Композиционные контейнеры для защиты

от ионизирующих излучений

Оголихин В.М., д.т.н., Яковлев И.В., д.т.н., Шемелин С.Д.

Институт гидродинамики им.М.А.Лаврентьева СО РАН

Новосибирск

При работе с радиоактивными веществами требуется эффективная защита от излучения. Показана возможность использования энергии взрыва при создании металлокерамических контейнеров для перевозки и хранения радиоактивных веществ.

Ключевые слова: взрывное компактирование, металлокерамический контейнер, радиоактивное вещество, взрывчатое вещество, интенсивность излучения.

При транспортировке и хранении радиоактивных веществ требуется эффективная защита от излучения. Известно, что карбид вольфрама, как защитный материал, достаточно успешно справляется с подобными задачами. Однако карбид вольфрама существует в виде порошка, компактирование которого в форме законченного изделия ни динамическими, ни статическими методами невозможно.

При этом имеются доказательства того, что использование энергии взрыва для консолидации и компактирования порошковых композиций является перспективным направлением создания композиционных материалов [1]. При этом следует иметь в виду, что взрывное нагружение твердых и хрупких порошковых материалов может привести только к их уплотнению, но не консолидации. В таких порошковых композициях положительный эффект достигается добавлением в основной порошок связки из пластичного порошкового материала.

Процессы, протекающие в порошке при его взрывном компактировании, существенно отличаются от процессов при статическом прессовании. При взрывном компактировании не происходит одновременного уплотнения по всему объему изделия. Ударная волна, проходя через порошок, оставляет за собой скомпактированный материал. Высокая скорость нагружения, за очень короткое время действия ударного импульса, приводит к повышению температуры в компакте до значений порядка температуры плавления материала порошка и может привести к частичному спеканию по поверхностям контакта [2]. Считается, что процесс консолидации порошков под действием ударных волн происходит стадию дробления частиц, затем уплотнения и оплавления контактных границ в результате взаимного трения.

Взрывным компактированием получаются заготовки, которые после механической обработки превращаются в изделия. Свойства заготовок, в первую очередь плотность порошковой составляющей, в значительной степени зависят от схем взрывного компактирования. Различные схемы взрывного компактирования наиболее полно представлены в работе [3]. В настоящей работе рассматривается взрывное компактирование порошковых материалов в специальных цилиндрических ампулах. При этом нагружение осуществляется скользящей ударной волной, образующейся в результате взрыва цилиндрических зарядов взрывчатого вещества (рис.1).

Рисунок 1 - Схема взрывного компактирования

порошковых материалов в ампулах сложной конфигурации

1 – основание; 2 - сферическо-цилиндрическая ампула (с внутренней

и внешней оболочками); 3 - полость технологической ампулы со

смесью порошков; 4 - заряд взрывчатого вещества; 5 – детонатор;

6 – технологическая вставка

В процессе разработки схем взрывного компактирования порошковых материалов в цилиндрических ампулах, необходимо обеспечить однородность нагружения по длине ампулы, исключить образование трещин и разрушений в радиальном и осевом направлениях, а также исключить неоднородность компакта.

Для изготовления защитных контейнеров кроме цилиндрических элементов необходимы также плоские многослойные элементы, содержащие в качестве внутреннего слоя порошок. В результате проведенных исследований был разработан способ, позволивший получить многослойное изделие с внутренним слоем из карбида вольфрама.

Рисунок 2 - Композиционнй малоразмерный

контейнеров для защиты от ионизирующих излучений

По схеме, приведенной на рис.1, были выполнены заготовки цилиндрическо-сферической формы тел вращения, которые после механической обработки превращались в элементы защитных устройств (рис.2). Представленный на рисунке контейнер состоит из трех слоев:

сталь - спрессованная смесь порошков карбида вольфрама и меди(10%) - сталь. При исследовании структуры спрессованного порошка, было установлено, что такого количества меди достаточно, чтобы получился компакт с плотностью, близкой к плотности монолита. Такая конструкция наиболее эффективна при изготовлении малоразмерных контейнеров. Так как контейнер такой конструкции при изготовлении имеет определенную трудоемкость, резко возрастающую при увеличении его габаритов. Поэтому была разработана схема более простого в изготовлении, но более емкого контейнера, включающего в качестве основных элементов внутреннюю и внешнюю трубы из стали и порошком карбида вольфрама и меди между ними рис.3.

Рисунок 3 – Цилиндрическая часть контейнера

Вместе с этим была отработана технология изготовления трехслойных дисков сталь – порошковая смесь – сталь для элементов на верхний и нижний торец трехслойной цилиндрической детали (рис.4).

Рисунок 4 – Трёхслойный диск:

сталь - карбид вольфрама - сталь

При отработке технологии изготовления цилиндрических контейнеров были получены трехслойные трубы с внутренним и внешним диаметрами 60 мм и 110 мм соответственно и длиной 330 мм, а также трехслойные диски диаметром 135 мм и толщиной 15 мм. Из полученных элементов были изготовлены защитные контейнеры, показанные на рис.5.

