FI85923B - Absorbator foer nukleaer straolning. - Google Patents

Description

1 85923

Ydinsäteilyn imeytin

Esillä oleva keksintö liittyy ydinsäteilyn imeyttimeen.

Ydintekniikan kehittymisen myötä on kaikkialla maailmassa tehty lukuisia tutkimuksia tehokkaiden ja kilpailukykyisten ydinsäteilyn imeyttimien suunnittelemiseksi ja valmistamiseksi. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi on niiden valmistukseen käytettävien materiaalien täytettävä seuraavat kriteerit: - niillä on oltava erityisiä ydintekniikkaan soveltuvia ominaisuuksia: suuri tehollinen sieppauspoikkipinta, pieni se- ·. *: kundaariemissio, hyvä stabiilisuus säteilyn suhteen ajan . mittaan, - niillä tulee olla korkea sulamispiste, jotta ne kestävät hyvin säteilyn, etenkin ydinsäteilyn, absorboimisen aiheut- - ;·. tamaa kuumentumista, - niiden tulee johtaa hyvin lämpöä, jotta syntyneet kalorit poistuvat nopeasti, - niiden mekaanisten ominaisuuksien tulee olla sellaiset, että ne ovat helposti muovattavia, - niiden tulee kestää säätilojen tai työympäristön aiheutta-maa korroosiota, - niiden tulee olla mahdollisimman huokeita.

.···. Kaikista neutronien absorboimiseen käytetyistä aineista tun- * · · netuimmat ovat kadmium, samarium, europium, boori ja gadoli-nium.

Kadmiumin haittana on, että se on erittäin myrkyllinen aine ja että sen sulamislämpötila (321°C) ja kiehumislämpötila (765°C) ovat alhaiset. Samariumia ja europiumia ei ole juurikaan käytetty teollisuudessa niiden liian korkean hinnan vuoksi.

2 85923

Laajimmin niistä on käytetty booria, jota käytetään erilaisissa muodoissa: alkuaineboorina, borideina, boorikarbi- dina, boorihappona jne. Tästä asiasta on muuten jätetty monia patenttihakemuksia. Tällä aineella on kuitenkin hyvin huonot mekaaniset ominaisuudet ja se joudutaan laimentamaan voimakkaasti johonkin metallialustaan, kuten esimerkiksi alumiiniin, jotta saataisiin aikaan tarvittavat ominaisuudet kunkintyyppisen imeyttimen muovaamiseksi. Mutta tällä tavoin sen absorptiokyky heikkenee suuresti ja se joudutaan kompensoimaan käytetyn materiaalin tilavuutta suurentamalla, mikä loppujen lopuksi nostaa tuntuvasti imeyttimen hintaa. Joka tapauksessa kun boori ei käytännöllisesti katsoen liukene alumiiniin, saatu aine on yhdistelmätuote, jonka valmistukseen joudutaan käyttämään varsin monimutkaisia menetelmiä, jos boori halutaan saada jakautumaan tasaisesti alumiinialustaan ja halutaan välttää absorptiokyvyn epätasaisuus .

Gadoliniumia ja sen oksidia on käytetty jo monia vuosia erilaisissa ydinlaitteistoissa, joissa ne polttoaineeseen sekoitettuina toimivat hidasteena. Mutta niiden käyttäminen säteilyn imeyttimien rakentamiseen synnyttää ongelmia.

Oksidi, joka on yleensä saatavana jauheena, joudutaan puo- • · .**: lestaan sekoittamaan muihin aineisiin erittäin monimutkai- siä menetelmiä käyttäen ja sen erittäin huonot mekaaniset · ominaisuudet tekevät sen käytön muodoltaan monimutkaisia imeyttimiä valmistettaessa sekä hankalaksi että kalliiksi.

: Lisäksi tämä oksidi johtaa huonosti lämpöä ja sen absorptio- kyky on suhteellisen heikko alkuainegadoliniumin absorptio-kykyyn verrattuna.

I..* Tämän metallin itsensä hinta on korkea ja sen käyttö vaikeaa sen vuoksi, että se hapettuu erittäin herkästi.

:** : Gadoliniumilla on kuitenkin hitaiden neutronien spektrissä kaikista tunnetuista absorptioaineista kaikkein suurin te-: hollinen sieppauspoikkipinta. Etenkin booriin verrattuna 3 85923 sen sieppausala on kysymyksen ollessa termisistä neutroneista, joiden energia on 10’2 eV, 100-kertäinen. Kun kysymyksessä ovat nopeat neutronit, sen teho on yhtä hyvä kuin boorin.

Sen vuoksi hakija on tuntien gadoliniumin edullisuuden, mutta myös sen haitat, tutkinut asiaa ja keksinyt keinon, jolla siitä voidaan valmistaa edullisia ydinsäteilyn imeyttimiä.

