FR2584852A1

FR2584852A1 - ABSORBER OF NUCLEAR RADIATION

Info

Publication number: FR2584852A1
Application number: FR8510983A
Authority: FR
Inventors: Claude Planchamp
Original assignee: MONTUPET FONDERIES
Current assignee: MONTUPET FONDERIES
Priority date: 1985-07-11
Filing date: 1985-07-11
Publication date: 1987-01-16
Also published as: PT82958B; EP0211779B1; NO862793D0; KR870001611A; GR861792B; DK327786A; PT82958A; ES2001015A6; FI85923C; FR2584852B1; AU6004886A; ATE40763T1; BR8603239A; NO169035C; DK327786D0; KR910007461B1; FI85923B; EP0211779A1; IE58952B1; IE861851L

Abstract

1. An absorber for nuclear radiations characterised in that it is formed by an alloy of gadolinium with an aluminium selected from the group comprising pure aluminium, alloyed aluminium and pure or alloyed aluminium containing a dispersed phase.

Description

1 25848521 2584852

ABSORBEUR DE RADIATIONS NUCLEAIRESABSORBER OF NUCLEAR RADIATION

La présente invention est relative à une absorbeur de radiations nuclé- The present invention relates to a nuclear radiation absorber

aires. Avec le développement des techniques nucléaires, de nombreuses recherches ont été menées à travers le monde pour concevoir et fabriquer des absor- beurs de radiations efficaces et compétitifs. Pour atteindre ce but, il faut que les matériaux mis en oeuvre pour les réaliser répondent aux critères suivants: areas. With the development of nuclear techniques, a great deal of research has been conducted around the world to design and manufacture effective and competitive radiation absorbers. To achieve this goal, the materials used to achieve them must meet the following criteria:

- posséder des propriétés nucléaires particulières: grande section ef- - possess specific nuclear properties: large section ef-

ficace de capture, faible émission secondaire, bonne stabilité dans le capture efficiency, low secondary emission, good stability in the

temps par rapport au rayonnement.time relative to the radiation.

- avoir un point de fusion élevé pour supporter l'échauffement engendré have a high melting point to support the generated heating

par l'absorption des rayonnements, notamment des rayonnements neutroni- absorption of radiation, including neutron radiation.

ques. - être bons conducteurs de chaleur pour assurer une évacuation rapide des c. - be good conductors of heat to ensure rapid evacuation of

calories créées.calories created.

- présenter des caractéristiques mécaniques permettant une mise en forme aisée. - have mechanical characteristics for easy formatting.

- résister à la corrosion dans l'atmosphère ou le milieu de travail. - resist corrosion in the atmosphere or workplace.

- coûter le moins cher possible.- cost the cheapest possible.

Parmi tous les matériaux utilisés pour absorber les neutrons, les plus Of all the materials used to absorb neutrons, the most

connus sont le cadmium, la samarium, l'europium, le bore et le gadolinium. known are cadmium, samarium, europium, boron and gadolinium.

Le cadmium a l'inconvénient d'être un produit très toxique et d'avoir une température de fusion (321 C) et une température d'ébullition (765 C) très basses. Le sanarium et l'europium n'ont pratiquement pas donné lieu Cadmium has the disadvantage of being a very toxic product and having a very low melting temperature (321 C) and a boiling point (765 C). The sanarium and europium practically did not give rise

à un développement industriel à cause de leur prix trop élevé. to industrial development because of their high price.

Le plus largement répandu d'entre eux est le bore qui est utilisé sous différentes formes: bore élémentaire, borures, carbure de bore, acide The most widespread of these is boron which is used in different forms: elemental boron, borides, boron carbide, acid

borique, etc... D'ailleurs, de nombreux brevets ont été déposés à ce su- many patents have been filed for this purpose.

