RU2522580C2 - Fire-resistant neutron-protective material - Google Patents

Fire-resistant neutron-protective material Download PDF

Info

Publication number
RU2522580C2
RU2522580C2 RU2012132730/04A RU2012132730A RU2522580C2 RU 2522580 C2 RU2522580 C2 RU 2522580C2 RU 2012132730/04 A RU2012132730/04 A RU 2012132730/04A RU 2012132730 A RU2012132730 A RU 2012132730A RU 2522580 C2 RU2522580 C2 RU 2522580C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
neutron
powder part
hydrogen
titanium hydride
mnz
Prior art date
Application number
RU2012132730/04A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012132730A (en
Inventor
Василий Сергеевич Краев
Владимир Александрович Невзоров
Виктор Григорьевич Казеев
Юрий Илларионович Чернухин
Марина Борисовна Сапожникова
Олег Александрович Голосов
Ольга Леонидовна Боровкова
Владимир Петрович Пышкин
Николай Никифорович Давиденко
Юрий Евгеньевич Яненко
Юрий Михайлович Лобков
Олег Алексеевич Шарый
Original Assignee
Российская Федерация в лице Открытого акционерного общества "Российский концерн по производству электрической и тепловой энергии на атомных станциях" (ОАО "Концерн Росэнергоатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный Ядерный Центр-Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Технической Физики имени академика Е.И. Забабахина" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина")
Закрытое акционерное общество производственно-научная фирма "Термоксид" (ЗАО ПНФ "Термоксид")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация в лице Открытого акционерного общества "Российский концерн по производству электрической и тепловой энергии на атомных станциях" (ОАО "Концерн Росэнергоатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный Ядерный Центр-Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Технической Физики имени академика Е.И. Забабахина" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина"), Закрытое акционерное общество производственно-научная фирма "Термоксид" (ЗАО ПНФ "Термоксид") filed Critical Российская Федерация в лице Открытого акционерного общества "Российский концерн по производству электрической и тепловой энергии на атомных станциях" (ОАО "Концерн Росэнергоатом")
Priority to RU2012132730/04A priority Critical patent/RU2522580C2/en
Publication of RU2012132730A publication Critical patent/RU2012132730A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2522580C2 publication Critical patent/RU2522580C2/en

Links

Landscapes

  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Sealing Material Composition (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to materials with neutron-absorbing properties for protection against neutron radiation. Claimed is a fire-resistant neutron-protective material, consisting of a magnesium phosphate binding agent (24-33 wt %) and a powder part (76-67 wt %, with the powder part containing titanium hydride TiH2 (90.3-95.5 wt %), magnesium oxide MgO (2.7-4.5 wt %) and boron carbide B4C (1.8-5.2 wt %). Components are mixed to a homogeneous state and poured into a special cavity, and after hardening are subjected to thermal processing.
EFFECT: obtained material possesses long-term mechanical strength, heat resistance to ≈300°C, high heat conductivity, a temperature coefficient of linear expansion, close to the coefficient of construction steels, and high specific density of hydrogen and boron, contained in it, which ensures high coefficients of neutron radiation attenuation.
1 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к материалам с нейтронопоглощающими свойствами для защиты от нейтронного излучения. В частности, материал предназначен для защиты персонала от нейтронного излучения при обращении с радиоактивными материалами.The invention relates to materials with neutron-absorbing properties for protection against neutron radiation. In particular, the material is intended to protect personnel from neutron radiation when handling radioactive materials.

Материал может быть использован в качестве защитного слоя в транспортных упаковочных комплектах (ТУК) при транспортировании и хранении отработанного ядерного топлива (ОЯТ) с большим выгоранием и, следовательно, энерговыделением, например из реакторов ВВЭР - 1000. Или в качестве защитного слоя высокотемпературных радиационно-защитных экранов на объектах использования атомной энергии.The material can be used as a protective layer in transport packaging systems (TUKs) during transportation and storage of spent nuclear fuel (SNF) with high burnup and, therefore, energy release, for example from VVER-1000 reactors. Or as a protective layer of high-temperature radiation protective screens at nuclear facilities.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Большинство существующих материалов нейтронозащитных (МНЗ) представляют собой композиционные материалы, в состав которых входят водородосодержащие вещества, борсодержащие вещества и, при необходимости, вещества, содержащие элементы с высоким порядковым номером (z), например тяжелые металлы. Водород является наиболее эффективным замедлителем нейтронов, бор является эффективным поглотителем замедлившихся нейтронов, а элементы с большим z увеличивают коэффициент ослабления сопутствующего γ-излучения защитными слоями. Если бор (или его соединение) в виде отдельного компонента можно ввести практически в любой композиционный материал, то наличие водорода в известных в настоящее время нейтронных защитах обеспечивается его присутствием в структуре основного вещества композиционного материала.Most of the existing neutron-shielding materials (INS) are composite materials, which include hydrogen-containing substances, boron-containing substances and, if necessary, substances containing elements with a high serial number (z), for example, heavy metals. Hydrogen is the most effective neutron moderator, boron is an effective absorber of fading neutrons, and elements with large z increase the attenuation coefficient of the accompanying γ-radiation by protective layers. If boron (or its compound) in the form of a separate component can be introduced into almost any composite material, then the presence of hydrogen in currently known neutron shields is ensured by its presence in the structure of the main substance of the composite material.

