способ получения покрытия для поглощения нейтронов, возникающих при ядерной реакции радиоактивных материалов

Формула изобретения

1. Способ получения покрытия, поглощающего нейтроны, возникающие при ядерной реакции радиоактивных материалов, заключающийся в нанесении на поверхности, по меньшей мере, части экранирующего элемента, состоящего из материала основы, покрытия, состоящего из элемента с большим сечением захвата нейтронов и металлического элемента, осаждаемого электролитическим или аутокаталитическим способом, отличающийся тем, что в процессе нанесения покрытия между покрываемой поверхностью и раствором для нанесения дисперсионного покрытия, по меньшей мере, время от времени создают относительное перемещение, причем элемент с большим сечением захвата нейтронов находится в растворе для нанесения дисперсионного покрытия в электропроводящем соединении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве элемента с большим сечением захвата нейтронов используют, по меньшей мере, один из элементов группы бор, гадолиний, кадмий, самарий, европий или диспрозий.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве металлического элемента, осаждаемого электролитическим или аутокаталитическим способом, используют один из элементов группы никель, кадмий или медь.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве электропроводящего соединения элемента с большим сечением захвата нейтронов используют металлическое соединение.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве электропроводящего соединения элемента с большим сечением захвата нейтронов используют борид металла.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что элемент с большим сечением захвата нейтронов используют в виде изотопа с увеличенным сечением захвата нейтронов.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что относительное перемещение создают путем перемещения покрываемого элемента.

8. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что относительное перемещение создают путем вдувания газа и/или наложения ультразвука.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что образование слоя покрытия осуществляют химическим способом.

10. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что образование слоя покрытия осуществляют электролитическим способом.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что создают слой покрытия толщиной до 800 мкм.

12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что элемент с большим сечением захвата нейтронов или его соединения внедряют в матрицу в количестве до 60 об.%.

13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что раствор для нанесения дисперсионного покрытия подвергают, по меньшей мере, время от времени перемешиванию.

14. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что способ осуществляют в керамической или стеклянной ванне.

15. Поглощающий элемент, изготовленный способом, по меньшей мере, по одному из пп.1-14, отличающийся тем, что он состоит из неорганического материала основы с образованным на нем покрытием, состоящим из элемента с большим сечением захвата нейтронов и металлического элемента, осаждаемого электролитическим или аутокаталитическим способом, причем в покрытии содержится элемент с большим сечением захвата нейтронов в количестве более 20 об.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу получения покрытия для поглощения нейтронов, возникающих при ядерной реакции радиоактивных материалов. Изобретение относится также к поглощающему элементу, изготовленному согласно способу.

Для обработки радиоактивных материалов, в частности, из области технологии ядерных реакторов, в зависимости от постановки задачи, материала и состояния, например, для замены и/или испытания, а также транспортировки и/или хранения их защищают друг от друга с помощью экрана во избежание дальнейшей ядерной реакции, инициируемой вынужденно излученными нейтронами. Для достижения желательного поглощения нейтронов обычно изготовляют поглощающие элементы в виде различных шахт, канистр, труб или подобных конфигураций, которые окружают испускающий нейтроны предмет и благодаря этому экранируют его. Использование таких поглощающих элементов делает возможным, например, компактное хранение элементов, излучающих нейтроны, в частности тепловыделяющих элементов ядерных силовых установок.

Из Европейской патентной заявки 0385187 А1 известен контейнер для хранения тепловыделяющих элементов, в котором листы поглотителя образуют некоторое число секций, которые окружают тепловыделяющие элементы по всей их длине. При этих поглощающих элементах речь идет о контейнерах или трубах из материала, поглощающего нейтроны, например о бористой стали, нержавеющей стали с содержанием бора от 1 до 2%. Помимо требуемых издержек на изготовление, эти элементы поглотителя, кроме того, очень дороги и коэффициент полезного действия ограничен из-за ограниченной доли бора. При попытках повысить содержание бора провели испытания по осаждению сплава никель-бор. Содержание бора можно повысить до 8%, однако стоимость также повышается примерно в 10 раз, так что о применении таких труб в экономике не может быть речи.

Для других задач, например транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, применяют способы, при которых на металлические поверхности контейнеров осаждают никелевые покрытия.

