PT82958B - NUCLEAR RADIACOID ABSORBING MANUFACTURING PROCESS - Google Patents
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Abstract
Description
ABSORVEDOR DE RADIAÇÕES NUCLEARESNUCLEAR RADIATION ABSORBER
A presente invenção refere-se a um absorvedor de radiações nucleares.The present invention relates to a nuclear radiation absorber.
Coin o desenvolvimento das técnicas nucleares, têm sido feitas numerosas pesquisas, em todo o mundo, para conceber e fabricar absorvedores de radiações, eficazes e competitivos. Rara atingir este objectivo, torna-se necessário que os materiais utilizados para os realizar obedeçam aos critérios seguintes :With the development of nuclear techniques, numerous researches have been done, all over the world, to design and manufacture radiation absorbers, effective and competitive. In order to achieve this objective, it is necessary that the materials used to make them meet the following criteria:
- tenham propriedades nucleares particulares: grande seç ção eficaz de captação, emissão secundária reduzida, boa esta bilidade no tempo relativamente à radiação;- have particular nuclear properties: large effective collection section, reduced secondary emission, good stability over time with respect to radiation;
- tenham um ponto de fusão elevado para suportar o aqueci mento gerado pela absorção das radiações, nomeadamente das radiações neutrénicas;- have a high melting point to withstand the heat generated by the absorption of radiation, in particular neutron radiation;
- sejam bons condutores do calor para assegurar uma evacuação rápida das calorias produzidas;- are good conductors of heat to ensure a quick evacuation of the calories produced;
- apresentem características mecânicas que permitam uma conformação fácil;- have mechanical characteristics that allow easy conformation;
resistam à corrosão na atmosfera ou no meio de trabalho;resist corrosion in the atmosphere or in the work environment;
- tenham um custo o mais baixo possível.- have the lowest possible cost.
Entre todos os materiais utilizados para absorver os neutrões, os mais conhecidos são o cádmio, o samário, o euré-Among all the materials used to absorb neutrons, the best known are cadmium, samarium,
cádmio tem o inconveniente de ser um produto muito tá pio, o boro e o gadolínio.cadmium has the drawback of being a very typical product, boron and gadolinium.
xico e ter uma temperatura de fusão (321°C) e uma temperatura de ebulição (765°C) muito baixas. 0 samario e o europio não têm dado praticamente origem a um desenvolvimento industrial, devido ao seu preço muito elevado, mais difundido de entre eles é o boro, que é utilizado sob formas diferentes: boro elementar, boretos, carbureto de boro, ácido bórico, etc,. Aliás, têm sido depositadas numerosas patentes com ele relacionadas. Todavia, este material pos. sui propriedades mecânicas multo más e deve ser fortemente diluído numa matriz metálica, tal como o alumínio, por exemplo, para adquirir as qualidades necessárias para poder tomar a forma requerida para cada tipo de absorvedor. Mas, assim, o seu poder de absorção fica muito diminuído e deve ser compensado por um aumento do volume de material utilizado o que, em definitivo, aumenta sensivelmente o preço do absorvedor. De qualquer forma, sendo o boro praticamente insolúvel no alumínio, o material obtido á um produto compósito cuja realização exige o recurso a processos de fabrico muito elaborados, se se pretender obter uma dispersão regular do boro na matriz de alumínio e evitar uma heterogeneidade da capacidade de absorção.mexico and have a very low melting temperature (321 ° C) and boiling temperature (765 ° C). Samarium and Europeans have practically not given rise to industrial development, due to their very high price, most widespread among them is boron, which is used in different forms: elemental boron, borides, boron carbide, boric acid, etc,. In fact, numerous patents related to it have been filed. However, this material pos. it has very poor mechanical properties and must be strongly diluted in a metallic matrix, such as aluminum, for example, to acquire the qualities necessary to be able to take the required shape for each type of absorber. However, its absorption power is greatly reduced and must be compensated by an increase in the volume of material used, which definitely increases the price of the absorber. Anyway, since boron is practically insoluble in aluminum, the material obtained is a composite product whose realization requires the use of very elaborate manufacturing processes, if it is desired to obtain a regular dispersion of boron in the aluminum matrix and to avoid a heterogeneous capacity absorption.
gadolínio e o seu óxido são já utilizados desde há muitos anos em diversas instalações nucleares onde, misturados com o combustível, desempenham a função de moderadores. No entanto, a sua aplicação na confecção de absorvedores de radia ções apresenta problemas.gadolinium and its oxide have been used for many years in several nuclear installations where, mixed with the fuel, they act as moderators. However, its application in the manufacture of radiation absorbers presents problems.
