CZ20011863A3

CZ20011863A3 - Způsob výroby povlaku k absorpci neutronů vznikajících při jaderné reakci radioaktivních materiálů

Info

Publication number: CZ20011863A3
Application number: CZ20011863A
Authority: CZ
Inventors: Klaus-Leo Wilbuer; Rudolf Diersch; Hermann Stelzer; Matthias Patzelt; Dieter Methling
Original assignee: Metallveredlung Gmbh & Co. Kg; Gnb Gesellschaft Für Nuklear-Behälter Mbh
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2002-01-16
Also published as: CZ297053B6; RU2232438C2; KR20010107978A; JP4348039B2; UA66890C2; JP2003510620A; US7295646B1

Description

Způsob výroby povlaku k absorpci neutronů vznikajících při jaderné reakci radioaktivních materiálů

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby povlaku k absorpci neutronů vznikajících při jaderné reakci radioaktivních materiálů. Vynález se rovněž týká komponentu absorbéru, zhotoveného tímto způsobem.

Pro zpracování radioaktivních materiálů, pocházejících zejména z oblasti techniky jaderných reakcí, jsou tyto materiály podle charakteru úkolu, resp. účelu, například materiály určené ke výměně a/nebo přezkoušení, nebo materiály určené k transportu a/nebo k uložení, za účelem zamezení dalších jaderných reakcí v důsledku nucené vyzařovaných neutronů, navzájem odstíněny. K dosažení požadované absorpce neutronů, jsou obvykle komponenty absorbérů vytvořeny ve tvaru různých druhů šachet, nádrží, trubek, nebo obdobných konfigurací, které objekt vyzařující neutrony obklopují, čímž dochází kjeho odstínění. Použití takových absorpčních komponentů umožňuje například kompaktní ukládání prvků vyzařujících neutrony, zejména palivových článků z jaderných elektráren.

Dosavadní stav techniky

Z evropského patentového spisu č. 0 385 187 A1 je známo úložiště pro uložení palivových článků, u něhož tvoří absorpční plechy větší počet šachet, které obklopují palivové články po jejich celé délce. U těchto absorpčních komponentů se jedná o šachty, resp. trubky, zhotovené z materiálu absorbujícího neutrony, například z oceli legované borem, nebo ušlechtilé oceli ······ · ·· ·· • · · ···· · * · ··· ······ ·· ·· ··· ·· ·· ··· s obsahem boru od 1 do 2%. Tyto absorpční komponenty jsou však cenově velmi nákladné, přičemž účinnost absorpce je ohraničena v důsledku omezeného množství obsahu boru. Při pokusu o zvýšení obsahu boru byla zkoušena slitina legovaná borem a niklem. Obsah boru ve slitině se sice zvýšil až k 8%, avšak současně se desetinásobně zvýšila cena, takže použití trubky zhotovené z této slitiny nepřichází takřka v úvahu.

Pro jiné účely, například pro účely transportu a/nebo skladování radioaktivních materiálů, jsou používány způsoby, u nichž na kovových povrchových plochách nádrží jsou naneseny vrstvy niklu.

V patentovém spise US 4 218 622 je popsán z dílů sestavený absorbér, opatřený tenkou nosnou folií nebo tenkým nosným plechem, na kterém je nanesena polymerová matriční mřížka, do které jsou ukládány částice karbidu boru. Jako materiál nosné folie může být použit skelným vláknem vyztužený polymer. Částice karbidu boru jsou rovnoměrně rozděleny na povrchové ploše polymerové matriční mřížky, s koncentrací boru do 0,1 g/cm². Při použití absorbéru sestaveného z dílů v úložišti palivových článků, má tento absorpční komponent, vytvořený ve formě folie nebo plechu, tloušťku do 7 mm, a je zavěšen mezi vnitřní a vnější stěnou. Z důvodu dlouhodobého homogenního rozdělení částic karbidu boru na povrchové ploše polymerové matriční mřížky, však nemůže být řešení podle patentového spisu US 4 218 622 využito, a to především z důvodu možného otěru této povrchové plochy.