В патентном описании США US-PS 4218622 описан сборный поглощающий элемент, который имеет тонкую подложку из фольги или тонкую подложку из листа, на которую нанесена полимерная матрица, в которую внедрены частицы карбида бора. В качестве материала подложки из фольги или подложки из листа предпочтительно используют полимер, упрочненный стеклянными волокнами. Частицы карбида бора равномерно распределены на поверхности полимерной матрицы, при концентрации бора до 0,1 г/см². При использовании сборного поглощающего элемента в контейнере для хранения тепловыделяющих элементов этот поглощающий элемент имеет толщину до 7 мм, имеет форму фольги или листа и подвешен между внутренней стенкой и наружной стенкой. Гарантируется ли гомогенное распределение расположенных на поверхности полимерной матрицы частиц карбида бора, в особенности в отношении возможного износа поверхности, из US-PS 4218622 нельзя увидеть.

В европейской патентной заявке ЕР 0016252 А1 описан способ получения поглощающего нейтроны элемента. При этом способе путем плазменного напыления на подложку наносят карбид бора вместе с металлическим материалом, причем карбид бора внедряется в матрицу из металлического материала. Способ проводят к тому же таким образом, что исключается окисление бора. Полученный таким способом поглощающий элемент должен обладать стойкостью по отношению к жидкой среде, как это, например, имеет место в бассейнах для хранения тепловыделяющих элементов. Толщина нанесенного путем плазменного напыления слоя, состоящего из металла и карбида бора, составляет, по меньшей мере, 500 мкм. Доля карбида бора составляет примерно 50 об.%. В качестве металлического материала могут рассматриваться алюминий, медь и нержавеющая сталь, причем подложка содержит тот же металлический материал, что и напыленный слой. Для достижения эффективного поглощения нейтронов требуется относительно толстый слой на карбид бора, в частности, толщина слоя составляет 3-6 мм.

Из опубликованной заявки ФРГ DE-AS 1037302 и патента ФРГ 2361363 известно, что трубы, в частности консервные банки для защиты от радиоактивных облучений, снабжают поглощающим материалом, нанесенным на их поверхность электролитическим путем. В отношении технологических процессов и устройств для технологического проведения физико-химических изменений состояния и превращений материалов по вопросу нанесения поглощающих материалов из DE-AS 1037302 и DE 2361363 нельзя извлечь никакой информации.

Из Европейской заявки ЕР 0055679 известны способы изготовления экранирующих элементов, причем карбид бора либо наносят на поверхность экранирующего элемента плазменным способом, либо после предварительного электролитического или химического никелирования экранирующего элемента карбид бора напыляют на поверхность в виде порошка, а затем экранирующий элемент подвергают дополнительному электролитическому или химическому никелированию. Этим способом можно нанести лишь незначительные количества карбида бора порядка величин примерно 20 мас.% относительно никеля. Таким образом, требуются очень толстые слои, так что эти известные ранее способы являются неэкономичными. На практике эти способы не были внедрены дальше, так как они также не могут конкретно осуществляться в технологическом отношении. Нанесение порошка на поверхность путем напыления не является мероприятием, обеспечивающим надежное производство в промышленном масштабе.

Все известные ранее способы и полученные в соответствии с ними экранирующие элементы могут рассматриваться как неэкономичные в смысле высоких затрат на изготовление и больших расходов материалов. Кроме того, ограничены вариабельность форм экранирующих элементов и расширение возможностей внедрения.

Изготовление бористой стали крайне дорого. Сталь расплавляют и бор концентрируют дорогостоящим способом до 10-кратного значения и смешивают с расплавленной сталью. Получается бористая сталь с 1,1-1,4 мас.% бора. Эта сталь очень плохо обрабатывается, крайне хрупкая и плохо сваривается. Изготовленные из нее экранирующие элементы имеют чрезвычайно высокий вес при средних свойствах поглощения. Например, известны изготовленные из бористой стали внутренние контейнеры для хранения, так называемые короба, для промежуточного хранения тепловыделяющих элементов, которые имеют вес примерно 10 т.

Из международной заявки WO 98/59344 известен способ изготовления покрытия в целях поглощения нейтронов, причем соответствующие поверхности экранирующего элемента снабжены слоем никель/бор, причем бор в элементарной форме или карбид бора находятся в растворе для нанесения дисперсионного покрытия. Хотя и можно достичь высоких долей внедрения бора, однако при использовании элементарного бора доли внедрения ограничены и покрытие обладает высокой твердостью и тем самым высокой хрупкостью. Карбид бора имеет лишь плохо проводящие свойства, во всяком случае, свойства полупроводника и таким образом плохо или совсем не может регулироваться при электролитическом осаждении. Отсюда получаются лишь медленное построение слоев и низкое качество слоев. Вследствие созданного относительного движения получается некоторая доля случайности в построении слоя. Благодаря этому способ в целом получается очень дорогим, так как очень требователен в отношении применяемых материалов, ведения способа или т.п.

