ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЙТРОННО-ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ЭЛАСТИЧНОГО ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА

INVESTIGATION OF NEUTRON-PROTECTIVE PROPERTIES OF ELASTIC POLYMER COMPOSITE

Sidelnikov Roman Vladimirovich

Postgraduate student of the Department of Theoretical and Applied Chemistry, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы является создание эластичного полимерного композита для обеспечения защиты космонавтов от нейтронного излучения. В качестве матрицы выбран силоксановый каучук, поскольку он обладает высокой эластичностью и богат водородом, что важно для замедления быстрых нейтронов. Для поглощения тепловых нейтронов выбран оксид диспрозия в качестве наполнителя. Для поглощения тепловых нейтронов чистый каучук не эффективен, поскольку пропускает 37.698 % нейтронов. Введение 40 масс. % оксида диспрозия кардинально меняет ситуацию, поскольку позволяет снизить долю прошедших нейтронов с энергией 0.025 эВ до 1.509 %. При быстрых нейтронах меняется механизм взаимодействия с поглощения на рассеивание из-за чего наиболее эффективным становится водород, которым богата каучуковая матрица, но оксид диспрозия остается важным компонентом для поглощения замедленных нейтронов.

ABSTRACT

The purpose of this work is to create an elastic polymer composite to protect astronauts from neutron radiation. Siloxane rubber was chosen as the matrix because it has high elasticity and is rich in hydrogen, which is important for slowing down fast neutrons. Dysprosium oxide was chosen as a filler for thermal neutron absorption. Pure rubber is not effective for absorbing thermal neutrons, since it passes 37.698% of neutrons. Introduction of 40 masses.  The percentage of dysprosium oxide dramatically changes the situation, as it reduces the proportion of neutrons with an energy of 0.025 eV to 1.509%. At fast neutrons, the mechanism of interaction changes from absorption to scattering, which makes hydrogen, which is rich in the rubber matrix, the most effective, but dysprosium oxide remains an important component for the absorption of delayed neutrons.

Ключевые слова: эластичный композит; каучуковая матрица; оксид диспрозия; нейтронная защита; моделирование

Keywords: elastic composite; rubber matrix; dysprosium oxide; neutron protection; modeling

Введение

С каждый шагом технологический прогресс всё больше направляет человечество в освоение космического пространства. Данный тезис подтверждает разработка Российской орбитальной станции (РОС), которую впервые планируется вывести на высокоширотную орбиту, где интенсивность потоков заряженных частиц и вторичных нейтронов значительно выше, чем на орбите Международной космической станции (МКС). Данные обстоятельства приведут к увеличению дозовых нагрузок на экипаж и оборудование, что сильно ограничит продолжительность пребывания космонавтов.

Для решения этой проблемы необходимо обеспечить радиационную безопасность космонавтов с акцентом на вторичные нейтроны, которые являются одним из наиболее радиационно-опасным видом ионизирующего излучения, поскольку, проникая в биологическую ткань, они инициируют дополнительные ядерные реакции, а именно рассеяние на водороде, захват ядрами и реакции расщепления, генерируя протоны отдачи, гамма-кванты и тяжёлые заряженные фрагменты [1]. Таким образом нейтроны обладают наибольшим взвешивающим коэффициентом. Вторичные нейтроны возникают после взаимодействия высокоэнергетических протонов с ядрами атомов алюминия и других материалов конструкции космических аппаратов, которое вызывает реакции фрагментации, в результате которых выбиваются нейтроны, что доказано в ходе исследования на фантоме Matroshka-R на МКС [2]. Нейтроны составляют более 51 % от общего эквивалента дозы на МКС [3].

Но простое увеличение толщины защиты неэффективно, поскольку только увеличивает количество вторично образованных нейтронов, поэтому необходим новый подход к обеспечению радиационной защиты космонавтов, например, создание радиационно-защитных средств индивидуальной защиты (СИЗ) для космонавтов. Для этого необходимо разработать эластичные полимерные композиты для защиты от радиации с возможностью замедлить и поглотить нейтроны. Перспективным вариантом для воплощения данной идеи является каучуковая матрица с оксидом редкоземельных металлов в качестве наполнителей [4].

Синтез эластичного полимерного композита

Для синтеза эластичного полимерного композита смешивали каучук и оксид диспрозия на вальцовочном оборудовании в течении 20 минут, что обеспечивает равномерное распределение наполнителя. Далее полученную смесь загружали в нагретую пресс-форму для прогрева полимерной матрицы с целью начала процесса вулканизации. После чего нагретую пресс-форму с образцом помещали в гидравлический пресс и формовали готовый образец под высоким давлением. Заключительный этап включал постполимеризацию в термостате с естественной воздухообменной циркуляцией. Образец (без выпрессовки из формы) нагревали до (200±2) °С в течение не менее 6 часов для обеспечения полного разложения пероксидных инициаторов и окончательного формирования пространственной сетки силоксанового каучука.

