CZ291292B6 - Způsob výroby povlaku pro absorpci neutronů - Google Patents

Abstract

P°i zp sobu v²roby povlaku pro absorpci neutron , vznikaj c ch p°i jadern²ch reakc ch radioaktivn ch materi l , se alespo st odsti ovac ho prvku, sest vaj c ho ze z kladn ho materi lu, opat°uje pomoc disperzn l zn , obsahuj c b r, na sv²ch k tomu ur en²ch povr ch b roniklovou vrstvou, p°i em b hem procesu povl k n se alespo po st doby povl k n vykon v relativn pohyb mezi povl kan²m povrchem a disperzn l zn . Odsti ovac prvek, vyroben² t mto zp sobem, sest v ze z kladn ho anorganick ho materi lu s na n m vytvo°enou b roniklovou vrstvou, kter obsahuje v ce ne 20 % obj. b ru nebo karbidu b ru.\

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby povlaku pro absorpci neutronů, vznikajících při jaderných reakcích radioaktivních materiálů. Vynález se týká také odstiňovacího prvku tímto způsobem vyrobeného.

Dosavadní stav techniky

Při manipulaci s radioaktivními materiály, zejména pocházejícími z oboru jaderné reaktorové techniky, se tyto materiály vždy podle účelu, materiálu a stavu, například pro výměnu a/nebo přezkoušení jakož i transport a/nebo skladování, navzájem odstiňují pro zamezení dalších jaderných reakcí vyvolaných neodvratně vyzařovanými neutrony. Pro dosažení požadované absorpce neutronů se obvykle vyrábějí absorpční prvky ve formě různých krabic, nádob a trubic nebo obdobných konfigurací, které obklopují předmět vysílající neutrony a tím jej odstiňují. Použití takovýchto absorpčních prvků umožňuje například kompaktní skladování předmětů vysílajících neutrony, zejména palivových článků z jaderných energetických zařízení.

Z EP-A1-0 385 187 je znám skladový oddíl pro skladování palivových článků, ve kterém absorpční plechy tvoří množství krabic, které obklopují palivové články po celé jejich délce.

V případě těchto absorpčních prvků se jedná o krabice popř. trubice z materiálu absorbujícího neutrony, například borové oceli, ušlechtilé oceli s podílem bóru 1 až 2 %. Nehledě na nezbytné výrobní náklady, jsou tyto absorpční prvky drahé a účinnost je ohraničena omezeným podílem bóru. Při pokusu zvýšit podíl bóru byla zkoumána stabilita slitiny bór-nikl. Obsah bóru může být sice zvýšen až na 8 %, zároveň se však také zvyšují náklady přibližně faktorem 10, takže ekonomické použití takovýchto trubic nepřichází v úvahu.

Pro jiné účely, například pro transport a/nebo skladování radioaktivních materiálů, se používají způsoby, při kterých se na kovové povrchy zásobníků vylučují niklové vrstvy.

V US 4 218 622 je popsán složený absorpční prvek, který obsahuje tenkou nosnou fólii nebo tenký nosný plech, na který je nanesena polymemí matrice, v níž jsou uloženy částice karbidu bóru. Jako materiál nosné fólie popř. nosného plechu se s výhodou používá polymer zesílený skelnými vlákny. Částice karbidu bóru jsou rovnoměrně rozděleny na povrchu polymemí matrice s koncentrací bóru až 0,1 g/cm². Při použití složeného absorpčního prvku ve skladovém oddílu pro palivové články má tento absorpční prvek tloušťku až 7 mm, je vytvořen ve formě fólie nebo plechu a je zavěšen mezi vnitřní stěnou a vnější stěnou. Zdaje zajištěno homogenní rozdělení částic karbidu bóru v povrchu polymemí matrice po delší dobu, zejména s ohledem na možný otěr povrchu, není z US 4 218 622 zřejmé.