Исходя из известного уровня техники, в основе настоящего изобретения лежит задача усовершенствовать способ получения покрытия или экранирующих элементов для поглощения нейтронов, возникающих при ядерной реакции радиоактивных материалов, который может использоваться просто и экономично, повышает эффективность поглощения, допускает большую вариабельность в отношении базовых материалов основы и формы экранирующих элементов, хорошо поддается технологическому регулированию и, в частности, позволяет изготавливать более легкие поглощающие элементы при, как минимум, одинаковом качестве поглощения.

Для технического решения этой задачи предлагают способ получения покрытия для поглощения нейтронов, возникающих при ядерной реакции радиоактивных материалов, причем, по меньшей мере, часть поглощающего элемента, состоящего из материала основы, на его предназначенных для этого поверхностях в растворе для нанесения дисперсионного покрытия снабжают слоем, образованным из элемента с большой площадью захвата нейтронов и металлического элемента, осаждаемого электролитическим или автокаталитическим способом, причем во время процесса покрытия, по меньшей мере, время от времени между соответственно покрываемой поверхностью и раствором для нанесения дисперсионного покрытия создается относительное перемещение, причем элемент с большой площадью захвата нейтронов находится в растворе для нанесения дисперсионного покрытия в электропроводящем соединении.

Оказалось, что образование, например, бор/никелевого слоя в растворе для нанесения дисперсионного покрытия с относительным перемещением время от времени между подлежащей покрытию поверхностью и раствором для нанесения дисперсионного покрытия приносит очень хорошие результаты. Благодаря применению электропроводных соединений элементов с большой площадью захвата нейтронов получается очень хорошая регулируемость параметров электролитического процесса и неожиданным образом оказалось, что можно значительно повысить долю внедрений. В результате получается возможность нанесения значительно более тонких слоев покрытий.

В качестве элементов с большой площадью захвата нейтронов могут рассматриваться элементы из группы бора, также в элементарной форме, или карбида бора, гадолиния, кадмия, самария, европия или диспрозия. Большая площадь захвата нейтронов означает величину сечения захвата нейтронов соответствующего элемента. В качестве электропроводных соединений для возможностей применения проявили себя особенно хорошо металлические соединения. При этом следует назвать бориды металлов, как, например, борид железа, борид никеля или т.п. Перечисление может быть расширено, например, и в отношении указанных элементов. Проводимость означает хорошую регулируемость электролитических параметров так, чтобы способ можно было проводить с высокой надежностью и воспроизводимостью при менее притязательных краевых условиях.

В качестве металлических элементов, осаждаемых электролитическим или автокаталитическим путем, можно рассматривать никель, кадмий или медь. Элемент с большой площадью захвата нейтронов или его соединения с соответствующим эффектом внедряются в эту металлическую матрицу.

С особым преимуществом предлагают использовать изотопы соответствующих элементов, которые обладают повышенной площадью захвата нейтронов. Так, например, известно, что применение ¹¹B означает площадь захвата нейтронов 0,005 барн, в то время как применение изотопа ¹⁰B означает 3837 барн. Отсюда получается возможность применения меньших толщин слоя.

Таким образом, на основе высоких долей внедрения получается намного большая эффективность. Поглощающие слои имеют порядок величин до 800 мкм. Кроме того, особое преимущество состоит в независимости способа от материала основания. Предпочтительным образом используют неорганические материалы основания, например сталь, нержавеющая сталь, бористая сталь, титан, алюминий, медь, никель или т.п., включая соответствующие сплавы. Несмотря на его органический характер, в качестве материала основания можно рассматривать материал из углеродных волокон. Материал из углеродных волокон имеет особые преимущества в отношении возможности изготовления поглощающего элемента гальваническим путем.

Также согласно изобретению имеется возможность изготавливать поглощающий элемент в полностью готовом виде или в виде отдельных деталей. Благодаря независимости от материала основания можно использовать очень просто обрабатываемые материалы. С другой стороны, можно полностью изготавливать также очень сложные формы поглощающих материалов, контейнеров, коробов и т.п., а затем наносить покрытия согласно изобретению.