Исследование нейтронно-защитных характеристик эластичного полимерного композита

Для исследования нейтронно-защитных характеристик было выбрано моделирование методом Монте-Карло при помощи программного пакета Geant4. Метод Монте-Карло случайно генерирует траектории отдельных частиц в полном соответствии с известными физическими распределениями вероятностей [5]. Результаты моделирования прохождения нейтронов через эластичный полимерный композит представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Нейтронно-защитные характеристики эластичного композита

По результатам, представленным в таблице 1, можно сделать вывод, что для поглощения тепловых нейтронов чистый каучук не эффективен, поскольку пропускает 37.698 % нейтронов. Введение 40 масс. % оксида диспрозия кардинально меняет ситуацию, поскольку позволяет снизить долю прошедших нейтронов с энергией 0.025 эВ до 1.509 %. Такой высокий показатель объясняется высоким сечением поглощения тепловых нейтронов у атомов диспрозия, так у ¹⁶⁴Dy сечение поглощения 2650 барн. При увеличении энергии до 0.4 эВ оксид диспрозия становится менее эффективным, но всё ещё значительно уменьшает долю прошедших нейтронов. При быстрых нейтронах оксид диспрозия практически полностью теряет защитные свойства, поскольку механизм взаимодействия меняется с поглощения на рассеивание, в котором более эффективны лёгкие элементы. В частности, наиболее эффективен водород, которым богата каучуковая матрица. Но даже при быстрых нейтронах оксид диспрозия необходим для поглощения замедленных на водороде нейтронов, что заметно по меньшему количеству прошедших нейтронов в композите по сравнению с чистым каучуком несмотря на уменьшение содержания ядер водорода.

Для подтверждения полученных выводов была проведена визуализации взаимодействия нейтронов с энергией 0.025 эВ и 2 МэВ с изучаемыми материалами, результат представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Визуализация взаимодействия нейтронов с энергией 0.025 эВ и с изучаемыми материалами: а) чистый каучук 0.025 эВ; б) чистый каучук 2 МэВ; в) каучук с 40 масс. % оксида диспрозия 0.025 эВ; г) каучук с 40 масс. % оксида диспрозия 2 МэВ

На рисунке 1 наглядно видно, что при низких энергиях оксид диспрозия позволяет эффективно поглощать нейтроны, тогда как при прохождении через чистый каучук тепловые нейтроны не поглощаются, а взаимодействуют с атомами полимера отражаясь и расходясь по всему объёму материала.

Заключение

Разработанный эластичный полимерный композит позволит обеспечить индивидуальную защиту космонавтов от радиации, в частности от нейтронов, что доказано при помощи моделирования взаимодействия нейтронов с исследуемыми материалами.

Показано, что каучук с 40 масс. % оксида диспрозия пропускает всего 1.509 %. нейтронов с энергией 0.025 эВ, что объясняется сечением поглощения тепловых нейтронов ¹⁶⁴Dy равному 2650 барн. При быстрых нейтронах меняется механизм взаимодействия с поглощения на рассеивание из-за чего наиболее эффективным становится водород, которым богата каучуковая матрица, но оксид диспрозия остается важным компонентом для поглощения замедленных нейтронов.

Визуализация прохождения тепловых и быстрых нейтронов через исследуемых составы подтвердила полученные выводы.

Дальнейшее развитие работы связано с экспериментальным подтверждением нейтронно-защитных характеристик, полученных в ходе моделирования.

Источник финансирования. Исследование выполнено в рамках государственного задания Минобрнауки России №FZWN-2026-0006 с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.

Список литературы:

1. Cherkashina N. I., Pavlenko V. I., Shkaplerov A. N., Kuritsyn A. A., Sidelnikov R. V., Popova E. V., Umnova L. A., Domarev S. N. Neutron attenuation in some polymer composite material // Advances in Space Research. – 2023. 
2. Smith M. B., Khulapko S., Andrews H. R., Arkhangelsky V., Ing H., Koslowksy M. R., Lewis B. J., Machrafi R., Nikolaev I., Shurshakov V. Bubble-detector measurements of neutron radiation in the International Space Station: ISS-34 to ISS-37 // Radiation Protection Dosimetry. – 2015. – 181.
3. Хулапко С. В., Лягушин В. И., Архангельский В. В., Шуршаков В. А., Смит М., Инг Х., Машрафи Р., Николаев И. В. Результаты измерения дозы и энергетического спектра нейтронов внутри российского сегмента Международной космической станции в эксперименте «Матрёшка-Р» с использованием пузырьковых детекторов в период экспедиций МКС-24 – МКС-34 // Авиакосмическая и экологическая медицина. – 2014. – Т. 48, № 2. – С. 52–57.
4. Черкашина Н. И., Павленко В. И., Бондаренко Г. Г., Сидельников Р. В. Гибкий полимерный композит для защиты от радиации на основе каучука с оксидами редкоземельных металлов // Перспективные материалы. – 2026. – № 4. – С. 14–26.
5. Novikov N. V. Monte Carlo Computer Simulation Method for Solving the Problem of Particle Passage Through Matter // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2023. – Vol. 17. – P. 712–723.