V evropském patentovém spise č. 0 016 252 A1 je popsán způsob zhotovení komponentu absorbujícího neutrony. Podle tohoto způsobu je na podklad plazmovým nástřikem nanášen karbid boru společně s kovovou substancí, přičemž karbid boru proniká do matriční mřížky z kovových substancí. Tento způsob je přitom prováděn tak, že je vyloučena oxidace boru. Takto zhotovený absorpční komponent by měl být stabilní proti kapalnému ···· ·· · ···· · • · · ···· · 9»· • · · ··· ··· * 3 ** ···· · · · · ·· ·· ·· ··· ·· ·· ··· médiu, které se může například vyskytovat v jímce pro uložení palivového článku. Tloušťka vrstvy kovu a karbidu boru nanesená plazmovým nástřikem činí nejméně 500 pm. Podíl karbidu boru přitom činí přibližně 50 objemových %. Jako kovová substance může být použit hliník, měď nebo nerezová ocel, přičemž podklad obsahuje tytéž kovové substance, jako nastříknutá vrstva. K dosažení účinné absorpce neutronů je nutná relativně silná vrstva karbidu boru, jejíž tloušťka činní od 3 do 6 mm.

Z německých patentových spisů č. 1 037 302 a 2 361 363 je známa trubka, jejíž vnější plocha je za účelem ochrany proti radioaktivnímu záření opatřena elektrolytickou cestou naneseným absorpčním materiálem. Pokud se týká technických kroků postupu a zařízení k technickému provedení fyzikálně chemických změn stavu a látkových proměn k nanášení absorpčních materiálů, nelze z uvedených patentových spisů vyrozumět žádné informace.

Z evropského patentového spisu č. 0 055 679 jsou známy způsoby zhotovení absorpčních komponentů, přičemž karbid boru je na povrchovou plochu absorpčního komponentu nanesen buď způsobem plazmového nánosu, nebo způsobem, kdy po předchozím předniklování tohoto komponentu je na povrchové plochy nasypán karbidu boru v podobě prášku, načež jsou jeho plochy elektrolyticky nebo chemicky opět poniklovány. Podle tohoto způsobu je možno na povrchové plochy nanést jen malé množství karbidu boru, řádově kolem 20 váhových %, vztaženo na množství niklu. Vznikne však velmi silná vrstva, takže tyto způsoby jsou nehospodárné. V praxi tyto způsoby nebyly používány, ani konkrétně realizovány. Při nanášení prášku na povrchové plochy nasypáním přitom nejsou známa žádná opatření, která by zaručovala průmyslovou produkci.

Všechny výše zmíněné známé způsoby a jimi zhotovené odstiňovací elementy tak mohou být z důvodu značných nákladů na jejich zhotovení, jakož ···· ·· · ·· ·· ··· ···· · * >

··· ··· ·· ···· ··· · · · ·· ·· ··· ·· ·· ··· i nákladů na použité materiály, označeny jako nehospodárné, čímž je omezena variabilita jejich tvarů a tím i možnost jejich širšího použití.

Zhotovení oceli legované borem je nadmíru nákladné. Ocel musí být nejprve roztavena a po té je do ní přimícháván nákladným způsobem obohacený bor, který je smíchán s roztavenou ocelí. Vznikne tak ocel legovaná borem s obsahem boru od 1,1 do 1,4 váhových %. Tato ocel je však velmi těžko obrobitelná, je nadmíru křehká a velmi špatně svařitelná. Takto zhotovené odstiňovací elementy mají při průměrných absorpčních vlastnostech mimořádně velkou váhu. Například vnitřní nádrže pro mezisklad palivových článků, zhotovené z této oceli legované borem, mají váhu přibližně 10 tun.

Z patentového spisu WO 98/59344 je znám způsob zhotovení povlaku k absorpci neutronů, podle kterého jsou příslušné povrchové plochy odstiňovacího elementu opatřeny vrstvou slitiny bor-nikl, přičemž bor buď v elementární formě, nebo jako karbid boru, je obsažen v disperzní lázni. Tímto způsobem je sice možno dosáhnout vysokého podílu boru, avšak použití boru v elementární formě je omezeno a vrstva vykazuje vysokou tvrdost a tím i velkou křehkost. Karbid boru naopak vykazuje velmi špatné vodivé vlastnosti a proto vrstva tvořená elektrolyticky je jen ztěží, nebo dokonce zcela neproveditelná. Dosahuje se tak jen pomalého a nahodilého vytváření vrstvy. Tento způsob je tak celkově velmi nákladný a náročný z hlediska použitých materiálů.