Рисунок 5. – Контейнер радиационно-защитный

а) контейнер в сборе; б) узлы и детали контейнера;

1– крышка съёмная;2 – гайка; 3 – цилиндрическая часть

контейнера; 4 – крышка несъёмная

Представленные результаты свидетельствуют о том, что технология взрывного компактирования порошковых материалов в металлических ампулах сложной конструкции является перспективной для получения металлокерамических композитов, обладающих специальными свойствами [4].

Важнейшей характеристикой защитных свойств металлокерамических контейнеров является ослабление интенсивности -квантов и наличие тормозного излучения [5].

Защитные свойства материалов при облучении моноэнергетическим -излучением принято описывать либо с помощью линейного коэффициента ослабления , либо массового коэффициента ослабления , где - плотность материала. Коэффициент зависит от энергии -квантов атомного номера вещества Z и его плотности , т.е. является функцией . Для сравнения защитных свойств различных материалов иногда удобнее использовать массовый коэффициент ослабления, в этом случае .

Линейный и массовый коэффициенты ослабления определялись в геометрии узкого пучка, когда число -квантов N(d), прошедших через слой материала толщиной d, связано с числом нормально падающих на материал -квантов N₀(d) соотношением N(d)=N₀e ^-d=N₀e ^-X, где x_m=d(г/см²) – массовая толщина слоя материала.

Геометрия узкого пучка предполагает выполнение некоторых обязательных условий при постановке экспериментов, а именно, ширина пучка не должна превышать поперечных размеров детектора, т.е. пучок должен быть коллимированным; расстояние от мишени (исследуемого материала) до детектора должно исключать попадание в детектор рассеянного излучения.

Методика проведения исследований по пропусканию ионизирующих излучений через мишень основана на изменении скорости счета детектора от толщины мишени n(d), при заданных положениях источника излучения, мишени и детектора.

При геометрии узкого пучка выполняется соотношение lnn(d)=lnn₀ - d= lnn₀ - .

Образцы исследовались на возможность применения в качестве элементов радиационной защиты с использованием цезиевого источника радиоактивности – цезий 137(Cs¹³⁷) с энергией -квантов 0,662 МэВ. При исследовании определялись линейные коэффициенты ослабления =0,837 см ^-1 и =0,991 см ^-1; рассчитывались массовые коэффициенты ослабления =0, 089 см²/г и =0,092 см²/г; рассчитывались эффективные атомные номера Z_WC=67, Z_ВК25=68. Результаты, в сравнении с известными коэффициентами, приведены в табл.1.

Таблица 1.

Материал	Cu	Fe	Ni	Бетон	Al	I	II	III	W	Pb
(см^2)	0,071	0,073	0,075	0,077	0,077	0,089	0,088	0,087	0,930	0,104
(см ^-1)	0,638	0,570	0,668	0,171	0,201	0,837	1,040	0,861	1,790	1,180

В табл.1: I – материал WC+нихром, II – материал WC+10%Cu, III – материал WC+20%Cu+5%Ni.

Наличие тормозного излучения от электронов -распада определяли помещая внутрь контейнера источник излучения (Sn-Y) с максимальной энергией 2,273 МэВ. Отклонение от фонового излучения не превышало погрешности измерения, т.е. тормозное излучение полностью поглощалось в материале стенок контейнера. Кроме этого были выполнены измерения с использованием дозиметра СРП-68 (сцинтилляционный детектор которого позволяет регистрировать кванты с энергией большей 50 КэВ). При фоне 15 мкР/ч показания на расстоянии 1 см от поверхности контейнера составили 25 мкР/ч.

Выводы.

По результатам проведенных исследований удается установить, что

при прохождении -квантов с энергией излучения 0,662МэВ через стенки контейнера происходит ослабление исходной интенсивности, в среднем, в 1,9 – 2,3 раза в зависимости от направления.

Список литературы

1. Анциферов, В.Н. Композиционные материалы и конструкции на основе титана и его соединений/ В.Н. Анциферов, Л.Д. Сиротенко, А.М. Ханов, И.В. Яковлев. – Новосибирск: Изд-во Ин-та гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН. – 2001. – 370 с.

2. Кузьмин, Г.Е. Экспериментально-аналитические методы в задачах динамического нагружения материалов/ Г.Е. Кузьмин, В.В. Пай, И.В. Яковлев – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. – 312 с.

3. Рогозин, В.Д. Взрывная обработка порошковых материалов/ В.Д. Рогозин.- РПК «Политехник», Волгоград, 2002. – 136 с.

4. Давиденко, И.Б. Композиционные материалы для защиты от ионизирующих излучений/ И.Б. Давиденко, А.Г. Руденкова, В.И. Гурков, И.С. Ким, В.М. Оголихин, В.И. Побызаков// Материалы 2-ой Всероссийской конференции молодых ученых. – Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии. Томск 2003 г.

5. Adrian, A. Joseph Исследование защитных характеристик материалов Nurescell/ A. Joseph Adrian, В.И. Гурков, З.В. Кормухина и др.// Материалы международного научного семинара «Инновационные технологии – 2001»- 20-22 июня 2001 г., -Красноярск.

Авторы:

Яковлев Игорь Валентинович, д.т.н., профессор,

yakovlev@hydro.nsc.ru

Оголихин Виктор Михайлович, д.т.н.

Шемелин Сергей Дмитриевич, инженер

Адрес: 630090,

Новосибирск-90, Проспект ак.Лаврентьева 15,

Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН

Россия.