Tämä imeytin on tunnettu siitä, että se muodostuu gadoliniu-mista, johon on lejeerattu alumiinia, joka on valittu ryhmästä, joka käsittää puhtaan alumiinin, alumiinilejeeringit sekä puhtaat ja lejeeratut alumiinit, jotka sisältävät jonkin dispergoidun faasin.

Kysymykseen tulee siis gadoliniumin ja alumiinin seos, jossa gadoliniumin määrä sijoittuu välille 0,05-70 paino-%. Jos sen määrä jää alle 0,05 %:n, absorptiovaikutus osoittautuu liian pieneksi, ja yli 70 % käytettäessä syntyy seosteen valmistuksessa vaikeuksia. Mieluiten tämä haarukka asettuu välille 0,1-15 % ja se riippuu imeytettävän säteilyn laadusta ja vuosta.

Käytetty alumiini voi olla puhdasta, olipa se sitten raf-finoitu millä tahansa tavalla, kuten kolmikerroselektrolyy-sillä tai fraktiokiteyttämällä tai yksinkertaisesti talteen-otettuna elektrolyysialtaista tavanomaisine epäpuhtauksi-: : neen, kuten rautaa ja piitä sisältävänä.

Mutta tämä alumiini voi olla myös jotakin tavanomaista seos-tetta, kuten Aluminium Associationin standardin mukaan luvuilla 1000, 5000 ja 6000 merkittyjä, jolloin valmistettujen imeyttimien mekaanisia ominaisuuksia saadaan vahvennetuksi, tai vielä alumiinia, johon on seostettu vähintään yhtä muuta ’ myös absorboivaa metallia, kuten kadmiumia, samariumia, eu- ropiumia, litiumia, hafniumia, tantaalia, joita viimeksi 4 85923 mainittuja seosteita voidaan myös saada seostyypeistä 1000, 5000 ja 6000.

Lisäksi alumiini, joka on seostettua tai ei ole seostettua, voi sisältää jonkin dispergoidun faasin, kuten hiilikuituja tai muita senkaltaisia, joilla vahvistetaan imeyttimien mekaanista lujuutta, tai vielä näihin kuituihin yhdistettynä tai erillisenä jotakin säteilyä absorboivaa ainetta, kuten esimerkiksi booria ja sen johdannaisia, jota voi olla 30 %:iin asti käytetyn alumiinin painosta.

Tällä tavoin valmistetut gadolinium-alumiiniseokset voidaan niiden hyvien mekaanisten ominaisuuksien vuoksi helposti jalostaa minkä tahansa muotoisiksi imeyttimiksi ainakin yhdellä seuraavista valmistusmenetelmistä: hiekka- tai kokillivalu pienpaine- tai suurpainevaluna, kuuma- tai kylmävalssaus, suulakepuristus ja taonta.

Näistä seoksista saadaan täysin homogeenisia rakenteita, joissa teholliset sieppauspoikkipinnat ovat erittäin tasaiset. Lisäksi niiden tiheydeksi, joka vaihtelee Gd:n prosentuaalisesta osuudesta riippuen, saadaan, 30 paino-%:n Gd-pitoisuuteen saakka, lähellä alumiinin tiheyttä oleva arvo, jolloin voidaan valmistaa erittäin kevyitä neutronivalleja. Taulukossa I annetaan tiheysarvot kahdelle vain kaksi ainetta sisältävälle Al-Gd-seokselle, joista toisessa on 11 % Gd:a ja toisessa 25 % Gd:a.

Taulukko I; Kaksi ainetta sisältävien Al-Gd-seosten tiheydet

Paino-% Gd:a Tiheys IL 2,92 25 3,12 5 85923

Alumiinialusta antaa valmiille tuotteille erinomaisen läm-mönjohtokyvyn (120-180 W/m° K2 valitusta alumiinialustasta riippuen), jolloin absorption synnyttämä lämpö saadaan nopeasti poistetuksi ulompiin jäähdytyskiertoihin·

Testattujen Al-Gd-seosteiden sulamisen alkupiste on erittäin korkea, useimmissa tapauksissa yli 620°C; tämän ominaisuuden ansiosta tällä tavoin valmistetut neutronivallit kestävät helposti neutronien tai muun säteilyn absorboimi-sen synnyttämän kuumuuden.

Kun Gd:n atomipaino on erittäin korkea (156,9 g), erityisesti^- ja X-säteet imeytyvät voimakkaasti.

Korroosion kestävyyteen ei gadoliniumin mukanaolo yleisesti ottaen vaikuta tai vaikuttaa vain vähän, ja korroosion kestävyysominaisuudet ovatkin lähellä käytettyjen alumiinialus-tojen vastaavia ominaisuuksia. Sarjan 1000, 5000 ja 6000 seosteet kestävät erinomaisesti sään tai meri-ilmaston aiheuttamaa korroosiota. Tätä kestävyyttä voidaan vielä parantaa käsittelemällä pintaa sopivalla tavalla (peittämällä oksidikalvolla, alodinoimalla, maalaamalla, päällystämällä muovilla jne.).

