материал для поглощения нейтронов

Формула изобретения

Материал для поглощения нейтронов, содержащий первую компоненту, представляющую собой керамику, в которой диспергированы скопления (сгустки) второй компоненты, причем, по крайней мере, одна из обеих компонент содержит материал, поглощающий нейтроны, отличающийся тем, что керамика выполнена в виде имеющих одинаковый размер гранул шаровидной формы, наибольший размер которых выбран в пределах от 1,9±0,1 до 2,9±0,1 мм, а вторая компонента выполнена в виде оболочки, которой снабжена каждая гранула, при этом оболочка изготовлена из органического состава, наполненного соединениями, поглощающими нейтроны.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Заявляемое изобретение относится к ядерной технике, в частности к средствам защиты от излучения, а более конкретно к материалам для поглощения нейтронов, выделяющихся при ядерной реакции радиоактивных материалов.

Уровень техники

Известен материал, предназначенный для консервации помещений, оборудования, загрязненных радионуклидами. Материал представляет собой твердеющую композицию и состоит из карбамидоформальдегидной смолы 15-30%, пенообразователя 3-4%, кислотного отвердителя 3-4%, воды - остальное (изобретение под названием «Способ консервации помещения, загрязненного нуклидами», патент РФ №2078388, МПК G21F 9/34, 08.10.91). Материал предотвращает доступ к загрязненным объектам, но недостаточно защищает окружающую среду и людей от излучения, что обуславливается составом материала. Кроме того, существенно затруднен демонтаж защиты при расконсервации помещения.

Известны материалы (Европейские патентные заявки №№0385187 А1, 0055679 и 0016252 А1, патент США №4218622, заявка и патент ФРГ DE AS 1037302 и №2361363, патент РФ №2232438, G21F 1/08, 27.09.1999), которые имеют форму листа, фольги, трубы из металлов, в состав которых входят нейтронопоглощающие компоненты или на которые с помощью различных технологий нанесены поглощающие элементы. Зачастую такие материалы дороги, имеют недостаточный коэффициент полезного действия, имеют ограничения по приданию им формы, которая требуется для экранирующих элементов.

Известен нейтронный поглотитель по патенту США №4225467, МПК G21С 11/00, публикация 30.09.1980 г. Поглотитель состоит из частиц карбида бора (не менее 90% веса) определенного размера. Вокруг частиц карбида бора сплошной матрицей отвержден конденсированный полимер фенол альдегида.

В некоторых случаях, например при использовании поглотителя в защитных устройствах сложной конфигурации, он может не обеспечить полного уровня заполнения и соответственно требующегося уровня защиты. Следовательно, необходимо применение дополнительного оборудования типа вибраторов.

Это обусловлено тем, что поглотитель недостаточно сыпуч из-за большого удельного веса и неправильной формы частиц, поэтому не всегда достигается плотное заполнение поглотителем полостей, предназначенных для его размещения. Из-за недостаточной сыпучести затруднен демонтаж защиты.

В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран наиболее близкий по своей сущности поглощающий нейтроны композитный материал, описанный в заявке №94043808 от 09.12.94 г. на выдачу патента РФ на изобретение под названием «Поглощающий нейтроны композитный материал и способ получения материала», МПК G21F 1/06. Материал содержит гомогенную матрицу из первой компоненты, представляющей собой керамический материал - порошок со средней гранулометрией ниже 5 мкм. В порошке гомогенно диспергированы скопления (сгустки) второй компоненты, выбираемой из тугоплавких металлов, боридов молибдена и В ₄С. По крайней мере, одна из обеих компонент содержит бор.

Недостатком известного материала являются не во всех случаях одинаковые защитные свойства в разных направлениях, а также сложность монтажа и демонтажа защиты, в которой использован известный материал. Для их выполнения требуется специальное технологическое оборудование.