jet. Toutefois, ce matériau a de très mauvaises propriétés mécaniques et jet. However, this material has very poor mechanical properties and

doit être fortement dilué dans une matrice métallique telle que l'alumi- must be strongly diluted in a metal matrix such as aluminum

nium, par exemple, afin d'acquérir les qualités nécessaires pour pouvoir prendre la forme requise par chaque type d'absorbeur. Mais ainsi, son pouvoir absorbant se trouve grandement diminué et doit être compensé par une augmentation du volume de matériau utilisé ce qui, en définitive, élève sensiblement le prix de l'absorbeur. De toute façon, le bore étant nium, for example, in order to acquire the necessary qualities to be able to take the form required by each type of absorber. But thus, its absorbency is greatly reduced and must be offset by an increase in the volume of material used which ultimately raises substantially the price of the absorber. In any case, boron being

pratiquement insoluble dans l'aluminium, le matériau obtenu est un pro- practically insoluble in aluminum, the resulting material is

duit composite dont la réalisation nécessite de recourir à des procédés de fabrication très élaborés si on veut obtenir une dispersion régulière Composite duit the realization of which requires to resort to very elaborate manufacturing processes if one wants to obtain a regular dispersion

du bore dans la matrice d'aluminium et éviter une hétéroniéité de la ca- boron in the aluminum matrix and avoid a heterogeneity of the

pacité d'absorption.absorption capacity.

Le gadolinium et son oxyde sont déjà utilisés depuis de nombreuses années dans diverses installations nucléaires o, mélanges au combustible, ils jouent le rôle de modérateurs. Mais, leur application à la confection Gadolinium and its oxide have already been used for many years in various nuclear installations where, as fuel mixers, they act as moderators. But, their application to the confection

d'absorbeurs de radiations pose des problèmes. of radiation absorbers poses problems.

En ce qui concerne l'oxide, généralement disponible sous forme de poudre, il doit être mélangé à d'autres produits en utilisant des technologies très complexes et ses propriétés mécaniques très mauvaises rendent son application, lors de la réalisation d'absorbeurs de forme complexe, à la As regards the oxide, generally available in the form of a powder, it must be mixed with other products by using very complex technologies and its very poor mechanical properties make its application when producing complex-shaped absorbers. , to the

fois délicate et coûteuse. De plus, cet oxyde a une mauvaise conductibi- once delicate and expensive. In addition, this oxide has a poor conductivity

lité thermique et sa capacité d'absorption est relativement réduite par thermal capacity and its absorption capacity is relatively

rapport a celle du gadolinium élémentaire. compared to that of elementary gadolinium.

Quant au métal lui-même, son prix reste élevé et sa mise en oeuvre diffi- As for the metal itself, its price remains high and its difficult implementation

cile à cause de sa très grande oxydabilité. because of its very high oxidability.

Cependant, le gadolinium présente dans le spectre de neutrons lents la However, gadolinium is present in the slow neutron spectrum

section efficace de capture la plus élevée de tous les absorbeurs connus. highest capture cross section of all known absorbers.

Notamment, comparée au bore, sa section pour des neutrons thermiques d'énergie 10-2 eV est 100 fois plus grande. Quant aux neutrons rapides, In particular, compared to boron, its section for thermal neutrons of energy 10-2 eV is 100 times greater. As for fast neutrons,

son efficacité est aussi bonne que celle du bore. its effectiveness is as good as that of boron.

C'est pourquoi la demanderesse, consciente de l'intérêt du gadolinium, mais aussi de ses inconvénients, a cherché et trouvé le moyen d'en faire This is why the plaintiff, aware of the interest of gadolinium, but also of its disadvantages, sought and found the way to make

des absorbeurs de radiation nucléaires intéressants. interesting nuclear radiation absorbers.

Cet absorbeur est caractérisé en ce qu'il est constitué par un alliage This absorber is characterized in that it consists of an alloy

de gadolinium avec un aluminium choisi dans le groupe comprenant l'alu- gadolinium with an aluminum selected from the group consisting of aluminum

minium pur, l'aluminium allié, l'aluminium pur ou allié contenant une pure aluminum, aluminum alloy, pure aluminum or alloy containing a

phase dispersée.dispersed phase.

Il s'agit donc d'un alliage à base de gadolinium et d'aluminium dans le- It is therefore an alloy of gadolinium and aluminum in the

quel la proportion de gadolinium se situe entre 0,05 % et 70 % en poids. the proportion of gadolinium is between 0.05% and 70% by weight.

