiační defektoskopie VUT v Brně zaměřovalo na konstrukci vpichovacích radiometrických přístrojů - hutnoměrů, které se jevily jako optimální pro kontrolu zhutnění čerstvých betonových směsí. Dříve používaný materiál, olovo Pb, byl nahrazen ochuzeným uranem U238, který je relativně levný a dostupný, poněvadž je využíván odpad vznikající při výrobě paliva pro jaderné reaktory. Při stejných stínících účincích činí hmotnost stínění z uranu cca 1/4 hmotnosti stínění z olova.
Nedestruktivní zkoušení ozářeného betonu
Největší účinky záření je možné pozorovat u vnitřního povrchu prstence biologického stínění reaktoru. Zhruba ve vzdálenosti 90 mm od vnitřního povrchu betonu jsou v reaktorech typu VVER umístěny ionizační kanály pro detekci neutronového záření. Jednou z možností nedestruktivního testování je využití těchto kanálů pro zavedení ultrazvukových nebo jiných sond a měření přímo v místě největšího poškození betonu radiací.
ÚJV Řež, a. s., proto společně se Stavební fakultou ČVUT vytvořily modely šachty reaktoru ETE 1 : 1. Modely slouží pro přípravu nedestruktivních metod před měřením v prostředí s ionizujícím zářením. Existují případy (u USA, ve Španělsku či v Německu), kde byly z odstavené jaderné elektrárny postupně demontovány kontaminované komponenty, mezi nimiž byly i části železobetonových konstrukcí.
Nelineární ultrazvukové metody
V současné době se zaměřujeme na vývoj nedestruktivní metody měření nelineárních parametrů materiálu pomocí ultrazvukových přístrojů. Nelineární ultrazvukové metody jsou v dnešní době rozšířené pro homogenní materiály typu oceli, případně keramiky. Takové chování v betonu mohou způsobovat zejména mikrotrhliny, nicméně velká část nelineární odezvy je způsobena nehomogenitou samotného materiálu.
Principem metody NWMS je míchání dvou různých signálů o frekvencích f1 a f2 uvnitř materiálu. V našem případě se osvědčilo míchat frekvence 153 a 180 kHz, přičemž výsledná pozorovaná frekvence byla součtová 333 kHz. Čím je větší amplituda součtového signálu vzhledem ke dvěma budícím amplitudám, tím větší nelineární odezvu materiál vykazuje.
Byly pozorovány změny nelineárního koeficientu β před a po poškození betonu tepelným šokem, při kterém bylo dosaženo 400 °C během 25 minut. Modul pružnosti se změnil z 30 GPa na 10 GPa, tj. poklesl o 70 %. Nelineární metody jsou velmi citlivé nejen na namáhání teplotní, ale také na mechanické nebo radiační.
Statistické vyhodnocení kvality betonu
Naměřené hodnoty objemové hmotnosti betonové směsi ve zkušební nádobě a v bednění v průběhu betonáže se přímo na místě zapisují do připravených půdorysných schémat objektu. Jako příklad lze uvést kontrolu objemové hmotnosti ukládané betonové směsi na stavbě biologického stínění radioterapeutického objektu v areálu nemocnice v Novém Jičíně. Výsledky měření byly počítačově zpracovány.
Z celého souboru měření bylo provedeno statistické vyhodnocení pro jednotlivé vrstvy a nakonec pro celé stěny a stropy. Vypočtené hodnoty byly přehledně sestaveny do tabulek.
| Parametr | Vzorek A | Vzorek B | Vzorek C |
|---|---|---|---|
| Směrná objemová hmotnost (ρ0) | 2800 kg/m3 | 2750 kg/m3 | 2820 kg/m3 |
| Směrodatná odchylka (s) | 50 kg/m3 | 60 kg/m3 | 45 kg/m3 |
| Zaručená objemová hmotnost (ρg) | 2718 kg/m3 | 2652 kg/m3 | 2746 kg/m3 |
Na základě znalosti směrné objemové hmotnosti ρ0 a směrodatné odchylky s lze vypočítat zaručenou objemovou hmotnost stínícího betonu ρg. Ta se rovná směrné objemové hmotnosti ρ0 snížené o 1,64násobek směrodatné odchylky s. Zaručená objemová hmotnost ρg, použitá jako vstupní hodnota při výpočtech a při hodnocení, je objemová hmotnost, které není s 95% pravděpodobností dosaženo pouze v 5 % měření.
tags: #neutrony #stineni #beton