Высокое содержание водорода характерно для многих высокомолекулярных соединений органического происхождения. Применяются твердые водородосодержащие материалы: полиэтилен, полипропилен, каучуки и другие материалы и композиции. Наибольшей концентрацией водорода обладают полиэтилен, полипропилен, в других полимерных материалах концентрация водорода ниже.A high hydrogen content is characteristic of many high molecular weight compounds of organic origin. Solid hydrogen-containing materials are used: polyethylene, polypropylene, rubbers and other materials and compositions. The highest concentration of hydrogen is possessed by polyethylene, polypropylene; in other polymeric materials, the concentration of hydrogen is lower.

Недостатком нейтронной защиты на основе полиэтилена и полипропилена является то, что при воздействии повышенных температур они изменяют свои геометрические параметры и подвергаются частичной деструкции с выделением газов и ростом давления в занимаемом ими объеме до величин, опасных для конструкции наружной оболочки ТУК.The disadvantage of neutron protection based on polyethylene and polypropylene is that when exposed to elevated temperatures, they change their geometric parameters and undergo partial destruction with the release of gases and an increase in pressure in the volume they occupy to values that are dangerous for the design of the outer shell of the TUK.

Кроме того, недостатком нейтронной защиты из полипропилена является то, что этот материал обладает намного более высоким, по сравнению со сталью [(10-15)·10-6К-1] коэффициентом температурного линейного расширения (КТЛР), равным 110·10-6 К-1 по ГОСТ 26996-86.In addition, the disadvantage of neutron protection from polypropylene is that this material has a much higher coefficient of thermal linear expansion (CTLR) compared to steel [(10-15) · 10 -6 K -1 ] equal to 110 · 10 - 6 K -1 according to GOST 26996-86.

В качестве аналога выбран пастообразный материал для защиты от радиоактивных излучений, приведенный в патенте РФ №2 111 558 от 25.06.1996., МПК6 G21F 1/10, авторы: Лазебник И.М., Андреев В.В., Старостин Б.С., в состав которого входят пластичная синтетическая масса, например каучук, и наполнитель, в качестве которого использован гидрид титана в соотношении 60-96 мас.% к общему составу пасты. Получаемая паста позволяет создавать защитные слои сложной геометрической формы, заполнять кабельные шахты и другие полые каналы в защитных конструкциях и тем самым препятствовать распространению n-, γ-излучений по ним. Наличие в составе этого материала значительного количества гидрида титана с высоким удельным содержанием водорода (ρн ≈ 0,15 г/см3) обеспечивает ему хорошие нейтронозащитные свойства. Недостатком пасты является содержание в ней синтетической компоненты (каучук). В каучуке в присутствии кислорода окислительные реакции с потерей массы из-за деструкции (деполимеризации) протекают уже при (200…230)°С и сильно ускоряются при температурах 250°С и выше. Поэтому данный материал не подходит для применения в качестве материала нейтронной защиты в конструкциях ТУК, предназначенных для транспортирования и хранения ОЯТ с большим энерговыделением, когда рабочая температура материала нейтронной защиты в нормальных условиях эксплуатации может превышать 200°С, а в аварийных условиях достигать 800°С.The paste-like material for protection against radioactive radiation, shown in RF patent No. 2 111 558 dated 06/25/1996., IPC6 G21F 1/10, authors: Lazebnik IM, Andreev VV, Starostin B.S., was selected as an analogue ., which includes a plastic synthetic mass, such as rubber, and a filler, which is used as titanium hydride in a ratio of 60-96 wt.% to the total composition of the paste. The resulting paste allows you to create protective layers of complex geometric shapes, fill cable shafts and other hollow channels in protective structures and thereby prevent the spread of n-, γ-radiation through them. The presence in this material of a significant amount of titanium hydride with a high specific hydrogen content (ρ n ≈ 0.15 g / cm 3 ) provides it with good neutron-shielding properties. The disadvantage of the paste is that it contains a synthetic component (rubber). In rubber in the presence of oxygen, oxidative reactions with loss of mass due to degradation (depolymerization) occur already at (200 ... 230) ° C and are greatly accelerated at temperatures of 250 ° C and above. Therefore, this material is not suitable for use as a neutron protection material in TUK designs designed for transportation and storage of SNF with high energy release, when the working temperature of the neutron protection material in normal operating conditions can exceed 200 ° C, and in emergency conditions reach 800 ° C .

В качестве прототипа выбран материал-стабилизатор (МС), описанный в патенте РФ №2362225, от 16.04.2007, МПК G21F 9/00, (авторы: Шарыгин Л.М., Муромский А.Ю., Калягина М.Л., Давиденко Н.Н., Лебедев В.И., Шарый О.А.), включающий магний-фосфатное связующее (56-66 мас.%) и порошковую часть (44-34 мас.%). Магний-фосфатное связующее состоит из Р2O5 (30-40 мас.%), MgO (7-8,5 мас.%), Н2O - остальное. Состав порошковой части: Аl2O3 (78-90 мас.%), MgO (22-10 мас.%), боросодержащий компонент (в пересчете на бор - (0-1) мас.%). Смесь используют для фиксации ОЯТ или для других целей в течение «времени жизни» смеси в жидком состоянии.As a prototype, the stabilizer material (MS) was selected, which is described in RF patent No. 2362225, dated April 16, 2007, IPC G21F 9/00, (authors: Sharygin L.M., Muromsky A.Yu., Kalyagina M.L., Davidenko N.N., Lebedev V.I., Shary O.A.), including magnesium-phosphate binder (56-66 wt.%) And powder part (44-34 wt.%). Magnesium phosphate binder consists of P 2 O 5 (30-40 wt.%), MgO (7-8.5 wt.%), H 2 O - the rest. The composition of the powder part: Al 2 O 3 (78-90 wt.%), MgO (22-10 wt.%), Boron-containing component (in terms of boron - (0-1) wt.%). The mixture is used to fix SNF or for other purposes during the “lifetime” of the mixture in the liquid state.

