Автoры: Беляев Анатoлий Леoнидoвич, Веcелкoв Михаил Михайлoвич, Грабкo Алекcандр Иванoвич, Ильенкo Евгений Владимирoвич, Сырoпятoва Людмила Павлoвна, Чиркoв Андрей Юрьевич, Шивырталoв Сергей Михайлoвич, Штуца Михаил Геoргиевич
Изoбретение oтноcитcя к облаcти биологичеcкой защиты перcонала и окружающей cреды от воздейcтвия выcокоактивных иcточников радиоактивного излучения. Изделие защитной техники от радиоактивного излучения урана выполнено из механичеcки обработанного обедненного урана или его cплавов c внешней изолирующей оболочкой в виде покрытия. Причем изделие выполнено из оборотного металла, а оболочка выполнена в виде цинкового покрытия толщиной 10-100 мкм, cодержащего интерметаллиды урана и цинка c cодержанием интерметаллида U2Zn17 не менее 0,01 маc.%. Изобретение направлено на повышение надежноcти биологичеcкой защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от радиоактивного излучения урана. 2 ил., 1 табл.
Изделия защитной техники из обедненного урана и его сплавов используются в различных отраслях народного хозяйства: в дефектоскопии, в транспортно-перегрузочных контейнерах, в научно-исследовательском и в медицинском оборудовании, в радиоизотопных термоэлектрогенераторах, в установках контроля и т.д., требующих при эксплуатации надежной биологической защиты персонала и окружающей среды от воздействия высокоактивных источников радиоактивного излучения.
Изделия защитной техники состоят из корпуса (свинец, уран и др. материалы), покрытого внешней оболочкой (нержавеющая сталь, покрытие и т.д.) и крышки. Корпус изделия имеет внутреннюю полость для размещения в нем высокоактивного источника радиоактивного излучения.
Сочетание физических, механических и технологических свойств обедненного урана и его сплавов превосходит характеристики других материалов биологической защиты. Применение обедненного урана и его сплавов для целей защиты от воздействия высокоактивных источников радиоактивного излучения позволяет уменьшить массу и габариты приборов и аппаратов по сравнению с другими материалами, повысить эффективность биологической защиты и гарантировать в соответствии с требованиями МАГАТЭ надежную ядерную и экологическую безопасность в условиях их нормальной работы и в экстремальных и в аварийных ситуациях.
Известно изделие защитной техники из механически обработанного урана с криволинейным каналом внутри для источника излучения, выполненным фрезерованием (А.Н.Майоров и др. Радиационная дефектоскопия. М.: Атомиздат, 1976, с.41).
Известное изделие не исключает возможности загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана из-за отсутствия у него внешней изолирующей оболочки (кожуха или покрытия). Кроме того, данное изделие отличается сравнительно высокой себестоимостью изготовления из-за высокой трудоемкости и сложности конструкции изделия, вызванной наличием у него криволинейного канала, изготавливаемого фрезерованием.
Известно изделие защитной техники из урана, содержащее внутри трубки или другие фасонные детали сложных форм из стали (Патент Франции
2395093, В22D 19/02, 1978 г.).
Известное изделие не исключает возможности загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана из-за отсутствия у него внешней изолирующей оболочки (кожуха или покрытия). Кроме того, данное изделие отличается сравнительно высокой себестоимостью изготовления из-за высокой трудоемкости и сложности конструкции изделия, вызванной наличием у него внутри фасонных деталей сложных форм из стали.
Известно изделие защитной техники из механически обработанного урана с криволинейными титановыми трубками внутри, поверхности которых имеют оксидную пленку (Уран в народном хозяйстве. Обзорная информация, выпуск 3(162), М., ГНЦ РФ ВНИИНМ им. А.А.Бочвара, 1999, с.16, 17).
Известное изделие не исключает возможности загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана из-за отсутствия у него внешней изолирующей оболочки (кожуха или покрытия). Кроме того, данное изделие отличается сравнительно высокой себестоимостью изготовления из-за высокой трудоемкости, вызванной использованием в конструкции изделия криволинейных титановых трубок с оксидной пленкой на поверхности.