Mekaaniset ominaisuudet ovat hyvät ja ne riippuvat valitusta alumiinialustasta. Kun kysymys on vain kaksi ainetta sisältävistä alumiini-gadoliniumseoksista, mekaaniset ominaisuudet vaihtelevat gadoliniumpitoisuudesta riippuen; taulukossa II annetaan tulokset, jotka saatiin valetuista seoksista, joista toinen sisälsi 12 paino-% Gd:a ja toinen 25 %.

6 85923

Taulukko II; Kaksi ainetta sisältävien Al-Gd-seosten mekaaniset ominaisuudet

Paino-% Gd:a Rm MPA Rp 0,2 MPA A % HB

12 % 1.40 60 17 40 25 % 80 55 0,8 54

Taulukossa III on esitetty tulokset, jotka saatiin valssatuista seoksista, joissa Gd-pitoisuus oli 11 paino-%.

Taulukko III: Valssatusta Al-Gd-seoksesta mitatut mekaaniset veto-ominaisuudet

Paino-% Pituussuuntaan Pituussuuntaan

Gd:a päinvast. suuntaan

Rm Rp 0,2 A% Rm Rp0,2A% HB

MPA MPA MPA MPA

11 130 110 15 130 110 10 42 Käyttämällä alumiinialustoja, joihin on lisätty sellaisia alkuaineita kuten kuparia, piitä, sinkkiä, magnesiumia jne., lujuutta ja kimmorajaa voidaan voimakkaasti lisätä, jolloin saadaan seuraavat arvot:

Rm 280 - 320 MPA

Rp 0,2 220 - 260 MPA

A % 3 - 10 %.

Edellä mainitut korkeammat arvot eivät ole rajoittavia, sillä on selvää, että kolme, neljä, viisi jne. ainettta sisältävillä gadoliumseoksilla voitaisiin saada paljon edellä 7 85923 mainittuja korkeampia arvoja.

Näiden metalliseosten työstäminen ei tuota minkäänlaisia vaikeuksia, sillä huomioitavat parametrit ja työnopeudet ovat samat kuin ne, joita yleensä käytetään alumiiniseoksien yhteydessä.

Tämän keksinnön sovellutukset ovat monenlaiset ja ne koskevat kaikkia aloja, joilla kysymys on säteilyn imeyttämisestä (neutronien, -säteiden, X-säteiden, riippumatta siitä, onko kysymys sotilaallisesta vai siviilialas-ta) ·

Esimerkkeinä sovellutuksista mainittakoon: ydinjätteiden kuljetus- ja varastointikorit, ydinreaktorin polttoaine-elementtien varastointialtaiden telineet, puhdistuslaitosten suojaus, sotilasajoneuvojen panssarointi, ydinlaskeumasuo-jat, ydinreaktorien elementit, valvontalaitteiden, joissa käytetään säteilyä tai radioaktiivisia lähteitä, suojaus jne. Tätä luetteloa ei ole tarkoitettu mitenkään rajoittavaksi.

Claims (11)

1. Ydinsäteilyn imeytin, tunnettu siitä, että se muodostuu gadoliniumista, johon on lejeerattu alumiinia, joka on valittu ryhmästä, joka käsittää puhtaan alumiinin, alumiini-lejeeringit sekä puhtaat ja lejeeratut alumiinit, jotka sisältävät jonkin dispergoidun faasin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen imeytin, tunnettu siitä, että gadoliniumin määrä on 0,05-70 paino-%.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen imeytin, tunnettu siitä, että gadoliniumin määrä on 0,1-15 %.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen imeytin, tunnettu siitä, että lejeerattu alumiini on valittu seoksista, jotka on merkitty numeroilla 1000, 5000 ja 6000 Aluminium Associationin standardeissa.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen imeytin, tunnettu siitä, että lejeerattu alumiini sisältää ainakin yhtä ydinsäteilyä absorboivaa metallia.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen imeytin, tunnettu siitä, että metalli kuuluu ryhmään, jonka muodostavat kadmium, samarium, europium, litium, hafnium ja tantaali.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen imeytin, tunnettu siitä, että dispergoitu faasi sisältää ainakin yhden ydinsäteilyä absorboivan tuotteen.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen imeytin, tunnettu siitä, : että dispergoitu faasi muodostuu boorista tai jostakin sen johdannaisesta.

8 85 m

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen imeytin, tunnettu siitä, että booria on 30 %:iin asti alumiinin painosta. 9 85925

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen imeytin, tunnettu siitä, että dispergoitu faasi muodostuu kuiduista.

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen imeytin, tunnettu siitä, että se on valmistettu ainakin yhdellä seuraavista valmistusmenetelmistä: valu, valssaus, suulakepuristus ja taonta.