Недостатками прототипа, приводящими к потере нейтронозащитных свойств после затвердевания МС и теплового воздействия на него, можно считать:The disadvantages of the prototype, leading to the loss of neutron-shielding properties after solidification of the MS and thermal effects on it, can be considered:

- минимальное содержание борсодержащего компонента (количество бора от 0 до 1 мас.%);- the minimum content of boron-containing component (the amount of boron from 0 to 1 wt.%);

- значительное уменьшение содержания водорода в структуре MC при умеренном тепловом воздействии: даже при сохранении химически связанной кристаллизационной воды (T≤150°C) оставшаяся доля водорода в нем составит ≈1,8 мас.% (ρн<0,04 г/см3);- a significant decrease in the hydrogen content in the MC structure with moderate heat exposure: even if chemically bound crystallization water (T≤150 ° C) is retained, the remaining fraction of hydrogen in it will be ≈1.8 wt.% (ρ n <0.04 g / cm 3 );

- после длительного и более интенсивного нагрева водород в структуре MC остается только в составе химического соединения MgHPO4, что составляет всего около 0,4% от его массы.- after prolonged and more intense heating, hydrogen in the MC structure remains only in the chemical compound MgHPO 4 , which is only about 0.4% of its mass.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

Задачей изобретения является создание термостойкого материала с повышенными нейтронозащитными свойствами, принимающего и сохраняющего требуемую форму.The objective of the invention is to provide a heat-resistant material with enhanced neutron-shielding properties, taking and maintaining the desired shape.

Технический результат заключается в согласованности компонентов, повышении прочности, твердости, термостойкости, теплопроводности, высоком содержании, равномерном распределении и сохранении связанного водорода при высоких температурах.The technical result consists in the consistency of components, increasing strength, hardness, heat resistance, thermal conductivity, high content, uniform distribution and conservation of bound hydrogen at high temperatures.

Указанный технический результат достигается тем, что в термостойком МНЗ для радиационно-защитного слоя от нейтронного излучения, включающем магнийфосфатное связующее и порошковую часть, согласно изобретению магнийфосфатное связующее составляет 24-33 мас.%, а порошковая часть 76-67 мас.% от всей массы МНЗ. В порошковую часть добавляют гидрид титана (TiH2). При этом порошковая часть содержит гидрида титана 90,3-95,5 мас.%, оксида магния (MgO) 2,7-4,5 мас.%, карбида бора (B4C) 1,8-5,2 мас.% от всей массы порошковой части МНЗ.The specified technical result is achieved by the fact that in the heat-resistant CCM for the radiation protective layer from neutron radiation, including the magnesium phosphate binder and the powder part, according to the invention, the magnesium phosphate binder is 24-33 wt.%, And the powder part 76-67 wt.% Of the total mass MNZ. Titanium hydride (TiH 2 ) is added to the powder portion. The powder part contains titanium hydride 90.3-95.5 wt.%, Magnesium oxide (MgO) 2.7-4.5 wt.%, Boron carbide (B 4 C) 1.8-5.2 wt. % of the total mass of the powder part of MNZ.

МНЗ может быть использован в защитных слоях в ТУК, предназначенных для транспортирования и хранения ОЯТ с большим выгоранием и энерговыделением; а также в защитных слоях высокотемпературных радиационно-защитных экранов ядерно-физических установок.MNZ can be used in protective layers in TUKs designed for transportation and storage of spent nuclear fuel with great burnup and energy release; as well as in the protective layers of high-temperature radiation protective shields of nuclear physics facilities.

Равномерное распределение связанного водорода в МНЗ объясняется следующим. Гидрид титана содержит связанный водород TiH2. В виде порошка он равномерно распределяется внутри магний-фосфатного связующего при их смешивании. Полученная смесь в незатвердевшем состоянии равномерно распределяется в предназначенном для нее объеме. Особенность МНЗ заключается в способности его равномерно распределяться в предназначенном для него объеме корпуса ТУК для снижения нейтронного излучения ОЯТ с большим выгоранием. Кроме того, МНЗ может быть размещен на поверхности или внутри высокотемпературных радиационно-защитных экранов.The uniform distribution of bound hydrogen in the caster is explained by the following. Titanium hydride contains bound hydrogen TiH 2 . In powder form, it is evenly distributed within the magnesium phosphate binder when mixed. The resulting mixture in an uncured state is evenly distributed in the volume intended for it. A feature of the MNZ is its ability to be evenly distributed in the TUK body volume intended for it to reduce SNF neutron radiation with large burnup. In addition, the caster can be placed on the surface or inside high-temperature radiation-shielding screens.

МНЗ получается при смешивании магний-фосфатного связующего и наполнителя. Связующее представляет собой магний-фосфатную керамику. Сразу после смешивания она обладает способностью принимать ту форму, в которую ее помещают. После выпаривания из нее воды (в том числе и кристаллизационной) МНЗ приобретает твердость, высокую термостойкость, вплоть до t ≈900°С. Связующее играет роль матрицы в МНЗ, удерживающей наполнитель, состоящий из специально подобранных компонентов.MNZ is obtained by mixing a magnesium phosphate binder and a filler. The binder is a magnesium phosphate ceramic. Immediately after mixing, it has the ability to take the form in which it is placed. After water (including crystallization) is evaporated from it, the MNE acquires hardness, high heat resistance, up to t ≈900 ° С. The binder plays the role of a matrix in the caster holding the filler, consisting of specially selected components.