En-dessous de 0,05 % l'effet absorbant s'avère trop réduit et au-dessus Below 0.05% the absorbing effect is too small and above

de 70 % se produisent des difficultés d'élaboration de l'alliage. De pré- 70% occur difficulties of elaboration of the alloy. Befor-

férence, cette fourchette se situe entre 0,1 et 15 % et dépend de la na- this range is between 0.1 and 15% and depends on the number of

ture et du flux de radiations à absorber. ture and the flow of radiation to be absorbed.

L'aluminium utilisé peut être pur soit qu'il ait été raffiné par un moyen quelconque tel que l'électrolyse trois couches ou la cristallisation fractionnée ou simplement tel qu'il est recueilli à la sortie des cuves The aluminum used can be pure or it has been refined by any means such as three-layer electrolysis or fractional crystallization or simply as it is collected at the outlet of the tanks

d'électrolyse avec ses impuretés habituelles comme le fer et le silicium. electrolysis with its usual impurities such as iron and silicon.

Mais cet aluminium peut aussi être un alliage classique tel que ceux dé- But this aluminum can also be a classic alloy such as those de-

signés par les nombres 1000, 5000 et 6000 dans les normes de l'Aluminium signed by the numbers 1000, 5000 and 6000 in the standards of Aluminum

Association, ce qui permet de renforcer les propriétés mécaniques des ab- Combination, which reinforces the mechanical properties of

sorbeurs obtenus, ou encore un alliage d'aluminium avec au moins un autre métal ayant également des qualités absorbantes tel que le cadmium, le sorbers obtained, or an aluminum alloy with at least one other metal also having absorbing qualities such as cadmium,

samarium, l'europium, le lithium, l'hafnium, le tantale, ces derniers al- samarium, europium, lithium, hafnium, tantalum, the latter

liages pouvant également être obtenus à partir d'alliage des types 1000, bindings that can also be obtained from alloys of the types 1000,

5000 et 6000.5000 and 6000.

De plus, l'aluminium allié ou non peut contenir une phase dispersée telle In addition, aluminum alloy or not can contain a dispersed phase such

que des fibres de carbone ou autres destinées à renforcer la tenue méca- carbon or other fibers to enhance the mechanical strength of

nique des absorbeurs, ou encore, combiné ou non à ces fibres, un produit absorbant des radiations tel que, par exemple, le bore et ses dérivés absorbers, or, combined or otherwise combined with these fibers, a radiation-absorbing product such as, for example, boron and its derivatives

qui peut représenter jusqu'à 30 % de la masse d'aluminium mise en oeuvre. which can represent up to 30% of the aluminum mass used.

Les alliages de gadolinium-aluminium ainsi réalisés permettent, en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques, d'être facilement transformés en The gadolinium-aluminum alloys thus produced make it possible, because of their good mechanical properties, to be easily converted into

absorbeurs de forme quelconque par l'un au moins des procédés de fabrica- absorbers of any shape by at least one of the methods of

tion choisi parmi le moulage, que ce soit en sable, en coquille, sous basse ou haute pression, le laminage à chaud ou à froid, l'extrusion et selected from the molding, whether in sand, shell, under low or high pressure, hot rolling or cold rolling, extrusion and

le forgeage.forging.

Ces alliages donnent des structures parfaitement homogènes avec des sec- These alloys give perfectly homogeneous structures with

tions efficaces de capture très régulières. De plus, leur densité, qui est variable en fonction du pourcentage de Gd donne, pour des teneurs en very effective catching patterns. In addition, their density, which is variable according to the percentage of Gd gives, for

Gd allant jusqu'à 30 Z en poids, une valeur proche de celle de l'alumi- Gd up to 30% by weight, a value close to that of aluminum

nium, ce qui permet la réalisation de barrières neutroniques très lé- nium, which allows the realization of very light neutron barriers

gères. Le Tableau I donne des valeurs de densité pour deux alliages bi- managed. Table I gives density values for two bi-metal alloys.

naires Al-Gd, l'un à Il Z de Gd, l'autre à 23 Z de Cd. al-Gd, one to Il Z of Gd, the other to 23 Z of Cd.

