Каким образом материал защищает от опасного излучения

Разработку выполнили специалисты Института наукоемких технологий и передовых материалов Дальневосточного федерального университета совместно с коллегами из Сахалинского государственного и Томского политехнического университетов, а также Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН. Об этом «Известиям» сообщили в Минобрнауки РФ.

Как объяснили исследователи, тепловые нейтроны — это опасные компоненты радиоактивного излучения, которые, в частности, возникают в результате воздействия космических лучей (частиц высоких энергий) на элементы конструкции космического аппарата. Для людей эти частицы представляют опасность, поскольку легко проникают вглубь живых тканей, повреждая клетки и молекулы ДНК. Со временем это может привести к раку, лучевой болезни и другим заболеваниям.

Кроме того, в электронных устройствах тепловые нейтроны могут изменить электрофизические параметры, что провоцирует ошибки в памяти процессоров и нарушает работу микросхем. Это влечет за собой сбои в работе приборов, показаниям которых доверять уже нельзя. Также опасные частицы накапливаются в предметах, делая их радиоактивными и непригодными к дальнейшему использованию.

Чтобы защитить людей и технику, ученые синтезировали новый композит, который эффективно поглощает тепловые нейтроны. При этом материал обладает легкостью и прочностью, необходимыми для применения в составе космических конструкций. Разработка оказалась на два порядка дешевле зарубежных аналогов.

— К примеру, в американском космическом агентстве разрабатывают материал на основе нанотрубок нитрида бора, но его производство чрезвычайно дорого — до $1 тыс. за грамм. Наша задача состояла в том, чтобы получить композит со схожими или лучшими свойствами, но в 100–200 раз дешевле. Мы предложили керамо-металлические композиты системы LaB6-Al-Mg, спеченные по технологии электроимпульсного плазменного спекания, — рассказал «Известиям» руководитель исследования, сотрудник лаборатории ядерных технологий ИТПМ ДВФУ, заведующий лабораторией СахГУ Олег Шичалин.

Он пояснил, что бор в составе материала эффективно захватывает нейтроны, а металлическая матрица обеспечивает прочность. При этом он пригоден для механической обработки.

Как показали испытания, слой материала толщиной в 2 мм ослабляет поток тепловых нейтронов в два раза, добавил ученый. Достигнутые характеристики делают разработку перспективной для создания элементов космических аппаратов, а также оборудования для ядерной медицины, атомной энергетики и других применений.

Как испытать защиту на Российской орбитальной станции

— Методы защиты от тепловых нейтронов в земных условиях стандартные. Один из них — взять что-то потолще и применить в составе герметичной оболочки, например специальные бетоны. Также используют вещества, которые способны поглотить тепловые нейтроны. Например, изотоп бора-10 захватывает эти частицы и превращается в изотоп бора-11. Такие решения, в частности, востребованы в системах управления и защиты атомным реактором. Второй подход более логичен для космических аппаратов, где важен критерий массы, — рассказал «Известиям» директор по разработке научно-технических проектов единого отраслевого тематического плана частного учреждения «Наука и инновации» (входит в «Росатом») Иван Сафонов.

Вся сложность разработки заключается в том, чтобы довести материал до промышленной стадии, добавил он. Для этого требуются экспериментальное обоснование, проведение аттестации, подготовка нормативной документации и подтверждение заявленных характеристик производительности на конкретных предприятиях. При этом применение нового материала в космической отрасли остается открытым вопросом, поскольку требует комплексного понимания поставленной задачи. Не исключено, что в ряде случаев целесообразнее отказаться от композитных решений в пользу традиционных конструкций с увеличенной долей поглотителя, например в резиновой матрице. Подобные материалы, отметил он, уже разработаны в «Росатоме».

— Больший вклад в нейтронную компоненту радиационной дозы для космонавтов дают быстрые нейтроны. Но для электроники могут быть опасны и тепловые (медленные). В частности, эти частицы захватываются ядрами материалов, что приводит к образованию радиоактивных изотопов и влияет на свойства компактных современных микросхем, нарушая их работу, — пояснил член-корреспондент РАН, руководитель лаборатории нейтронной и гамма-спектроскопии отдела ядерной планетологии Института космических исследований РАН Максим Литвак.

По его словам, достоинство разработки в том, что ученые нашли оптимальный способ ввести боро-керамику в алюминиевый сплав. Полученный материал сохраняет прочность и легкость, необходимые для конструкций космического корабля, и при этом хорошо поглощает тепловые нейтроны.

Ученый отметил, что сейчас на МКС проводят эксперимент «БТН-М2» (второй этап эксперимента «БТН-нейтрон»). В его основе — прибор с детекторами нейтронного и гамма-излучения со съемными экранами. Установка предназначена для тестирования защиты от нейтронного излучения. По мнению специалиста, новый материал можно попробовать испытать в качестве материала для такого экрана. Эта возможность представится на будущей российской орбитальной станции «РОС», где планируют продолжить эксперимент.

— Разработка может быть востребована для защиты персонала и оборудования вблизи реакторов атомных станций и в хранилищах отработанного топлива, а также в атомных подводных лодках и ледоколах. Кроме того, новый материал будет полезен при изготовлении медицинской техники для лучевой терапии или для радиологических исследований, — полагает заведующий лабораторией перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем Томского политехнического института Егор Кашкаров.

По его мнению, в будущем ожидается появление мобильных источников атомной энергии, таких как малые ядерные реакторы, «атомные батарейки» нового поколения и другие. Эти технологии также потребуют компактных надежных систем защиты от нейтронного и гамма-излучения.

В перспективе, по его мнению, следует ожидать появления мобильных источников атомной энергии — малых ядерных реакторов, «атомных батареек» нового поколения и других подобных решений. Развитие этих технологий потребует создания компактных и надежных систем защиты от нейтронного и гамма-излучения, резюмировал он.