Наполнитель для создания перспективного МНЗ должен отвечать следующим основным требованиям:The filler to create a promising oil refinery must meet the following basic requirements:

- высокое содержание водорода в веществе наполнителя (ρн ≈0,1 г/см3);- high hydrogen content in the filler substance (ρ n ≈0.1 g / cm 3 );

- длительная термостойкость (способность сохранять свои физические свойства и не терять водород) при температурах t ≈200°С;- long-term heat resistance (the ability to maintain their physical properties and not lose hydrogen) at temperatures t ≈200 ° C;

- возможность создания твердотельных материалов со значительной долей водородосодержащего вещества (>50% от объема) в их составе.- the possibility of creating solid-state materials with a significant proportion of hydrogen-containing substances (> 50% of the volume) in their composition.

Был выбран достаточно термостойкий при длительном нагревании вплоть до t ≈300°С гидрид титана ТiH2н ≈0,15 г/см3), соответствующий всем приведенным выше требованиям. Термостойкость полученного МНЗ объясняется термостойкостью составляющих его компонентов.A sufficiently heat-resistant titanium hydride TiH 2n ≈0.15 g / cm 3 ), which meets all the above requirements, was selected that was sufficiently heat-resistant during prolonged heating up to t ≈300 ° C. The heat resistance of the obtained MNZ is explained by the heat resistance of its constituent components.

На увеличение термостойкости МНЗ направлено повышение его теплопроводности за счет использования в качестве наполнителя гидрид титана. Так как отведение тепла от ОЯТ стабилизирует его постоянную температуру хранения, не дает контейнеру, в котором хранится ОЯТ, саморазогреваться и от этого разрушаться.An increase in the heat resistance of MNZ is aimed at increasing its thermal conductivity due to the use of titanium hydride as a filler. Since the removal of heat from SNF stabilizes its constant storage temperature, it does not allow the container in which SNF is stored to self-heat and to collapse from this.

После затвердевания магний-фосфатной керамики, выполняющей роль матрицы в получаемом материале, и глубокой осушки МНЗ приобретает долговременную механическую прочность, а его нейтронозащитные свойства обеспечиваются находящимися в матрице термостойкими гидридом титана с высоким содержанием водорода и карбидом бора. КТЛР полученного МНЗ незначительно отличается от соответствующих величин конструкционных сталей. Это также повышает прочность и твердость МНЗ.After hardening of magnesium-phosphate ceramics, which plays the role of a matrix in the resulting material, and deep drying, the MNZ acquires long-term mechanical strength, and its neutron-shielding properties are provided by heat-resistant titanium hydride with a high hydrogen content and boron carbide in the matrix. The CTLR of the obtained CCM is slightly different from the corresponding values of structural steels. It also increases the strength and hardness of the MNE.

Варианты осуществления изобретения.Embodiments of the invention.

Исследования, проведенные в ЗАО Производственно-научная фирма «Термоксид», показали, что с точки зрения технологичности приготовления МНЗ и изделий из него наиболее предпочтительными и функционально пригодными являются осушенные материалы на основе термостойкой (до 900°С) магний-фосфатной керамики с химически инертными в условиях эксплуатации наполнителями в виде порошков гидрида титана и карбида бора.The studies conducted by ZAO Termidoksidov Scientific and Production Company, showed that, from the point of view of technological preparation of billet refineries and products from it, the most preferred and functionally suitable are dried materials based on heat-resistant (up to 900 ° C) magnesium phosphate ceramics with chemically inert under operating conditions, fillers in the form of powders of titanium hydride and boron carbide.

Для обеспечения защиты от нейтронов, испускаемых ОЯТ, был выбран порошок гидрида титана (TiH2). Однако порошок сам по себе не может равномерно распределиться и удерживаться в полости корпуса ТУК, предназначенной для нейтронной защиты. Необходимым веществом, которое поможет распределиться равномерно гидриду титана, является связующее - материал-стабилизатор. После затвердевания материал-стабилизатор содержит в своем составе водород в соединении ТiH2, что придает ему нейтронозащитные свойства. Кроме этого связующее TiH2, а также металл, из которого изготовлен корпус ТУК с ОЯТ, имеют согласованные температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР). Это позволяет полученному материалу-стабилизатору сохранять защитные свойства и не разрушаться.To provide protection against neutrons emitted by SNF, titanium hydride (TiH 2 ) powder was selected. However, the powder itself cannot be evenly distributed and held in the cavity of the TUK casing intended for neutron protection. A necessary substance that helps to evenly distribute titanium hydride is a binder - a stabilizing material. After hardening, the stabilizer material contains hydrogen in the TiH 2 compound, which gives it neutron-shielding properties. In addition, the TiH 2 binder, as well as the metal from which the TUK body with SNF is made, have coordinated linear expansion temperature coefficients (TEC). This allows the obtained stabilizer material to maintain protective properties and not collapse.

Термостойкий МНЗ получают следующим образом.Heat resistant caster get as follows.