TABLEAU I: DENSITE D'ALLIAGES BINAIRES Al-Gd % pondéral de Gd Densité Il 2,92 TABLE I: DENSITY OF BINARY ALLOYS Al-Gd% by weight of Gd Density II 2.92

3,123.12

La matrice aluminium confère aux produits finis une excellente conducti- The aluminum matrix gives the finished products an excellent conductive

bilité thermique (de 120 à 180 W/m K2 suivant la matrice aluminium choi- thermal efficiency (from 120 to 180 W / m K2 depending on the aluminum matrix

sie) permettant ainsi d'évacuer rapidement la chaleur créée par l'absorp- to quickly evacuate the heat created by the absorption of

tion vers des systèmes refroidisseurs extérieurs. to external cooling systems.

Le point de début de fusion des alliages Al-Gd testés est très élevé; dans la plupart des cas supérieur à 620 C; cette caractéristique permet The melting point of the Al-Gd alloys tested is very high; in most cases greater than 620 C; this feature allows

aux barrières neutroniques ainsi fabriquées de supporter aisément l'é- neutron barriers thus manufactured to easily support the

chauffement provoqué par l'absorption des neutrons ou d'autres rayonne- heating caused by the absorption of neutrons or other radiation

ments. La masse atomique du Gd étant très élevée (156,9 g), les rayons Y et ments. The atomic mass of Gd being very high (156.9 g), the Y and

X notamment sont fortement absorbés. X in particular are strongly absorbed.

La résistance à la corrosion, d'une manière générale, n'est pas ou peu affectée par la présence de gadolinium, et les propriétés de corrosion sont proches de celles des matrices aluminium utilisées. Les alliages Corrosion resistance, in general, is not or only slightly affected by the presence of gadolinium, and the corrosion properties are close to those of the aluminum matrices used. Alloys

de série 1000, 5000 et 6000 présentent une excellente tenue à la corro- series 1000, 5000 and 6000 have excellent resistance to corro-

sion contre les agents atmosphériques ou en atmosphère marine. Cette te- against atmospheric agents or in a marine atmosphere. This

nue peut encore être-améliorée par des traitements de surface appropriés naked can be further improved by appropriate surface treatments

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(anodisation, alodine, peinture, revêtements plastiques...). (anodizing, alodine, painting, plastic coatings ...).

Les caractéristiques mécaniques sont élevées et sont fonction de la ma- The mechanical characteristics are high and depend on the

trice aluminiu choisie. Dans le cas d'alliages aluminium-gadolinium bi- selected aluminiu trice. In the case of aluminum-gadolinium alloys

naires, les propriétés mécaniques varient avec la teneur en gadolinium; le tableau II donne des résultats obtenus sur alliages moulés, l'un avec une teneur en Gd de 12 Z en poids, l'autre avec un pourcentage pondéral the mechanical properties vary with the gadolinium content; Table II gives results obtained on cast alloys, one with a Gd content of 12% by weight, the other with a weight percentage.

de 25 %.25%.

TABLEAU II - PROPRIETES MECANIQUES D'ALLIAGES BINAIRES Al-Gd Le Tableau III présente les résultats obtenus sur alliages laminés a 11% TABLE II - MECHANICAL PROPERTIES OF BINARY ALLOYS Al-Gd Table III presents the results obtained on 11% rolled alloys

de Gd en poids.Gd in weight.

TABLEAU III - CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE TRACTION SUR ALLIAGE TABLE III - MECHANICAL TRACTION CHARACTERISTICS ON ALLOY

AL-Gd LAMINE % pondéral Sens long Sens travers long RB de Gd RM Rp 0,2 A Z Rm Rp 0,2 A % AL-Gd LAMINE% by weight Long direction Long through direction RB of Gd RM Rp 0.2 A Z Rm Rp 0.2 A%

