ВНИИЭФ на службе

ВНИИЭФ на службе

Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ВНИИЭФ) был создан в 1946 году для разработки атомного ору­жия. Тогда он носил название КБ-11. С тех пор прошло более 60 лет. На этом пути, коротком по историческим меркам, но насыщенном творческими достижениями, ВНИИЭФ успешно решил все задачи, которые поставило руководство страны перед его коллективом. Поскольку они были сложны и многопрофильны, ВНИИЭФ вошел в ХХI век крупным научно-производственным центром с огромным потенциалом. Теперь он может быть реализован при решении проблем, актуальных для народного хозяйства.

Сегодня мы представляем читателю две разработки ВНИИЭФ. Они являются лишь небольшой частью того научно-технического задела, который ядерный центр может предложить предприятиям, заинтересованным в передовых технологиях.

Превратим отходы в доходы: полые минеральные

микросферы – перспективный материал современной техники

В последние два десятилетия в индустриально развитых странах получи­ли широкое распространение полые микросферы. Они называются также «микро баллонами», «капсулами» И представляют собой мелкодисперсные, сыпучие порошки, состоящие из полых тонкостенных частиц сферической формы, диаметром от нескольких десятков до сотен микрон.

Полые микросферы при меняются в качестве наполнителей самых различных композиционных материалов на основе полимеров, металлов, керамики - для строительной индустрии, авиаци­онной и автомобильной промышленности, производства взрывчатых веществ, в материалах бытового назначения. Материалы с микросферами характеризуются не только малой плотностью, но также рядом других ценных свойств: высокой удельной прочностью на объемное сжатие, низкими значениями диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь в широком частотном диапазоне, хорошей теплолоизолирующей способностью. Введение микросфер не только улучшает качество композиционных материалов, но в отдельных случаях обеспечивает снижение их стоимости по сравнению с не наполненными материалами.

Наиболее перспективными с точки зрения возможности широкого применения, доступности сырья и низкой стоимости являются минеральные микросферы, а именно, микросферы из природных силикатов. В Российской Федерации к настоящему времени такие микросферы в производственной практике не применяются, но из литературы известен постоянно растущий к ним интерес. Он проявляется крупнотоннажными производителями, что делает необходимым разработку и производство максимально доступных и дешевых микросфер. В этой связи для Российской Федерации микросферы из природных силикатов могут считаться перспективными, поскольку страна обладает значительными запасами необходимого минерального сырья, а также развитой инфраструктурой его промышленного использования практически в каждом регионе. К ним относятся микросферы, извлекаемые путем частичной переработки зольных отходов электростанций, и микросферы, образующиеся при термической обработке широко известного в промышленности минерала - перлита. Такие микросферы, являясь аналогом известных стеклянных микросфер, обладают определенными преимуществами перед ними: относи­тельно низкой стоимостью, высокой прочностью, низкой плотностью, лучшей стойкостью в агрессивных средах и при повышенных температурах.

При сжигании углей на электростан­циях образуются минеральные отходы, так называемые золы уноса, которые гидротранспортными системами выводятся на золоотвалы электростанций, представляющие собой водные бассейны. Микросферы, являясь частью золы уноса и имея плотность менее 1 г/смЗ, самопроизвольно скапливаются на поверхности водных бассейнов золоотвалов и находятся там в виде пенных слоев толщиной от нескольких санти­метров до одного метра (рис.1 и 2).

В период 1996-1998 гг. специалистами технологического отделения РФЯЦ-ВНИИЭФ были обследованы золоотвалы свыше 40 крупнейших электростанций Российской Федерации, сжигающих угли различных мес­торождений.

Проведенный мониторинг позволил собрать уникальный, ранее не публиковавшийся фактический материал об образовании и скоплениях зольных микросфер на электростанциях, об их свойствах, выявить основные закономерности в процессах формирования микросфер и факторы, влияющие на их образование. На рис. 3 при водятся данные о региональном распределении источников зольных микросфер.

Практически все основные промыш­ленные регионы России обладают потенциалом, обеспечивающим возможности производства и использования зольных микросфер либо в качестве сырья для местной промышленности, либо для крупнотоннажных отраслей, либо как экспортную продукцию. Широкий диапазон возможных областей промышленного использования зольных микросфер определил выбор изученных параметров микросфер – это химический состав, структурно-механические, теплофизические, диэлектрические свойства, химическая стойкость и уровень естественной радиоактивности, всего более 20 параметров.

Фактические материалы о свойствах микросфер, методах контроля, условиях образования и ресурсах микросфер на электростанциях значительно превосходят объем обычной публикации. Поэтому на основе полученных результатов была создана специальная компьютерная база данных«Зольные микросферы Российской Федерации».

В настоящее время разработкой технологий производства микросфер из природного сырья занимаются в разных странах, причем внимание разработчиков сосредоточено не только на получении зольных микросфер, но также и микросфер из вспучивающихся горных пород, в частности, перлита – широко распространенной вулканической породы. Перлит имеет высокое содержание оксидов кремния, алюминия, натрия в виде стеклообразной фазы, при этом кристаллические компоненты – полевой шпат и кварц присутствуют незначительно, что благоприятно влияет на реологические свойства частиц при нагревании. Содержащаяся в перлите (до 6 % масс.) кристаллизационная вода при высоких температурах выполняет роль газообразователя.