Это обусловлено тем, что форма частиц и сгустков компонент, а также высокий коэффициент трения между ними ограничивают сыпучесть материала, из-за чего не обеспечивается при монтаже его самоуплотнение и требуемые защитные свойства. Кроме того, для обеспечения равных защитных свойств в разных направлениях по объему требуется тщательное перемешивание компонент; результат которого при монтаже защиты проконтролировать затруднительно. Воздействие вибраций при доставке к месту монтажа, а также при использовании известного материала в качестве защиты при транспортировке активных материалов может привести к перераспределению компонент (даже хорошо перемешанных при изготовлении) по объему материала из-за существенной разницы в плотностях. Соответственно, изменятся защитные свойства материала в разных направлениях.

Поэтому после загрузки в защитное устройство его (материал) необходимо уплотнять прокаливанием под давлением. Очевидно, что извлечение уплотненного и спекшегося материала является операцией сложной и не всегда выполнимой.

Задачей заявляемого изобретения является создание материала для поглощения нейтронов, позволяющего повысить надежность его защитных свойств, а также упростить монтаж и демонтаж защитных устройств.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение и который способствует выполнению поставленной задачи, заключается в обеспечении высокой сыпучести материала, близкой к текучести жидкости, как до эксплуатации материала, так и после окончания эксплуатации, а также обеспечение высокой механической стойкости, однородности по физическому параметру поглощения нейтронов.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что в материале для поглощения нейтронов (далее в тексте - материал для поглощения), содержащем первую компоненту, представляющую собой керамику, в которой диспергированы скопления (сгустки) второй компоненты, причем, по крайней мере, одна из обеих компонент содержит материал, поглощающий нейтроны, согласно изобретению, керамика выполнена в виде имеющих одинаковый размер гранул шаровидной формы, наибольший размер которых выбран в пределах от 1,9±0,1 мм до 2,9±0,1 мм, а вторая компонента выполнена в виде оболочки, которой снабжена каждая гранула, при этом оболочка изготовлена из органического состава, наполненного соединениями, поглощающими тепловые нейтроны.

Отличительными от известного материала-прототипа являются признаки заявляемого изобретения:

- керамика выполнена в виде имеющих одинаковый размер гранул шаровидной формы, наибольший размер которых выбран в пределах от 1,9±0,1 мм до 2,9±0,1 мм;

- вторая компонента выполнена в виде оболочки, которой снабжена каждая гранула, при этом оболочка изготовлена из органического состава, наполненного соединениями, поглощающими тепловые нейтроны.

При поиске не выявлено материалов аналогичного заявляемому изобретению назначения, одна из компонент которого имела бы форму и размеры, совпадающие с формой и размерами керамики заявляемого изобретения.

Покрытие, известное из упомянутого выше патента США №4225467, не выполняет функции носителя материала, поглощающего нейтроны.

Покрытие, известное из патента США №4218622 (МПК G21С 11/00, публикация 19.08.1980 г.), имеет иную конструкцию.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен разрез одного элемента материала для поглощения.

На фиг.2 изображен элемент защитного устройства, заполненный материалом для поглощения.

На фиг.3 показан вариант применения материала для поглощения в реакторах и других аппаратах, когда требуется перемещение органов управления в защитном покрытии без нарушения его целостности.

На фиг.4 показано применение материала для поглощения при перевозке радиоактивных материалов, собранных в емкости и помещенных в автоцистерну.

На фиг.5, 6 показана схема применения материала для поглощения в железнодорожном вагоне, в транспортных контейнерах.

Осуществление изобретения

Каждый элемент материала для поглощения (фиг.1) состоит из ядра 1, представляющего собой гранулу шаровидной формы из керамики, и оболочки 2 из органического состава. Оболочка 2 наполнена соединениями 3, например, бора или кадмия, поглощающими тепловые нейтроны.