MPA MPA _PA MPAMPA MPA _PA MPA

Il 1 130 110 15 130 110 10 42 En utilisant des matrices aluminium dopées avec des éléments tels que le Using aluminum matrices doped with elements such as

cuivre, le silicium, le zinc, le magnésium, etc..., le niveau de résis- copper, silicon, zinc, magnesium, etc., the level of resistance

tance et de limite élastique peut être fortement augmenta pour atteindre les valeurs suivantes: Z pondéral de Gd Rm MPA Rp 0,2 MPA A Z HB can be greatly increased to reach the following values: Z weight of Gd Rm MPA Rp 0.2 MPA A Z HB

12 Z 140 60 17 4012 Z 140 60 17 40

Z 80 55 0,8 54Z 80 55 0.8 54

Ra 280 à 320 MPA Rp 0,2 220 à 260 MPA A Z de 3 à 10 Z Les valeurs supérieures ci-dessus ne sont pas limitatives, étant bien entendu que des compositions d'alliages ternaire, quaternaire, quinaire, Ra 280 to 320 MPa Rp 0.2 220 to 260 MPA A Z from 3 to 10 Z The above higher values are not limiting, it being understood that compositions of alloys ternary, quaternary, quinary,

etc..., comportant du gadolinium pourraient donner des valeurs bien su- etc., with gadolinium could give very good values.

périeures à celles-là.below those.

L'usinage de ces alliages métalliques ne pose aucun problème, les para- The machining of these metal alloys is not a problem.

mètres et les vitesses de travail à prendre en compte étant les mêmes meters and working speeds to be considered being the same

que celles généralement utilisées pour les alliages d'aluminium. than those generally used for aluminum alloys.

Les applications de cette invention sont multiples et touchent tous les domaines o un problème d'absorption de rayonnement se pose (neutrons, The applications of this invention are multiple and affect all areas where a problem of radiation absorption arises (neutrons,

rayons, rayons X, que ces domaines soient militaires ou civils. X-rays, whether these areas are military or civilian.

A titre d'exemples d'application on peut citer: les paniers de transport As examples of application, mention may be made of: transport baskets

et de stockage de déchets nucléaires, les racks de piscine pour le sto- and storage of nuclear waste, pool racks for storing

ckage des éléments combustibles de réacteurs nucléaires, le blindage d'installation de décontamination, le blindage de véhicules militaires, welding of nuclear reactor fuel elements, decontamination installation shielding, shielding of military vehicles,

les abris anti-atomiques, les éléments de réacteurs nucléaires, le blinda- anti-atomic shelters, elements of nuclear reactors,

ge d'appareils de contrôle utilisant des rayonnements ou des sources ra- control devices using radiation or radioactive sources.

dioactives, etc... Cette liste ne saurait en aucun cas être limitative. dioactives, etc ... This list can in no way be limiting.

Claims

1. Absorber of nuclear radiation characterized in that it is con-

formed by a gadolinium alloy with an aluminum selected from the group consisting of pure aluminum, aluminum alloy, pure aluminum or alloyed

containing a dispersed phase.

2. Absorber according to claim 1, characterized in that the proportion

The gadolinium content is from 0.05% to 70% by weight.

3. Absorber according to claim 2, characterized in that the proportion

gadolinium is between 0.1 and 15%.

4. Absorber according to claim 1, characterized in that the aluminum alloy is selected from alloys designated by the numbers 1000, 5000

and 6000 in the standards of the Aluminum Association.

5. Absorber according to claim 1, characterized in that the aluminum

alloy contains at least one nuclear radiation absorbing metal.

6. Absorber according to claim 5, characterized in that the metal belongs to the group consisting of cadmium, samarium, europium,

lithium, hafnium, tantalum.

7. Absorber according to claim 1, characterized in that the phase

dispersed material contains at least one nuclear radiation absorber

res.

8. Absorber according to claim 7, characterized in that the phase

dispersed is boron or a derivative thereof.

9. Absorber according to claim 8, characterized in that the boron

represents up to 30% by weight of aluminum.

10. Absorber according to claim I1 characterized in that the phase

disp: ersée is in the form of fibers.

He. Absorber according to Claim 1, characterized in that it is obtained according to at least one of the manufacturing processes chosen from molding,

- rolling, extrusion, forging.