Эксперименты по изготовлению микросфер проводились на вертикальной трубчатой печи при температурах до 17000С на перлитах различных месторождений России, Украины, Турции, Греции. Были получены микросферы с плотностью менее 0,06 г/см3.

На рис. 4 представлена рентгенограмма, иллюстрирующая полиячеистую структуру перлитовых микросфер.

Необходимо отметить, что важным достоинством перлитового сырья является возможность получения микросфер крайне низкой плотности < 0,1 г/см3, что для стеклянных микросфер достигается с трудом. Необычайная легкость перлитовых микросфер позволяет успешно использовать их для решения важнейшей задачи промышленности взрывчатых веществ гражданского назначения - создания устойчивых патронированных эмульсионных составов. Перлитовые микросферы в эмульсии, состоящей из водного раствора аммиачной селитры и нефтепродукта, создают пористую среду с равномерно распределенными по объему воздушными микрополостями, при сжатии которых во фронте детонационной волны из-за сильного нагрева вещества образуются очаги химической реакции. Исследования комплекса физико-химических свойств таких составов с добавлением перлитовых микросфер, проведенные в нескольких лабораториях России и Западной Европы, показали, что микросферы, созданные в технологическом отделении РФЯЦ-ВНИИЭФ, успешно сочетают технические и коммерческие показатели и могут использоваться для сенсибилизации эмульсионных взрывчатых веществ.

Специалистами РФЯЦ-ВНИИЭФ ведется разработка материалов на основе микросфер из природных силикатов для различных областей техники. Так, например, на основе силиката натрия и зольных микросфер разработан теплоизоляционный материал«Сферолит» (рис.5).

В готовом виде он представляет собой низкоплотный, жесткий, мелкопористый материал, хорошо поддающийся механической обработке. «Сферолит» не содержит ни одного горючего компонента и является удачной альтернативой асбестосодержащим материалам. Он может быть использован в качестве огнестойкой теплоизоляции в различ­ных инженерных конструкциях.

На основе цементного вяжущего и микросфер разрабатывается перспективный теплоизоляционный и конструкционный материал «Сферобетон» для изготовления защитных слоёв в контейнерах при транспортировке и хранении делящихся материалов. Замена в стандартном бетоне кварцевого песка на зольные микросферы привела к существенному снижению плотности бетона (с 2,1 до 0,9 г/смЗ) практически без потери прочностных свойств.

Совокупность физических и химических свойств микросфер из при родных силикатов делает их ценным компонентом композиционных материалов, но максимальная реализация всех свойств наполнителя и матрицы возможна только при оптимальной адгезии, добиться которой с учетом разнообразия химической при роды различных связующих затруднительно. Например, в случае полимерной матрицы невозможно образование прямых химических связей, так как органический полимер с ковалентными связями и микросферы с ионными являются разнородными материалами. Хорошая адгезия между материалами разной природы может быть достигнута путем соответствующей обработки поверхности микросфер. Модификация сводится к нанесению промежуточного слоя между матрицей и наполнителем, концевые части молекул которого обладают адгезией как к органическим, так и неорганическим материалам. Применяемые в этом случае методы модификации поверхности позволяют сделать наполнитель не инертным, а активным участником вяжущей системы. Обрабатывая микросферы определенными химическими соединениями, можно улучшить многие физические характеристики композитов, изготовленных на основе как органических, так - и неорганических связующих.

Еще одним важным применением микросфер может быть иммобилизация и консервация радиоактивных отходов. На основе зольных микросфер, имеющих модифицированную

1. Плотность, кг/м3 2. Прочность при сжатии, МПа 3. Прочность на изгиб, МПа 4. Температура плавления, ос 5. Теплопроводность, Вт/м К 6. Водопоглощение, вес. %

400-550 1,6-3,5 1,7-2,7 1100 0,093-0,171 21-30

различными ионообменными реагентами поверхность, возможно получение нового, относительно дешевого ионообменного материала широкого спектра действия, обеспечивающего оптимальное использование сорбентов в тонком поверхностном слое и обладающего физико-химической устойчивостью природного силикатного материала. Микросферы с нанесенным тонким слоем неорганического сорбен­та высокой радиационной стойкости способны адсорбировать 70 Кu Cs на1 кг веса микросфер. Через колонну, заполненную 1 кг такого сорбента, можно про пустить около 100 000 л среднерадиоактивного раствора (примерно10-4 Кu/л) до полной его очистки от

радиоактивных компонентов. Малое гидравлическое сопротивление слоя микросфер позволяет использовать высокие линейные скорости потоков жидкости. Такой материал обеспечива­ет комплексное решение задачи иммобилизации и консервации радиоактивных отходов, при этом осуществляется эффективное экологическое решение проблемы: использование доступных и масштабных отходов топливно-энергетического комплекса для захоронения отходов атомной промышленности.

Анализ современных тенденций в технологиях полых микросфер, а также результаты собственных исследований дают основание полагать, что минеральные микросферы являются современным перспективным материалом, и проведенная работа создает хороший задел для формирования полномасштабных инвестиционных проектов.

Валерий ДРОЖЖИН, к. т.н.,

начальник лаборатории РФЯЦ - ВНИИЭФ