No que respeita ao óxido, geralmente disponível sob a forma de po, ele deve ser misturado com outros produtos, uti-With regard to oxide, which is generally available in powder form, it must be mixed with other products, using
lizando tecnologias muito complexas, e as suas propriedades me cânicas muito más tomam a sua aplicação, quando da realização de absorvedores de forma complexa, ao mesmo tempo delicada e dispendiosa. Além disso, este óxido tem uma má condutibilidade térmica e a sua capacidade de absorção e relativamente redu zida em relação à do gadolínio elementar.using very complex technologies, and their very bad mechanical properties, make their application, when making absorbers in a complex way, at the same time delicate and expensive. In addition, this oxide has poor thermal conductivity and its absorption capacity is relatively reduced in relation to that of elementary gadolinium.
Quanto ao metal propriamente dito, o seu preço continua elevado e a sua aplicação difícil, devido à sua grande susceptibilidade à oxidação.As for the metal itself, its price remains high and its application difficult, due to its high susceptibility to oxidation.
No entanto, o gadolínio apresenta, no espectro de neutrões lentos, a secção eficaz de captura mais elevada de todos os absorvedores conhecidos. Nomeadamente, comparada com a do boro, a sua secção para neutrões térmicos de energia 10 eV é 100 vezes maior. Quanto aos neutrões rápidos, a sua eficácia e tão boa como a do boro.However, gadolinium has, in the slow neutron spectrum, the highest effective capture section of all known absorbers. Namely, compared to that of boron, its section for thermal energy neutrons 10 eV is 100 times larger. As for fast neutrons, their effectiveness is as good as that of boron.
Foi por isso que a requerente, consciente do interesse do gadolínio, mas também dos seus inconvenientes, procurou e encontrou o meio de fabricar, a partir dele, absorvedores de radiações nucleares interessantes.That is why the applicant, aware of gadolinium's interest, but also of its inconveniences, sought and found the means to manufacture interesting nuclear radiation absorbers from it.
Estes absorvedores são caracterizados por serem consti tuídos por uma liga de gadolínio com um alumínio escolhido no grupo que compreende o alumínio puro, o alumínio com liga, o alumínio puro ou com liga contendo uma fase dispersa.These absorbers are characterized by being made up of a gadolinium alloy with an aluminum chosen from the group comprising pure aluminum, aluminum with alloy, pure aluminum or with alloy containing a dispersed phase.
Trata-se, pois, de uma liga à base de gadolínio e de alumínio na qual a proporção de gadolínio se situa entre 0,05% e 70 %, em peso. Abaixo de 0,05 % 0 efeito absorvente mostra-se ser muito reduzido e acima dos 70 % surgem dificuldades de elaboração da liga. De preferência, esta gama de valores situa-se entre 0,1 % e 15 % e depende-da natureza e do fluxo de radiações a absorver.It is, therefore, an alloy based on gadolinium and aluminum in which the proportion of gadolinium is between 0.05% and 70% by weight. Below 0.05% The absorbent effect is shown to be very low and above 70% difficulties arise in the preparation of the alloy. Preferably, this range is between 0.1% and 15% and depends on the nature and flow of radiation to be absorbed.
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alumínio utilizado pode ser puro, quer por ter sido refinado por um meio qualquer, tal como a electrólise de trêsAluminum used can be pure, either because it has been refined by any means, such as electrolysis of three
camadas, ou pela cristalização fraccionada, ou simplesmente tal como tiver sido recolhido das cubas de electrólise, com as impurezas habituais, como o ferro e o silício.layers, or by fractional crystallization, or simply as it was collected from the electrolysis vats, with the usual impurities, such as iron and silicon.