V EP 0 016 252 Al je popsán způsob výroby absorpčního prvku absorbujícího neutrony. Při způsobu se prostřednictvím plazmového stříkání nanáší na substrát karbid bóru spolu s kovovou složkou, přičemž karbid je vázán v matrici kovové složky. Způsob se dále provádí tak, aby bylo zamezeno oxidaci. Takto vyrobený absorpční prvek musí být stálý vůči kapalnému médiu, které se nachází například ve skladovacích nádržích palivových článků. Tloušťka vrstvy z kovu a karbidu bóru, nanesená prostřednictvím plazmového stříkání, činí alespoň 500 pm. Podíl karbidu bóru činí asi 50% obj. Jako kovová substance přichází v úvahu hliník, měď a nerezová ocel, přičemž substrát obsahuje tutéž kovovou substanci jako nastříkávaná vrstva. Pro dosažení účinné absorpce neutronů je nezbytná poměrně silná vrstva karbidu bóru, zejména o tloušťce 3 až 6 mm.

Z DE 1 037 302 a DE 2 361 363 je známo opatřovat trubice, zejména konzervové nádoby, na jejich vnější ploše elektrolyticky absorpčním materiálem pro ochranu proti radioaktivnímu záření. Pokud jde o technologický postup a zařízení pro provozní provádění úprav fyzikálně chemického stavu a látkových změn pro nanášení absorpčních materiálů, nelze z DE 1 037 302 5 a DE 2 361 363 odvodit žádné informace.

Z EP-A2-0 055 679 je znám způsob výroby odstiňovacích prvků, při kterém se karbid bóru buď způsobem plazmového povlékání nastříká povrch odstiňovacího prvku, nebo se po elektrochemickém nebo chemickém předniklování odstiňovacího prvku na jeho povrch rozprostře 10 karbid bóru jako prášku, načež se odstiňovací prvek následně elektrochemicky nebo chemicky ponikluje. Podle tohoto způsobu lze nanášet na povrch jen malá množství karbidu bóru, | v množství přibližně 20 % hmotn. vztaženo na nikl. Proto jsou nutné velmi silné vrstvy, takže jsou tyto dříve známé způsoby nehospodámé. V praxi nebyly tyto způsoby dále použity, neboť nejsou ani technologicky realizovatelné. Nanášení prášku na povrch ve smyslu rozprostření 15 nepředstavuje opatření zajišťující spolehlivou průmyslovou výrobu.

Veškeré dříve známé způsoby a pomocí nich vyrobené odstiňovací prvky je možno pokládat za nehospodámé ve smyslu vysokých výrobních nákladů a velké spotřeby materiálu. Kromě toho je omezena variabilita tvaru odstiňovacího prvku a šíře možností jeho použití.

Výroba borové oceli je mimořádně nákladná. Ocel se taví a bór se prostřednictvím nákladného způsobu obohacuje až na valenční číslo 10 a mísí se s roztavenou ocelí. Získává se tak borová ocel s 1,1 až 1,4 % hmotn. bóru. Tato ocel se velmi špatně zpracovává, je mimořádně křehká a špatně se svařuje. Z ní vyrobené odstiňovací prvky mají mimořádně vysokou hmotnost při 25 průměrných absorpčních vlastnostech. Například jsou známy skladovací vnitřní nádoby, takzvané koše, vyrobené z borové oceli, pro meziskladování palivových článků, které mají hmotnost asi 101.

Podstata vynálezu

Vycházeje ze známého stavu techniky je předložený vynález založen na úkolu poskytnout způsob výroby povlaku pro absorpci neutronů vznikajících při jaderných reakcích radioaktivních materiálů, ekonomicky a jednoduše realizovatelný, se zvýšenou efektivností absorpce, umožňu35 jící větší variabilitu pokud jde o základní materiály a tvar odstiňovacího prvku, a zejména umožňující výrobu lehčích odstiňovacích prvků při alespoň stejné kvalitě absorpce.