На 25 см3 магний-фосфатного связующего добавляют порошковую часть: 70 г гидрида титана и 5 г карбида бора. После перемешивания смеси в лопастном смесителе в течение 20-30 минут добавляют новую порцию гидрида титана. Эту операцию повторяют до тех пор, пока смесь по консистенции не станет похожа на густое тесто и перемешивать ее уже становится затруднительно. После этого добавляют 2 г затвердителя (MgO). После добавления MgO происходит химическая реакция с выделением тепла, под действием которого смесь разогревается, и через несколько минут происходит ее затвердевание. За время до наступления затвердевания смесь заливают в специальные полости в корпусе ТУК, или же в полости, образующие защитные слои высокотемпературных радиационно-защитных экранов, применяемых в ядерно-физических установках. Кроме того, методом литья и прессования можно изготовить детали нейтронной защиты практически любой требуемой формы.A powder part is added to 25 cm 3 of the magnesium phosphate binder: 70 g of titanium hydride and 5 g of boron carbide. After mixing the mixture in a paddle mixer for 20-30 minutes, a new portion of titanium hydride is added. This operation is repeated until the mixture in consistency looks like a thick dough and it becomes difficult to mix it. Then add 2 g of hardener (MgO). After the addition of MgO, a chemical reaction occurs with the release of heat, under the influence of which the mixture is heated, and after a few minutes it solidifies. For the time before the onset of solidification, the mixture is poured into special cavities in the TUK housing, or into cavities forming protective layers of high-temperature radiation protective shields used in nuclear physics facilities. In addition, casting and pressing can produce neutron protection parts of almost any desired shape.

После отвердевания смесь, помещенную в полость, подвергают термической обработке. Глубокая осушка состоит из двух периодов. Первоначальный период сушки проводят при комнатной температуре. Дальнейшую сушку проводят в течение нескольких суток при постепенном повышении окружающей температуры от комнатной до максимальной. При глубокой осушке происходит практически полное удаление как сорбированной, так и кристаллизационной воды.After hardening, the mixture placed in the cavity is subjected to heat treatment. Deep dehydration consists of two periods. The initial drying period is carried out at room temperature. Further drying is carried out for several days with a gradual increase in ambient temperature from room temperature to maximum. With deep drying, almost complete removal of both sorbed and crystallized water occurs.

В проведенных исследованиях физико-механических и теплофизических свойств образцов МНЗ были получены следующие характеристики:In the studies of the physicomechanical and thermophysical properties of the MNZ samples, the following characteristics were obtained:

- средние значения КТЛР образцов МНЗ равны=9,9·10-6 К-1, что соизмеримо с КТЛР стальных элементов конструкции ТУК;- the average CTLR values of the MNZ samples are equal to = 9.9 · 10 -6 K -1 , which is comparable with the CTLR of steel elements of the TUK design;

- теплопроводность образцов МНЗ при нормальных условиях равна -1,12 Вт/(м·К), а при 250°С составляет - 1,6 Вт/(м·К), что благоприятно для использования МНЗ в конструкции ТУК;- the thermal conductivity of the MNZ samples under normal conditions is -1.12 W / (m · K), and at 250 ° C it is 1.6 W / (m · K), which is favorable for using the MNZ in the design of TUK;

- предел прочности на сжатие образцов МНЗ находится в зависимости от температуры в диапазоне 20,7…28,50 МПа.- the compressive strength of the MNZ samples is depending on the temperature in the range of 20.7 ... 28.50 MPa.

При температурах нормальной эксплуатации около 250°C выход водорода из гидрида титана практически отсутствует. Были проведены испытания на условия возникновения пожара (30 мин при температуре 800°C). При наличии в газовой среде объема, занятого материалом нейтронной защиты, парциального давления водорода около 1 кгс/см2 соединение TiH2 (66 ат.% водорода) в материале будет дегидрировано до соединения TiH0,72, содержащего 42 ат.% водорода. То есть, даже во время пожара материал на основе магний-фосфатной керамики с гидридом титана TiH2 и карбидом бора B4C, при полной или частичной герметичности объема с нейтронной защитой, сохранит не только свою геометрическую форму, но и за счет оставшегося равномерно распределенного в материале водорода и бора сохранит свои нейтронно-защитные свойства.At normal operating temperatures of about 250 ° C, there is virtually no hydrogen output from titanium hydride. Tests were conducted on the conditions of fire (30 min at a temperature of 800 ° C). In the presence of the gaseous medium volume occupied by the neutron shielding material, a hydrogen partial pressure of about 1 kgf / cm 2 TiH compound 2 (66 at.% Hydrogen) in the material to be dehydrogenated to a compound of TiH 0.72, containing 42 at.% Hydrogen. That is, even during a fire, a material based on magnesium phosphate ceramics with titanium hydride TiH 2 and boron carbide B 4 C, with full or partial tightness of the volume with neutron protection, will retain not only its geometric shape, but also due to the remaining uniformly distributed in the material of hydrogen and boron will retain its neutron-protective properties.

Оптимальная согласованность компонентов, выраженная в их процентном содержание в МНЗ, была определена экспериментальным путем. В результате экспериментов было выявлено, что магнийфосфатное связующее должно присутствовать в составе МНЗ в количестве 24-33%, а порошковая часть соответственно 76-67%. Если связующего меньше 24%, а порошковой части больше 76%, то затрудняется перемешивание МНЗ, он становится густым, повышается его неоднородность. Если связующего больше 33%, а порошковой части меньше 67%, то ухудшаются нейтронозащитные свойства МНЗ, которые не должны быть меньше допустимой величины по Правилам НП-053-04 Росэнергоатома, содержащим критерии по радиационной безопасности.The optimal consistency of the components, expressed as their percentage in the CCM, was determined experimentally. As a result of the experiments, it was revealed that the magnesium phosphate binder should be present in the composition of MNZ in the amount of 24-33%, and the powder part, respectively, 76-67%. If the binder is less than 24%, and the powder part is more than 76%, then the mixing of the binder is difficult, it becomes thick, its heterogeneity increases. If the binder is more than 33%, and the powder part is less than 67%, then the neutron-protective properties of the MNZ are deteriorating, which should not be less than the permissible value according to the Rules NP-053-04 of Rosenergoatom, containing radiation safety criteria.