Podstata vynálezu

Vycházeje ze známého stavu techniky, klade si vynález základní úkol dále zlepšit způsob zhotovení vrstvy, resp. komponentů k absorpci neutronů, vznikajících při jaderné reakci radioaktivních materiálů. Způsob podle vynálezu by měl být hospodárný a jednoduše využitelný. Rovněž by měla být zvýšena ···· ·· · *· ·« « »·· ·»♦» > («<

· ·· ··· · ·· ** *··· 9·· · ·· ·· ·· ··· ·· ·· · · · efektivita absorpce, a s přihlédnutím základním materiálů a tvarům stínících komponentů, by měl rovněž umožňovat velkou variabilitu. V neposlední řadě by měl být způsob dobře proveditelný i z technického hlediska a měl by rovněž umožňovat zhotovení zejména lehčích absorpčních komponentů, při dosažení alespoň stejné účinnosti absorpce.

K technickému řešení tohoto úkolu je použit způsob zhotovení vrstvy k absorpci neutronů vznikajících při jaderné reakci radioaktivních materiálů, přičemž alespoň část odstiňovacího elementu zhotoveného ze základního materiálu, je na ktomu určených povrchových plochách,opatřena vrstvou, vytvořenou v disperzní lázni z prvků s vysokou pohltivostí neutronů a elektrolyticky, resp. autokatalyticky vyloučitelných kovových prvků. V průběhu tvoření vrstvy je přitom alespoň dočasně vyvolán relativní pohyb mezi povrchovou plochou na níž je vrstva nanášena a disperzní lázní, přičemž prvek s vysokou schopností zachycovat neutrony se v disperzní lázni nachází v elektricky vodivém spojení.

Ukazuje se, že vytváření vrstvy, například vrstvy ze slitiny bor-nikl v disperzní lázni při dočasném relativním pohybu mezi povrchovou plochou na kterou je vrstva nanášena a disperzní lázní, sebou přináší velmi dobré výsledky. V důsledku použití vodivých spojení prvků s vysokou schopností zachycovat neutrony se dosahuje dobré elektrolytické disociace, čímž se podstatně zvyšuje schopnost tvorby této vrstvy. Z toho vyplývá možnost tvorby většího počtu vrstev o menších tloušťkách.

Jako prvky s velkou schopností absorpce neutronů přicházejí v úvahu prvky ze skupiny boru, jak v elementární formě, tak jako karbid boru, qadolinimu, kadmimu, samarimu, europimu nebo disprosimu. Vysoká schopnost absorpce neutronů je vhodná pro velké záchytné průřezy neutronů příslušných komponentů. Jako vodivá spojení se jeví obzvlášť dobře •*6 ···· ·· · ·· ·· • · · ·· · · 9 99

9 9 9 9 9 99 • 9 9 9 9 9 9 9 99 ·· ·· ··· ·· ·· ··· použitelná především metalická spojení. Z nichž je možno jmenovat karbidy kovů, jako například karbid železa, borid niklu a jiné, přičemž výčet těchto prvků může být případně rozšířen. Vodivost je důležitá pro dobrou elekrolytickou asociaci, takže tento způsob může být prováděn s vysokou spolehlivostí a reprodukovatelností i při menších nárocích na okrajové podmínky.

Jako elektrolyticky, resp. autokatalyticky vylučované metalické prvky, přicházejí v úvahu zejména nikl, kadmium nebo měď. Prvky s velkou schopností absorpce neutronů jsou s vyhovujícím účinkem zabudovány v kovové matriční mřížce.

S obzvláštní výhodou jsou rovněž používány izotopy příslušných prvků, které vykazují zvětšenou schopnost absorpce neutronů. Je například známo, že použití izotopu ¹¹B vykazuje schopnost zachytávání neutronů od 0,005 barn (jednotka účinného průměru), zatímco použití izotopu ¹⁰B představuje 3837 barn. Použitím vhodného izotopu je tak možno dosáhnout vytvoření absorpční vrstvy o menší tloušťce.

V důsledku značné schopnosti tvorby absorpční vrstvy se tak dosahuje velmi vysoké efektivity. Absorpční vrstvy vykazují tloušťku řádově do 800 pm. Obzvláštní výhodou způsobu podle vynálezu je jeho nezávislost na základním materiálu, kterým je anorganický materiál, například ocel, ušlechtilá ocel, ocel legovaná borem, titan, hliník, měď, nikl a jiné, včetně příslušných legur. Přes svůj organický charakter může jako základní materiál přicházet v úvahu i materiál z uhlíkových vláken, který vykazuje zvláštní výhodu spočívající v galvanotechnické zhotovitelnosti absorpčních komponentů.