Pro technické vyřešení tohoto úkolu je navržen způsob výroby povlaku pro absorpci neutronů vznikajících při jaderných reakcích radioaktivních materiálů, při kterém se alespoň část odstiňo40 vacího prvku, sestávajícího ze základního materiálu, opatřuje pomocí disperzní lázně, obsahující bór, na svých k tomu určených površích boroniklovou vrstvou, přičemž během procesu povlékání se alespoň po část doby povlékání vykonává relativní pohyb mezi povlékaným povrchem a disperzní lázní.

Překvapivě se ukázalo, že vytvoření boroniklové vrstvy v disperzní lázni při občasném relativním / pohybu mezi povlékaným povrchem a disperzní lázní přináší velmi dobré výsledky. Na rozdíl od dosud dosažených vložených množství je možné zabudovat do niklové matrice přibližně > 20 % I obj., s výhodou až > 40 % obj. Bór může být obsažen v disperzi jako karbidu bóru (B₄C), nebo podle zvláště výhodného návrhu vynálezu jako bór v elementární formě. Při použití elementár50 ního bóru lze dosáhnout ještě mnohem většího vloženého množství bóru.

Vysokými vloženými množstvími bóru je dána mnohem vyšší účinnost. Absorpční vrstvy mají rozměry přibližně 350 až 500 pm, to znamená že jsou mimořádně tenké. Kromě toho je zvláštní

-2CZ 291292 B6 výhodou nezávislost způsobu na základním materiálu. S výhodou se používá anorganický základní materiál, například ocel, titan, měď, nikl a podobně. Navzdory jeho organické povaze a tím choulostivosti k neutronovému záření je možno jako základní materiál použit také materiál z uhlíkových vláken. Materiál z uhlíkových vláken má zvláštní výhodu spočívající vgalvanotechnické zhotovitelnosti absorpčního prvku.

Podle vynálezu je možné zhotovit absorpční prvek v hotovém stavu nebo v jednotlivých dílech. Vzhledem k nezávislosti na základním materiálu je možno použít jednoduše zpracovatelné materiály. Na druhé straně je však možno také předem zhotovit a následně podle vynálezu povlékat i velmi složité tvary odstiňovacích prvků, nádob, košů a podobně.

Vzhledem k velkému zabudovanému množství je odstínění mimořádně efektivní, takže vrstvy mohou být extrémně tenké. Tak jsou možné úspory hmotnosti až 80 % vzhledem k odstiňovacím prvkům vyrobitelným dosavadními způsoby. Skladovací vnitřní nádoby, koše, používané v současné době v takzvaném programu Castor ke skladování palivových článků, vážící dosud 101, je možno způsobem podle vynálezu nyní vyrobit v hmotnosti přibližně 2,5 až 3 t.

Základní materiál lze předem zhotovit jako hotový celek nebo jednotlivý díl pro vytvoření hotových odstiňovacích prvků z jednotlivých dílů. Povlékání v disperzní lázni se provádí chemicky nebo elektrolyticky.

Relativní pohyb mezi povlékaným povrchem a disperzní lázní se může provádět například pohybem povlékaného prvku v disperzní lázni. Jak známo, prvky jako bór mají takové vlastnosti, že přelévání nebo přečerpávání disperze není ekonomicky možné. Každý přelévací nebo přečerpávací agregát by se v nejkratším čase opotřeboval. Prostřednictvím relativního pohybu se však jednak dosáhne dobrého promíchání nebo opakovaného promíchání disperze, jednak směrovaného přívodu disperze na povlékaný povrch. Vedle pohybu prvku samotného se může za účelem vyvolání relativního pohybu pohybovat také celé povlékací zařízení. Pro provádění povlékání je možné použít například buben.