В порошковой части экспериментально было выявлено оптимальное соотношение компонентов. Гидрид титана должен составлять 90,3%-95,5%. Если TiH2 меньше 90,3%, то снижаются нейтронозащитные свойства МНЗ ниже допустимых по Правилам НП-053-04 Росэнергоатома, содержащим критерии по радиационной безопасности.In the powder part, the optimal ratio of the components was experimentally revealed. Titanium hydride should be 90.3% -95.5%. If TiH 2 is less than 90.3%, then the neutron-shielding properties of the MNZ are reduced below those allowed by the Rules NP-053-04 of Rosenergoatom, which contain radiation safety criteria.

Если TiH2 больше 95,5%, то снижается содержание MgO и B4C. Это влечет за собой ухудшение свойств МНЗ. Если MgO меньше 2,7%, то уменьшается скорость затвердевания МНЗ, снижается его прочность и твердость. Если B4C меньше 1,8%, то снижается порог поглощения нейтронов, что недопустимо по Правилам НП-053-04 Росэнергоатома, содержащим критерии по радиационной безопасности.If TiH 2 is greater than 95.5%, then the content of MgO and B 4 C is reduced. This entails a deterioration in the properties of MNZ. If MgO is less than 2.7%, then the solidification rate of the caster decreases, its strength and hardness decrease. If B 4 C is less than 1.8%, then the neutron absorption threshold is reduced, which is unacceptable under the Rules NP-053-04 of Rosenergoatom, which contains radiation safety criteria.

Если MgO больше 4,5%, то скорость затвердевания смеси увеличивается. Ухудшается неоднородность МНЗ, ухудшается равномерность заполнения требуемых полостей, так как время нахождения МНЗ в жидкой фазе сокращается.If MgO is greater than 4.5%, then the rate of solidification of the mixture increases. The inhomogeneity of the MNE is deteriorating, the uniformity of filling the required cavities is deteriorating, since the time spent by the MNE in the liquid phase is reduced.

Если B4C больше 5,2%, то либо снижается содержание в МНЗ TiH2, что влечет за собой снижение нейтронной защиты, либо снижается содержание MgO, что ухудшает прочность и твердость получаемого МНЗ.If B 4 C is more than 5.2%, then the content of TiH 2 in the CCM is reduced, which entails a decrease in neutron protection, or the MgO content is reduced, which degrades the strength and hardness of the obtained CCM.

Нейтронозащитные характеристики предлагаемого МНЗ определялись посредством нейтронно-физических расчетов, проведенных для модели типовой конструкции ТУК с 18 отработавшими тепловыделяющими сборками (ОТВС) с ОЯТ реакторов ВВЭР-1000 при размещении слоя МНЗ толщиной 24 см на боковой стальной стенке ТУК толщиной 22 см. Расчеты проводились по методу Монте-Карло, описанному в статье «Обоснование ядерной и радиационной безопасности контейнера для отработавших ТВС реакторов АМБ Белоярской АЭС», журнал «Атомная энергетика», т.100, №6, стр.423, 2006 г., авторы Горин Н.В., Кандиев Я.З, Чернухин Ю.И.The neutron-shielding characteristics of the proposed MNZ were determined by neutron-physical calculations carried out for a model design of a TUK with 18 spent fuel assemblies (SFA) with spent nuclear fuel from VVER-1000 reactors when a 24-cm thick caster layer was placed on a 22 cm-thick TUK steel side wall. The calculations were carried out using Monte Carlo method described in the article "Justification of the nuclear and radiation safety of the container for spent fuel assemblies of AMB reactors at Beloyarsk NPP", Atomic Energy journal, t. 100, No. 6, p. 423, 2006, av Ora Gorin NV, Ph.D. YA.Z, Chernukhin YI

В расчетах вычислялся коэффициент ослабления (Kn) слоем МНЗ дозы Dn, вызываемой нейтронным излучением ОТВС с ОЯТ. Расчеты были проведены для двух экспериментально полученных составов МНЗ после их глубокой осушки (до практически полной потери как сорбированной, так и кристаллизационной воды), отличающихся, главным образом, содержанием в них гидрида титана (C0, мас.%) и плотностью (ρ, г/см3).In the calculations, the attenuation coefficient (K n ) was calculated with the CCM layer of the dose D n caused by neutron radiation from the SFA with SNF. The calculations were performed for two experimentally obtained MNE compositions after their deep drying (until almost complete loss of both sorbed and crystallization water), differing mainly in their content of titanium hydride (C 0 , wt.%) And density (ρ, g / cm 3 ).