Jedna z možností podle vynálezu spočívá rovněž v tom, že absorpční komponenty lze zhotovit jako celky v dohotoveném stavu, nebo jako díly.

···· ·· · ·· 9·· ♦ ♦· ♦·♦· 9 999 · · ·«····

W 7 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 ·· ·· ··· 4· ·····

V důsledku nezávislosti na základním materiálu, mohou být použity velmi jednoduše obrobitelné materiály. Rovněž je možno vytvořit velmi komplikované tvary absorpčních komponentů, například nádrží, košů a pod., které jsou podle vynálezu následně opatřeny absorpční vrstvou.

V důsledku velké schopnosti tvorby vrstvy, je stínění mimořádně efektivní, takže absorpční vrstvy mohou být extrémně tenké. Oproti absorpčním komponentům zhotoveným obvyklými způsoby, tak lze dosáhnout až 50% snížení váhy. Nádrže k uložení palivových článků, vážící podle dosavadních výrobních postupů kolem 10 tun, mohou být způsobem podle vynálezu nyní zhotoveny řádově o váze od 4 do 6 tun.

Absorbéry mohou být sestaveny z předem vyrobených jednotlivých dílů. Sestavení těchto dílů do kompletních úložných míst, nebo nádrží, může být provedeno tvarovým spojením. Způsob podle vynálezu rovněž umožňuje, aby bylo celé úložné místo opatřeno absorpční vrstvou. Absorpční vrstva může být v disperzní lázni vytvořena buď chemicky nebo elektrolyticky.

Relativní pohyb mezi povrchovou plochou na níž je absorpční vrstva nanášena a disperzní lázní může být například dosažen vlastním pohybem tohoto dílu v disperzní lázni. Jak známo, prvky jako například bor a jiné, vykazují takové vlastnosti, že z hospodářského hlediska prakticky neumožňují cirkulaci nebo přečerpání disperzní lázně. Každé cirkulační nebo přečerpávací zařízení by bylo v krátkém čase zaneseno. Přesto k dostatečnému promíchání disperzní lázně dochází v důsledku relativního pohybu, čímž rovněž dochází k náležité orientaci disperze na povrchovou plochu, na kterou je nanášena absorpční vrstva. Vedle pohybu samotného dílu v disperzní lázni, se může za účelem dosažení relativního pohybu pohybovat celé nanášecí zařízení. Nanášení vrstev tak může být například prováděno v zařízení ve tvaru bubnu. Relativní pohyb také může být dosažen samotným pohybem disperzní lázně, ···· ·· · ·· ··· • 4 · ·» 4 4«··« • · 4 ······ w 8 ···♦ ·····« ·· ·· ··· 9· 9· 444 například vháněním plynu, zejména vzduchu, ultrazvukem, nebo kombinací obou.

Povrchové plochy, na něž je nanášena absorpční vrstva, jsou podle vynálezu v disperzní lázni výhodně orientovány směrem nahoru. Tím je myšleno, že tyto povrchové plochy jsou v disperzní lázni uspořádány tak, že částice nacházející se v disperzní lázni, na ně klesají svou vlastní vahou. Tímto opatřením, zejména v kombinaci s dočasným relativním pohybem mezi povrchovou plochou a disperzní lázní, se při nanášení vrstev podle vynálezu dosahuje zvlášť vynikajících výsledků.

Způsob nanášení vrstev může být podle vynálezu prováděn v keramických nebo skleněných vanách, čímž je zaručena naprostá čistota disperzní lázně.

Podle vynálezu je tak vytvořen jednoduše proveditelný, hospodárný a efektivní způsob zhotovení absorpčních komponentů k absorpci neutronů, který je především nezávislý na použití základních materiálů, přičemž tyto komponenty jsou při srovnatelných účincích absorpce podstatně lehčí, než komponenty zhotovené dosavadními způsoby.