Керамика имеет следующий состав, %:

глинозем (Al2O 3)	56...60
кремний (Si)	30...34
оксид железа (магнетит, Fe2O 3)	5...8
примеси (Ti, Ca, С)	не более 3

Гранулы (ядра 1) материала для поглощения в одно защитное устройство выбирают одинакового размера. Характеристики материала:

- наибольший размер (диаметр) каждой гранулы в партии выбирают из ряда,

(мм) 1,9±0,1; 2,1±0,1; 2,3±0,1; 2,5±0,1; 2,7±0,1; 2,9±0,1;

- допуск круглости, %

относительно размера ядра 1	не более 20
плотность (насыпная), кг/м3	1600
разрушение под давлением
520 кг/см2 в замкнутом объеме, %	не более 20
линейное расширение материала ядра
1 при нагреве от 0° до 1000°С
относительно 1000 мм длины, мм	4,31
термическая стойкость материала ядра 1, °С	не менее 1200

Оболочка 2 толщиной 0,1-0,3 мм выполнена из органического материала, например из фенолформальдегидной смолы.

Оболочку 2, наполненную соединениями 3, поглощающими нейтроны, получают следующим образом. Кадмиевые или боросодержащие соединения измельчают до фракции менее 5 мкм и смешивают с органической основой. Эту смесь наносят на поверхность каждого ядра 1.

Используют материал для поглощения, например, следующим образом. В полость 4 (фиг.2) защитного кожуха 5 засыпают материал для поглощения 6. Обладая хорошей сыпучестью, материал 6 заполняет все свободное пространство, обеспечивая плотное безщелевое заполнение и одинаковое во всех направлениях распределение в полости 4 ядер 1, которые затормаживают нейтроны, и соединений 3, уменьшающих нейтронный поток.

При изготовлении материала для поглощения 6 несложно обеспечить равномерность наполнения оболочки 2 соединениями 3. В процессе эксплуатации материал для поглощения 6 сохраняет одинаковые защитные свойства во всех направлениях, т.к. за счет определенных размеров ядер 1 и хорошей сыпучести материала 6 обеспечивается постоянное взаимное расположение элементов материала 6 в защитном кожухе 5. Возможная некоторая неравномерность защитных свойств отдельного элемента материала 6, обусловленная возможной неравномерностью наполнения оболочки 2 соединениями 3, в слое материала 6 в кожухе 5 выравнивается в любом направлении, т.к. состоит из множества элементов этого материала. Таким образом, обеспечивается требуемая степень защиты во всех направлениях.

Материал для поглощения 6 хорошо транспортируется с помощью пневмопривода при заполнении защитного кожуха 5, хорошо откачивается при демонтаже. Такое свойство материала для поглощения в сочетании с жаропрочностью позволяет использовать его при ликвидации аварий подачей в активную зону при помощи трубопроводов.

Очень удобно применять материал для поглощения в реакторах и других аппаратах (фиг.3), когда требуется перемещение органов управления в защитном устройстве. Для этого в полости 4 защиты, которая образована внешней 7 и внутренней 8 оболочками, размещают материал для поглощения 6. Органы управления 9 аппарата 10 имеют возможность перемещения в соответствии с их назначением без нарушения защитных свойств, т.к. материал 6 обтекает их как жидкость.

Для перевозки радиоактивных материалов можно, например, собрать их в упаковку 11 (фиг.4), поместить упаковки 11 в полость 12 автоцистерны 13 и заполнить свободный объем полости 12 материалом для поглощения 6. После доставки к месту назначения материал для поглощения 6 ссыпают самотеком из полости 12 через выпускной люк цистерны (на чертежах не показан) или, например, с помощью пневмопривода через загрузочный люк (на чертежах не показан).

На фиг.5 представлена транспортировка упаковок 11 с радиоактиивными материалами железнодорожным транспортом. Материалом для поглощения 6 заполняют емкости 14, которые выполнены из жесткого или легкодеформируемого материала, например из ткани. Емкостями 14 образуют защитное сооружение.

На фиг.6 представлено размещение упаковки 11 с радиоактивными материалами в транспортном контейнере. Упаковку 11 прикрепляют к стенкам 15 контейнера с помощью упругих растяжек 16, а свободное пространство контейнера заполняют материалом для поглощения 6.