Zvláště výhodné podle vynálezu je, když je povlékaný povrch v disperzní lázni uspořádán povlékaným povrchem nahoru. Tím se rozumí, že povlékaný předmět je v disperzní lázni uspořádán tak, že částice nacházející se v disperzi účinkem tíže klesají na povrch. Toto uspořádání podle vynálezu, zejména v kombinaci s občasným vyvoláváním relativního pohybu mezi povrchem a disperzní lázní, zvýhodňuje vynikající výsledky povlékání.

Zvláště výhodné podle vynálezu je, když se způsob povlékání provádí ve skleněné vaně. Tím je zajištěna zvláštní čistota disperzní lázně.

Vynález poskytuje jednoduše realizovatelný, ekonomický a velmi efektivní způsob výroby odstiňovacích prvků pro absorpci neutronů, umožňující zejména nezávisle na základním materiálu vyrobit odstiňovací prvky, při srovnatelných absorpčních účincích značně lehčí než známé odstiňovací prvky.

Vynález se dále týká odstiňovacích prvků vyrobených popsaným způsobem. Ty se vyznačují tím, že mají boroniklový povlak s podílem bóru v elementární formě nebo karbidu bóru větším než 20 % obj., popřípadě 40 % obj. Tloušťka vrstvy je 350 až 500 pm, přičemž vrstva je vytvořena na anorganickém základním materiálu jako je ocel, titan, měď nebo podobně. Vytváření se provádí chemicky nebo elektrolyticky. Odstiňovací prvek může být povlečen v hotové formě nebo může být sestaven z jednotlivých povlečených součástí.

-3CZ 291292 B6

Příklady provedení vynálezu

Běžné ocelové desky byly elektrolyticky povlečeny v disperzní lázni nikl/karbid bóru. Přitom byly desky každou půlhodinu v lázni obráceny a občas pohybovány nahoru a dolů, jednak pro 5 vyvolání relativního pohybu mezi povrchy a disperzní lázní, jednak pro uspořádání povlékaného povrchu aby byl obrácen v lázni směrem nahoru. Karbid bóru byl zabudován v niklové matrici v množství 40 % obj., jak ukázaly následné analýzy.

Claims (13)

15 1. Způsob výroby povlaku pro absorpci neutronů, vznikajících při jaderných reakcích radioaktivních materiálů, vyznačující se tím, že se alespoň část odstiňovacího prvku, sestávajícího ze základního materiálu, opatřuje pomocí disperzní lázně, obsahující bór, na svých k tomu určených površích boroniklovou vrstvou, přičemž během procesu povlékání se alespoň po část doby povlékání vykonává relativní pohyb mezi povlékaným povrchem a disperzní lázní.

2. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že relativní pohyb mezi povlékaným povrchem a disperzní lázní se provádí pohybem povlékaného prvku.

3. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že povlé-

25 kaný povrch je při povlékání v disperzní lázni obrácen směrem nahoru.

4. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se provádí pomocí disperzní lázně s karbidem bóru.

30

5. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se provádí pomocí disperzní lázně s bórem v elementární formě.

6. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se povlékání provádí chemicky.

7. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se povlékání provádí elektrolyticky.

8. Způsob podle některého z nároků 1 až 5, v y z n a č u j í c í se t í m, že se vytváří vrstva 40 o tloušťce 350 až 500 pm.

9. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vy zn a č uj í c í se tím, že se bór, popřípadě karbid bóru, zabudovává do niklové matrice v množství více než 20 % obj.

45

10. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se bór, popřípadě karbid bóru, zabudovává do niklové matrice v množství více než 40 % obj.

11. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se disperzní lázeň při povlékání alespoň občas promísí.

12. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se provádí ve skleněné vaně.

-4CZ 291292 B6

13. Odstiňovací prvek vyrobený způsobem podle alespoň jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že sestává z anorganického základního materiálu s na něm vytvořenou vrstvou boroniklovou vrstvou, která obsahuje více než 20 % obj. bóru nebo karbidu bóru.