Mas este alumínio pode também ser uma liga clássica, tal como as que se designam pelos números 1000, 5000 e 6000 nas normas da Aluminium Association, o que permite reforçar as propriedades mecânicas dos absorvedores obtidos, ou ainda uma liga de alumínio com pelo menos um outro metal que tenha também propriedades absorventes, tal como o cádmio, o samário, o európio, o lítio, o háfnio, o tântalo, podendo estas últimas ligas ser igualmente obtidas a partir da liga dos tipos 1000,But this aluminum can also be a classic alloy, such as those designated by numbers 1000, 5000 and 6000 in the rules of the Aluminum Association, which allows to reinforce the mechanical properties of the absorbers obtained, or even an aluminum alloy with at least one another metal which also has absorbent properties, such as cadmium, samarium, europium, lithium, hafnium, tantalum, the latter alloys being also obtained from the alloy of types 1000,
5000 e 6000.5000 and 6000.
Além disso, o alumínio, ligado ou não, pode conter uma fase dispersa, tal como fibras de carbono ou outras, destinadas a reforçar o comportamento mecânico dos absorvedores, ou ainda, combinado ou não com estas fibras, um produto absor vente das radiações tal como, por exemplo, o boro e os seus derivados, que pode representar até 30 % da massa de alumínio utilizado.In addition, aluminum, whether alloyed or not, may contain a dispersed phase, such as carbon fibers or others, designed to reinforce the mechanical behavior of absorbers, or even, combined or not with these fibers, a radiation absorbing product such as such as, for example, boron and its derivatives, which can represent up to 30% of the mass of aluminum used.
As ligas de gadolínio-aluminio assim realizadas permitem, devido às suas boas propriedades mecânicas, ser facilmente transformadas em absorvedores com qualquer forma, por pelo menos um dos processos de fabrico escolhido entre a moldação, quer em areia, quer em coquilhas, a baixa ou a alta pressão, a laminagem a quente ou a frio, a extrusão e o forjamento.The gadolinium-aluminum alloys thus made allow, due to their good mechanical properties, to be easily transformed into absorbers of any shape, by at least one of the manufacturing processes chosen between molding, either in sand or in molds, low or high pressure, hot or cold rolling, extrusion and forging.
Estas ligas dão origem a estruturas perfeitamente homo géneas com secções eficazes de captura muito regulares. AlémThese alloys give rise to perfectly homogeneous structures with very regular effective cross-sections. Beyond
disso, a sua densidade que é variável em função de Gd dá, para teores de Gd que vão ate aos 30 % em peso, um va lor próximo do do'alumínio, o que permite a realização de barreiras neutrónicas muito leves. 0 quadro I dá valores de densidaIn addition, its density, which is variable as a function of Gd, gives Gd levels up to 30% by weight, a value close to aluminum, which allows the realization of very light neutron barriers. Table I gives density values
de para duas ligas binárias Al-Gd, uma com 11 % de Gd e outra com 23 % de Gd.de for two binary Al-Gd alloys, one with 11% Gd and the other with 23% Gd.
QUADRO I :TABLE I:
DENSIDADE DE DIGAS BINÁRIAS Al-Gd % ponderai de GdBINARY DIGITAL DENSITY Al-Gd Weight% of Gd
DensidadeDensity
2,922.92
3,123.12
A matriz de alumínio confere aos produtos acabados uma excelente condutibilidade térmica (de 120 a 180 W/m K^, confor me a matriz de alumínio escolhida), permitindo assim evacuar rapidamente o calor, gerado pela absorção, para sistemas de re frigeração exteriores.The aluminum matrix gives the finished products excellent thermal conductivity (from 120 to 180 W / m K ^, according to the chosen aluminum matrix), thus allowing the heat generated by absorption to be quickly evacuated to external refrigeration systems.
ponto de inicio de fusão das ligas Al-Gd ensaiadas é muito elevado, na maior parte dos casos superior a 620°C; esta característica permite qua as barreiras neutrónicas assim fabricadas suportem facilmente o aquecimento provocado pela absorção dos neutrões ou de outras radiações.melting point of the tested Al-Gd alloys is very high, in most cases above 620 ° C; this characteristic allows the neutron barriers thus manufactured to easily withstand the heating caused by the absorption of neutrons or other radiation.
A massa atómica do Gd é muito elevada (156,9 g), de mo do que os raios e os raios X, em especial, são muito absor vidos.The atomic mass of Gd is very high (156.9 g), so that rays and X-rays in particular are very absorbed.