Vynález se dále týká absorbérů zhotovených výše popsaným způsobem. Ty se vyznačují tím, že jsou opatřeny vrstvou sestávající z prvků s vysokou pohltivostí neutronů a niklu, přičemž podíl těchto prvků dosahuje až 60 obj. %, popřípadě kolem 40 obj. %. Tloušťka vrstvy se přitom pohybuje v rozmezí od 350 pm do 800 pm, a je vytvořena na základním anorganickém materiálu, například oceli, titanu, mědi, popřípadě jiném materiálu. Způsobem podle vynálezu mohou být rovněž vytvořeny vrstvy až do tloušťky 2000 pm. Nanášení vrstev je prováděno chemicky, popřípadě elektrolyticky. Absorpční vrstvou přitom může být opatřen jak odstiňovací element v již v dohotoveném ···· ·« · ·· ··· ··· ·· · · 4 4··

4 4 4 4 4 4 44

Wk 9 · · · 4 4 4 4· ·· ·· ·4· 4« 44··» stavu, nebo může být sestaven z jednotlivých dílů, před tím opatřených absorpční vrstvou. Jako elektrolyt může být například použit nikl - fosfor, nebo elektrolytický nikl.

Pokusně byly na ocelové desky nanášeny vrstvy v nikl - borkarbidové disperzní lázni. Desky přitom byly každé půl hodiny v lázni obraceny a občas podrobeny malému pohybu za účelem dosažení jednak relativního pohybu mezi povrchovými plochami a disperzní lázní, a jednak proto, aby povrchové plochy, které mají být opatřeny absorpční vrstvou, byly v disperzní lázni orientovány směrem nahoru. Jak následné analýzy prokázaly, obsah karbidu boru v matriční mřížce niklu činil kolem 40 obj. %.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob zhotovení povlaku k absorpci neutronů vzniklých při jaderné reakci radioaktivních materiálů, přičemž alespoň část odstiňovacího elementu zhotoveného ze základního materiálu je na své, ktomu předem určené povrchové ploše, opatřena v disperzní lázni vytvořenou vrstvou, tvořenou prvky s vysokou pohltivostí neutronů a elektrolyticky, resp. autokatalyticky vyloučitelnými kovovými prvky, přičemž během procesu nanášení vrstvy je alespoň dočasně vytvořen relativní pohyb mezi povrchovou plochou na níž je nanášena vrstva a disperzní lázní, přičemž prvek s vysokou pohltivostí neutronů je v disperzní lázni v elektricky vodivém spojení.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že jako prvek s vysokou pohltivostí neutronů, je použit alespoň jeden z prvků ze skupiny bor, gadolinimu, kadmimu, samarimu, europimu nebo dysporsimu.
3. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že jako elektrolyticky, resp. autokatalyticky vyloučitelný kovový prvek je použit jeden z prvků ze skupiny nikl, kadmium nebo měď.
4. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že jako vodivé spojení prvku s vysokou pohltivostí neutronů je použito kovové spojení.
5. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že pro vodivé spojení prvku s vysokou pohltivostí neutronů je použit borid železa.
6. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že jako prvek s vysokou pohltivostí neutronů je použit prvek ve formě izotopu s ještě vyšší pohltivostí neutronů.
7. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že relativní pohyb je vytvořen v důsledku pohybu dílu na který je nanášena absorpční vrstva.

•Plti* · · · · ·*

9 9 9 99 9 9 9 9·9

9·· »····· • 11 ·* · * · · ··· «· · ·· ·· *»· 9« 9«*··
8. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že relativní pohyb je vytvořen vháněním plynu do disperzní lázně a/nebo nanášením vrstvy ultrazvukem.
9. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že vrstva je tvořena chemicky.
10. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že vrstva je tvořena elektrolyticky.
11. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že vrstva vykazuje tloušťku do 800 pro.
12. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že prvek s vysokou pohltivostí neutronů, nebo ve svém vodivém spojení, je kovové matriční mřížce obsažen až do 60% objemových.
13. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že disperzní lázeň je v průběhu procesu nanášení vrstvy alespoň občas promíchána.
14. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že způsob je prováděn v keramické nebo skleněné vaně.
15. Absorbér zhotovený způsobem podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že sestává z anorganického základního materiálu, na němž je vytvořena vrstva sestávající z prvku s vysokou pohltivostí neutronů a z elektrolyticky, popřípadě autokatalyticky vyloučitelného kovového prvku, přičemž v této vrstvě je prvek s vysokou pohltivostí neutronů obsažen více než 20 ti % objemovými.