имитатор плутония при горении
Классы МПК: | C22C43/00 Сплавы, содержащие радиоактивные материалы C01G43/00 Соединения урана G21C9/00 Устройства противоаварийной защиты, конструктивно объединенные с реакторами |
Автор(ы): | Малышев А.Я., Веденеев А.И., Леваков Е.В., Пелесков С.А., Фёдоров А.А. |
Патентообладатель(и): | Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики, Министерство Российской Федерации по атомной энергии |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-09-13 публикация патента:
20.11.2003 |
Изобретение относится к изучению процессов горения и распространения в атмосфере радиоактивных материалов при аварийных ситуациях и предназначено для наиболее полного имитирования процесса горения и распространения плутония при пожаре. Предложено применение сплава, содержащего, мас.%: уран 88,2; железо 11,8, в качестве имитатора плутония при горении. Использование данного сплава в качестве имитатора плутония при аварийных ситуациях позволит наиболее полно прогнозировать последствия аварии, оценивать масштабы загрязненности окружающей среды. Техническим результатом изобретения является имитация плутония по физико-химическим свойствам, характеристикам горения и образования аэрозолей, поскольку температура плавления плутония составляет 640oС, а имитатора - 725oС. Плотность жидкого плутония 16,64 г/см3, а имитатора 15,1 г/см3. Теплота образования продукта горения PuO2 составляет 1059 кДж/моль, а имитатора - UO2 - составляет 1086 кДж/моль. 1 табл.
Рисунок 1
Формула изобретения
Применение сплава, содержащего, мас. %:Уран - 88,2
Железо - 11,8
в качестве имитатора плутония при горении.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области изучения процессов горения и распространения в атмосфере делящихся материалов при аварийных ситуациях с изделиями ядерного комплекса и предназначено для наиболее полного имитирования процесса горения и распространения плутония при пожаре. В работе [1] рассматривается возможность использования церия в качестве имитатора плутония в аварийных ситуациях. Церий сходен с плутонием по характеристикам высокотемпературного окисления. Плутоний и церий обладают сравнительно низкими температурами плавления (Tпл Pu![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
1. Плутоний и церий в компактном виде имеют самые низкие температуры воспламенения (Tвоспл Ce=160-180oC, Tвоспл Pu=300-520oC). Разброс в температурах воспламенения металла обусловлен различным геометрическим размером металлического образца, состоянием его поверхности и влажностью окружающего воздуха. Так, например, по нашим данным штабик церия массой 3,8 г при линейной скорости нагрева 8 К/мин в потоке воздуха (скорость течения 4-5 м/с, расход газа 0,73 м3/час) воспламеняется при
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
1. Сходство в форме конечного продукта горения металла MeО2.
2. Сходство по условиям возгорания металла. 3. Сходство по кинетике окисления металла. 4. Сходство по горению жидкой фазы металла. 5. Сходство кристаллических структур окислов металлов. Однако вопросы образования аэрозольных частиц РuО2 и CeО2 типа его структуры, выхода этих частиц при горении металлов Pu и Ce, образование и распространение аэрозольных агрегатов и смешанных аэрозолей при авариях остаются нерешенными, поскольку плотность РuО2 больше плотности СeО2, что является недостатком церия, см. таблицу. Задачей настоящего изобретения является выбор материала - имитатора плутония, характеризующего наиболее полно его свойства при горении. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в том, что предлагаемый материал имитатора характеризует физико-химические свойства плутония, характеристики его горения, образование аэрозолей и их распространения при горении. Указанный технический результат достигается применением по новому назначению известного сплава, U-Fe, содержащего 11,8 мас.% Fe и 88,2 мас.% U в качестве имитатора плутония при горении. Сплав U-Fe [2], содержащий 11,8 мас.% Fe, и 88,2 мас.% U, имеет структуру эвтектического типа с минимальной температурой плавления
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
температура плавления; плотность при комнатной температуре и температуре плавления; плотность образуемых окислов; теплота образования окислов. Вязкость и поверхностное натяжение имитатора авторы не определяли. Работы по их определению вряд ли удается выполнить и в ближайшее время. Исходя из данных работ [5], для системы 97,6 мас.% Pu -2,4 мас.% Fe вязкость достигает 25 сПз, см. таблицу; для эвтектического состава U-Fe (88,2 мас.% U -11,8 мас. % Fe) следует ожидать при 725oС вязкость большую, чем у урана при 1133oС. А проведенный нами корреляционный анализ зависимостей вязкости и поверхностного натяжения от температуры плавления для более 50 металлов свидетельствуют о том, что для имитатора, имеющего температуру плавления 725oС, значения вязкости и поверхностного натяжения следует ожидать на уровне этих значений для плутония. Как видно из таблицы, эвтектический сплав U-Fe (88,2 мас.% U), имеющий с плутонием соизмеримые физико-химические характеристики (Тпл, плотности металла и его диоксида, теплоты образования диоксида и др.), может быть рекомендован в качестве имитатора плутония при его горении в атмосфере воздуха. Кроме того, сплав-имитатор плутония U-Fe (88,2 мас.% U) на 238, в отличие от Pu239 имеет суммарную активность на несколько порядков ниже:
- 1 т U238 имеет активность
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
- 1 кг Pu239 имеет активность
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216003/8226.gif)
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216066/8776.gif)
![имитатор плутония при горении, патент № 2216605](/images/patents/252/2216003/8226.gif)
1. В. Х. Протопопов, Х.В. Протопопов. Возможности использования церия и его диоксида в качестве имитаторов горения плутония и образования его диоксида. Сравнительное рассмотрение свойств металлов и оксидов-имитаторов.// Вопросы атомной науки и техники, серия Теоретическая и прикладная физика, 1999, выпуск I. С.12-22. 2. В. И. Кутайцев. Сплавы тория, урана и плутония. Госатомиздат. М., 1962. 3. К.Дж. Смитлз. Металлы. Справочник. - М.: Металлургия. 1980. 4. Г.В. Самсонов. Физико-химические свойства окислов. Справочник. - М.: Металлургия. 1978. 5. L. Y. Wittenberg et al. (Mo und Laboratory, Maimisburg, Ohio, USA). Liquid Plutonium. A. review of its physical properties // Nuclear Applications, 1967, N 9, 550-555. Перевод: Атомная техника за рубежом. 1968, 8, 27-31. 6. Г.В. Самсонов, свойства элементов. Часть I. Физические свойства. - М. : Металлургия. 1976.
Класс C22C43/00 Сплавы, содержащие радиоактивные материалы
Класс C01G43/00 Соединения урана
Класс G21C9/00 Устройства противоаварийной защиты, конструктивно объединенные с реакторами