A resistência à corrosão, de uma maneira geral, não éCorrosion resistance, in general, is not
Λ Z ou e pouco afectada pela presença do gadolinio, e as características de corrosão são próximas das das matrizes de alumínio utilizadas. As ligas de série 1000, 5000 e 6000 apresentam umΛ Z or e little affected by the presence of gadolinium, and the corrosion characteristics are close to those of the aluminum matrices used. The 1000, 5000 and 6000 series alloys feature a
-6comportamento excelente a corrosão contra os agentes atmosféricos ou em atmosfera marítima. Este comportamento pode ainda : ser melhorado por tratamentos de superfície apropriados (anodização, alodino, pintura, revestimentos plásticos, etc.).-6 excellent behavior against corrosion against atmospheric agents or in the marine atmosphere. This behavior can also: be improved by appropriate surface treatments (anodizing, alodino, painting, plastic coatings, etc.).
As características mecânicas são elevadas e são função da matriz de alumínio escolhida. Nos casos de ligas de aluminio-gadolínio binárias, as propriedades mecânicas variam com o teor de gadolínio; o quadro II dá resultados obtidos em ligas fundidas, uma com um teor de Gd de 12 % em peso e a outra com uma percentagem ponderai de 25 %.The mechanical characteristics are high and are a function of the chosen aluminum matrix. In the case of binary aluminum-gadolinium alloys, the mechanical properties vary with the gadolinium content; Table II gives results obtained in cast alloys, one with a Gd content of 12% by weight and the other with a weight percentage of 25%.
QUADRO II - PROPRIEDADES MECÂNICAS DE DIGAS BINÁRIAS Al-GdTABLE II - BINARY DIGITAL MECHANICAL PROPERTIES Al-Gd
quadro III apresenta os resultados obtidos em ligas laminadas com 11 % de Gd, em peso.Table III shows the results obtained in rolled alloys with 11% Gd by weight.
QUADRO III - CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DE TRACÇÃO NA DIGA Al-GdTABLE III - MECHANICAL CHARACTERISTICS OF TRACTION IN DIGA Al-Gd
Utilizando matrizes de alumínio com impurezas controladas de elementos tais como o cobre, o silício, o zinco, o magnésio, etc.,Using aluminum matrices with controlled impurities of elements such as copper, silicon, zinc, magnesium, etc.,
temente aumentado para atingir os valores seguintes:increased to achieve the following values:
Os valores superiores atrás indicados não são limitativos, sendo evidente que composições de ligas ternárias, quaternárias, quinárias, etc., com gadolínio, noderiam proporcionar va lores muito superiores a estes.The upper values indicated above are not limiting, it being clear that compositions of ternary, quaternary, quinary alloys, etc., with gadolinium, could not provide values much higher than these.
A maquinagem destas ligas metálicas não põe quaisquer problemas, sendo os parâmetros e as velocidades de trabalho a ter em conta os mesmos que são geralmente usados para as ligas de alumínio.The machining of these metal alloys does not pose any problems, the parameters and working speeds being taken into account the same ones that are generally used for aluminum alloys.
As aplicações da presente invenção são múltiplas e atin gem todos os domínios em que se põe o problema da absorção de radiação (neutrões, raios gama, raios X), quer estes domínios sejam militares ou civis.The applications of the present invention are multiple and cover all areas in which the problem of radiation absorption (neutrons, gamma rays, X-rays) is posed, whether these domains are military or civilian.
A título de exemplos de aplicação podem citar-se: os cestos de transporte e de armazenamento de resíduos nucleares, as armações de piscinas para o armazenamento dos elementos com bustíveis de reactores nucleares, a blindagem de instalação de descontaminação, a blindagem de veículos militares, os abrigos anti-atómicos, os elementos de reactores nucleares, a blindagem de aparelhos de controlo que utilizam radiações ou fontes radioactivas, etc.. Esta lista não é de modo nenhum limitativa.Examples of applications include: the baskets for transporting and storing nuclear waste, the frames of swimming pools for the storage of elements with nuclear reactor fuels, the decontamination installation shield, the shielding of military vehicles, anti-atomic shelters, elements of nuclear reactors, the shielding of control devices that use radiation or radioactive sources, etc. This list is by no means exhaustive.
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