Таблица 1Table 1 Составы и плотности МНЗ после глубокой осушкиCompositions and densities of MNZ after deep drying ЭлементElement Содержание, мас.%Content, wt.% Состав 1Composition 1 Состав 2Composition 2 HH 3,173.17 3,323.32 10B 10 B 0,940.94 0,650.65 11B 11 B 3,853.85 2,662.66 CC 1,331.33 0,920.92 OO 11,2511.25 8,128.12 MgMg 3,773.77 2,842.84 PP 6,196.19 4,324.32 TiTi 69,5069.50 77,1777.17 ρ, г/см3 ρ, g / cm 3 1,81.8 2,352,35

Приведенные в таблице составы (мас.%) и плотности (ρ, г/см3) соответствуют экспериментально полученным образцам МНЗ при массовой доле гидрида титана (TiH2) в порошковой части исходной смеси для их приготовления C0≈90,3 мас.% (состав 1) и C0≈95,5 мас.% (состав 2). Основным элементом, определяющим коэффициент ослабления в составах 1 и 2, является гидрид титана. Остальные элементы в составе присутствуют для поддержания требуемого агрегатного состояния вещества, например его текучести. Найденные в расчетах значения коэффициентов ослабления Kn для этих составов МНЗ составили:The compositions (wt.%) And densities (ρ, g / cm 3 ) shown in the table correspond to experimentally obtained samples of MNZ with a mass fraction of titanium hydride (TiH2) in the powder part of the initial mixture for their preparation C 0 ≈90.3 wt.% ( composition 1) and C 0 ≈95.5 wt.% (composition 2). The main element determining the attenuation coefficient in compositions 1 and 2 is titanium hydride. The remaining elements in the composition are present to maintain the desired state of aggregation of the substance, for example, its fluidity. The attenuation coefficients K n found in the calculations for these CCM compositions were:

Состав 1: ρ=1,8 г/см3; Kn1≈820;Composition 1: ρ = 1.8 g / cm 3 ; K n1 ≈820;

Состав 2: ρ=2,35 г/см3; Kn2≈2880.Composition 2: ρ = 2.35 g / cm 3 ; K n2 ≈2880.

Заметно, что даже сравнительно небольшое увеличение содержания гидрида титана (C0, мас.%) в предлагаемом МНЗ (при глубокой осушке) ведет к существенному улучшению его нейтронозащитных свойств. Однако получить материал с C0>95,5 мас.% (в порошковой части) затруднительно по технологическим причинам. Поэтому величина Kn2≈2880 близка к предельной для конфигурации защитных слоев принятой в расчетах модели ТУК.It is noticeable that even a relatively small increase in the content of titanium hydride (C 0 , wt.%) In the proposed MNZ (with deep drying) leads to a significant improvement in its neutron-shielding properties. However, it is difficult to obtain material with C 0 > 95.5 wt.% (In the powder part) for technological reasons. Therefore, the value of K n2 ≈2880 is close to the limit for the configuration of the protective layers adopted in the calculations of the TAC model.

Таким образом, предлагаемый МНЗ из магний-фосфатной керамики с гидридом титана и карбидом бора, учитывая доступность компонентов, приемлемые нейтронно-защитные, физико-механические и теплофизические свойства, может быть использован в качестве твердотельного термостойкого МНЗ. Эта защита работоспособна в условиях повышенных температур (250°C и более) и способна частично сохранять нейтронно-защитные свойства в аварийных условиях пожара (800°C).Thus, the proposed CCM of magnesium phosphate ceramics with titanium hydride and boron carbide, taking into account the availability of components, acceptable neutron-protective, physico-mechanical and thermophysical properties, can be used as a solid-state heat-resistant CCR. This protection is effective in conditions of elevated temperatures (250 ° C and more) and is able to partially maintain neutron-protective properties in emergency fire conditions (800 ° C).

В доступных источниках информации не обнаружено технических решений, содержащих совокупно признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого термостойкого МНЗ. Следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».In the available sources of information, no technical solutions were found that together contain features similar to the distinguishing features of the inventive heat-resistant oil refinery. Therefore, the invention meets the criterion of "novelty."

В располагаемых нами источниках информации отсутствуют сведения о влиянии имеющихся в заявленном изобретении отличительных признаков в совокупности на достижение заявленного технического результата. На основании этого был сделан вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».In our available sources of information there is no information about the effect of the distinctive features available in the claimed invention in aggregate on the achievement of the claimed technical result. Based on this, it was concluded that the invention meets the criterion of "inventive step".

Промышленная применимость.Industrial applicability.

Реализация предлагаемого способа является вполне возможной, т.к. на сегодняшний день промышленностью освоены все основные компоненты, из которых состоит заявляемое вещество, и технологические операции его приготовления. МНЗ может быть использован в конструкциях ТУК для транспортирования и хранения ОЯТ с высокой степенью выгорания, в качестве защитного слоя высокотемпературных радиационно-защитных экранов, а также другого теплонапряженного оборудования предприятий и объектов ядерного комплекса. Это подтверждает промышленную применимость МНЗ.The implementation of the proposed method is quite possible, because To date, the industry has mastered all the main components of which the claimed substance consists, and the technological operations of its preparation. MNZ can be used in TUK designs for the transportation and storage of spent nuclear fuel with a high degree of burnout, as a protective layer of high-temperature radiation protective shields, as well as other heat-stressed equipment of enterprises and facilities of the nuclear complex. This confirms the industrial applicability of MNZ.