Благодаря высокой доле внедрения (частиц) экранирование чрезвычайно эффективно, так что слои могут быть экстремально тонкими. Тем самым возможна экономия веса до 50% по отношению к экранирующим элементам, изготовляемым традиционными способами. Используемые в настоящее время в программе изготовления контейнеров для хранения тепловыделяющих элементов внутренние контейнеры для хранения (короба) до примерно 10 т можно теперь при применении способа согласно изобретению изготавливать весом порядка 4-6 т.

Материал основы можно предварительно изготовить в виде готовой детали или отдельных частей так, чтобы готовые поглощающие элементы можно было выполнить из отдельных частей. Сборку поглощающих элементов или частей поглощающих элементов в комплексные места хранения или несущие короба можно осуществлять путем соединений с силовым и/или геометрическим замыканием. Изобретение позволяет также осуществлять покрытие полностью смонтированных корпусов для хранения и несущих коробов. Покрытие в ванне для нанесения дисперсионного покрытия осуществляется либо химическим, либо электролитическим способом.

Относительное перемещение между покрываемой поверхностью и раствором для нанесения дисперсионного покрытия может осуществляться, например, с помощью перемещения покрываемого элемента в растворе для нанесения дисперсионного покрытия. Как известно, такие элементы, как бор или т.п. созданы такими, что экономически практически невозможно перемешивание или перекачка дисперсий. Любой агрегат для перекачки или перемешивания в кратчайшее время мог бы износиться. Тем не менее, с помощью относительного перемещения, с одной стороны, должно быть достигнуто достаточно хорошее перемешивание или периодическое перемешивание дисперсии, а с другой стороны - направленная подача дисперсии к покрываемой поверхности. Наряду с перемещением самого элемента может двигаться также вся установка для покрытия в целях осуществления относительного перемещения. Так, например, покрытие может проводиться в некоторого рода барабане. Относительное перемещение может также осуществляться путем механического перемещения раствора, вдувания газа, в частности воздуха, с помощью ультразвуковой подставки, а также комбинаций этих способов.

С особым преимуществом с помощью изобретения предлагается, чтобы покрываемые поверхности при расположении в растворе для нанесения дисперсионного покрытия были обращены вверх. Тем самым подразумевается, что покрываемые поверхности располагаются в растворе для нанесения дисперсионного покрытия таким образом, чтобы находящиеся в дисперсии частицы оседали на поверхность под действием силы тяжести. Это расположение согласно изобретению, в особенности в комбинации с периодическим осуществлением относительного перемещения между поверхностью и раствором для нанесения дисперсионного покрытия благоприятствует выдающимся результатам покрытия.

С особым преимуществом с помощью изобретения предлагается, чтобы способ покрытия проводился в керамической или стеклянной ванне. Благодаря этому обеспечивается особая чистота раствора для нанесения дисперсионного покрытия.

С помощью изобретения предлагается просто осуществляемый, экономичный и очень эффективный способ изготовления поглощающих элементов для поглощения нейтронов, который, в частности, позволяет изготовлять независимо от материала основы поглощающие элементы, которые при сравнимых эффектах поглощения значительно легче, чем известные экранирующие элементы.

Изобретение относится, кроме того, к поглощающим элементам, изготовленным согласно описанному способу. Они отличаются тем, что имеют покрытие, образованное из элемента с большой площадью захвата нейтронов и никеля, с долей этого элемента или его соединения с большой площадью захвата нейтронов до 60 об.% или на 40 об.%. Толщина слоя составляет от 350-500 до 800 мкм, причем слой выполнен на неорганическом материале основы, как, например, сталь, титан, медь или т.п. Возможно получение толщин до 2000 мкм. Получение покрытия может осуществляться химическим или электролитическим способом. Экранирующий защитный элемент может быть покрыт в готовом виде или быть собран из отдельных покрытых элементов. В качестве электролита может рассматриваться, например, раствор для бестокового нанесения покрытия никель-фосфор или электролитического покрытия никелем.

В одном эксперименте обычные стальные пластины были покрыты электролитическим способом в растворе для нанесения дисперсионного покрытия никель/карбид бора. При этом пластины каждые полчаса поворачивали в растворе и периодически перемещали вниз, чтобы, с одной стороны, обеспечить относительное движение между поверхностями и раствором для нанесения дисперсионного покрытия, а с другой стороны, чтобы соответственно покрываемые поверхности расположить в растворе направленными вверх. Как показали последующие анализы, в никелевую матрицу смог внедриться карбид бора в количестве примерно около 40 об.%.