Claims (1)

Термостойкий материал нейтронозащитный для радиационно-защитного слоя от нейтронного излучения, включающий магнийфосфатное связующее и порошковую часть, отличающийся тем, что магнийфосфатное связующее составляет 24-33 мас.%, а порошковая часть - 76-67 мас.% от всей массы материала нейтронозащитного, в порошковую часть добавляем гидрид титана (TiH2), при этом порошковая часть содержит гидрида титана 90,3-95,5 мас.%, оксида магния (MgO) 2,7-4,5 мас.%, карбида бора (B4C) 1,8-5,2 мас.% от всей массы порошковой части материала нейтронозащитного. Heat-resistant neutron-shielding material for a radiation-protective layer from neutron radiation, including a magnesium phosphate binder and a powder part, characterized in that the magnesium phosphate binder is 24-33 wt.%, And the powder part is 76-67 wt.% Of the total neutron-shielding material, in the powder part is added titanium hydride (TiH 2 ), while the powder part contains titanium hydride 90.3-95.5 wt.%, magnesium oxide (MgO) 2.7-4.5 wt.%, boron carbide (B 4 C ) 1.8-5.2 wt.% Of the total mass of the powder part of the neutron-shielding material.
RU2012132730/04A 2012-07-31 2012-07-31 Fire-resistant neutron-protective material RU2522580C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012132730/04A RU2522580C2 (en) 2012-07-31 2012-07-31 Fire-resistant neutron-protective material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012132730/04A RU2522580C2 (en) 2012-07-31 2012-07-31 Fire-resistant neutron-protective material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012132730A RU2012132730A (en) 2014-02-10
RU2522580C2 true RU2522580C2 (en) 2014-07-20

Family

ID=50031827

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012132730/04A RU2522580C2 (en) 2012-07-31 2012-07-31 Fire-resistant neutron-protective material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2522580C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2604237C1 (en) * 2015-06-29 2016-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт синтетического каучука имени академика С.В. Лебедева" (ФГУП "НИИСК") Heat-resistant filling composition for neutron protection
RU2633532C1 (en) * 2016-08-31 2017-10-13 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" Polymer composite for neutron shielding and method of its production
RU2704318C1 (en) * 2015-10-15 2019-10-28 Нойборон Медтех Лтд. Material which slows down neutrons
RU2715749C1 (en) * 2017-04-26 2020-03-03 Токемек Энерджи Лтд Neuron protection integrated with solenoid

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2111558C1 (en) * 1996-06-25 1998-05-20 Петербургский институт ядерной физики им.Б.П.Константинова РАН Pasty material for shielding against radioactive radiation
RU2362225C2 (en) * 2007-04-16 2009-07-20 ОАО "Концерн Энергоатом" Stabilising material and method of producing thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2111558C1 (en) * 1996-06-25 1998-05-20 Петербургский институт ядерной физики им.Б.П.Константинова РАН Pasty material for shielding against radioactive radiation
RU2362225C2 (en) * 2007-04-16 2009-07-20 ОАО "Концерн Энергоатом" Stabilising material and method of producing thereof

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2604237C1 (en) * 2015-06-29 2016-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт синтетического каучука имени академика С.В. Лебедева" (ФГУП "НИИСК") Heat-resistant filling composition for neutron protection
RU2704318C1 (en) * 2015-10-15 2019-10-28 Нойборон Медтех Лтд. Material which slows down neutrons
RU2633532C1 (en) * 2016-08-31 2017-10-13 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" Polymer composite for neutron shielding and method of its production
RU2715749C1 (en) * 2017-04-26 2020-03-03 Токемек Энерджи Лтд Neuron protection integrated with solenoid
US10847269B2 (en) 2017-04-26 2020-11-24 Tokamak Energy Ltd. Combined neutron shield and solenoid

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012132730A (en) 2014-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2522580C2 (en) Fire-resistant neutron-protective material
EP1600984B1 (en) Cask, composition for neutron shielding body, and method of manufacturing the neutron shielding body
TW543038B (en) Fiexible amorphous composition for high level radiation and environmental protection
CN107342113A (en) A kind of resistance to irradiation inorganic mask material of high temperature resistant
TW201019347A (en) Waste storage vessels and compositions therefor
GB2048554A (en) Process for conditioning radioactive and/or toxic waste
JP6818293B2 (en) Neutron absorber and its manufacturing method
Prohorenko et al. Improving of characteristics of composite materials for radiation biological protection
JP2014035297A (en) Thermal neutron absorber coating application device and method, and method for collecting molten core
RU2491667C1 (en) Composite material for protection against radiation
TWI790709B (en) Sintered body for radiation shielding material, radiation shielding material, and method for producing the same
JP3926823B2 (en) Radiation shielding material
US3723581A (en) Method of producing fuel and/or breeder elements for nuclear reactors
JP2520978B2 (en) Radiation shield
Mayzan et al. Graphite immobilisation in iron phosphate glass composite materials produced by microwave and conventional sintering routes
Shih et al. Low-temperature synthesis of silicon carbide inert matrix fuel through a polymer precursor route
RU2530002C2 (en) Polymer composition for radiation protection of electronic devices
Pletser et al. Immobilisation process for contaminated zeolitic ion exchangers from Fukushima
Colorado et al. Boron and lead based chemically bonded phosphates ceramics for nuclear waste and radiation shielding applications
RU2632934C1 (en) Composite material on polymer basis for combined protection of gamma, neutron and electromagnetic radiation, filled with nanopowder of tungsten, nitride of boron and black carbon
CN106750820B (en) Low-density neutron shielding material and preparation method thereof
JP7165339B2 (en) Sintered body for radiation shielding material, radiation shielding material and method for producing the same
KR100298036B1 (en) Silicon rubber system neutron shield composition
WO2019050701A1 (en) Composite fuel with enhanced oxidation resistance
US6624339B1 (en) Method to confine plutonium in apatitic ceramics and products obtained using said process

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170801

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20200122