Известно изделие защитной техники из обедненного урана, представляющее собой одногнездовой контейнер с верхней загрузкой и выгрузкой. Данное изделие состоит из корпуса, крышки корпуса, пробки и стакана. Изделие имеет тепловую защиту из гипса, располагающуюся в корпусе и крышке. Радиационная защита выполнена из обедненного урана и располагается в корпусе и пробке. Остальные конструктивные элементы изготовлены из нержавеющей стали. Источники радиоактивного излучения располагаются в извлекаемом стакане. Снаружи корпуса изделия имеются две ручки, а для опломбирования изделия на корпусе и крышке предусмотрены две пары ушек. (Уран в народном хозяйстве. Обзорная информация, выпуск 3(162), М., ГНЦ РФ ВНИИНМ им. А.А.Бочвара, 1999, с.13, 14).
Данное изделие полностью исключает возможность загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана. Однако это изделие отличается сравнительно высокой себестоимостью изготовления, вызванной сложностью конструкции изделия и многообразием применяемых материалов.
Известно изделие защитной техники из урана, армированного металлическими вставками (Патент РФ
2060105 С1, 6 В22D 19/02, опубл. 20.05.1996 г.).
Известное изделие не исключает возможности загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана из-за отсутствия у него внешней изолирующей оболочки (кожуха или покрытия). Кроме того, данное изделие отличается сравнительно высокой себестоимостью изготовления, вызванной высокой трудоемкостью и сложностью конструкции изделия из-за армирования его металлическими вставками.
Известно изделие защитной техники из урана и его сплавов, содержащее контейнер из нержавеющей стали, изготовленный в виде внешней герметизирующей оболочки изделия, промежуточное покрытие и уран или его сплавы, залитый в контейнер. Промежуточное покрытие содержит ортофосфорную кислоту, оксид алюминия, флюорит, хромовый ангидрид и воду (Патент РФ
2089341, B22D 19/00, опубл. 09.10.1997 г.).
Данное изделие полностью исключает возможность загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана. Однако это изделие отличается сравнительно высокой себестоимостью изготовления, вызванной сложностью изготовления внешней герметизирующей оболочки в форме изделия из тонколистовой нержавеющей стали, нанесения на ее внутреннюю поверхность промежуточного покрытия и заливки в нее расплавленного урана.
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является изделие защитной техники из механически обработанного обедненного урана с покрытием из оксида циркония. Изделие состоит из корпуса, вкладыша и стержня (Уран в народном хозяйстве. Обзорная информация, выпуск 3(162), М., ГНЦ РФ ВНИИНМ им. А.А.Бочвара, 1999, с.17, 18).
Известное изделие не исключает возможности загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана из-за пористости покрытия, нанесенного методом плазменного напыления, сравнительно низкой адгезии его к урану и возможности растрескивания толстого покрытия. Кроме того, данное изделие отличается сравнительно высокой себестоимостью изготовления, вызванной высокой стоимостью материала покрытия и затратами на его нанесение на изделие из урана.
Задачей изобретения является снижение себестоимости изготовления изделия и повышение надежности биологической защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от радиоактивного излучения урана.
Технический результат достигается тем, что изделие защитной техники от радиоактивного излучения урана, выполненное из механически обработанного обедненного урана или его сплавов с внешней изолирующей оболочкой в виде покрытия, выполнено из оборотного металла, а оболочка выполнена в виде цинкового покрытия толщиной 10-100 мкм, содержащего интерметаллиды урана и цинка с содержанием интерметаллида U2Zn17 не менее 0,01 мас.%.
При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения.
Сравнение заявляемого изделия не только с наиболее близким аналогом, но и с другими техническими решениями в данной области техники показало, что известно изделие из урана с цинковым покрытием (Ю.Н.Сокурский, Я.М.Стерлин, В.А.Федорченко. Уран и его сплавы. М.: Атомиздат, 1971, с.408). Известно также использование оборотного металла для получения урана и его сплавов. (Ю.Н.Сокурский, Я.М.Стерлин, В.А.Федорченко. Уран и его сплавы. М.: Атомиздат, 1971, с.338). Однако в заявленном техническом решении только вся заявляемая совокупность известных и неизвестных существенных признаков позволяет получить новый, ранее неизвестный положительный эффект, заключающийся в значительном снижении себестоимости изготовления изделия и повышении надежности биологической защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от радиоактивного излучения урана.
Использование для изготовления заявляемого изделия защитной техники оборотного металла и нанесение на механически обработанное изделие тонкого защитного слоя сравнительно дешевого цинка толщиной 10-100 мкм позволяет на 15-20% снизить затраты на материалы и тем самым значительно снизить себестоимость его изготовления.
Наличие в составе цинкового покрытия интерметаллидов урана и цинка, а также содержание в покрытии интерметаллида U2Zn17 в количестве не менее 0,01 мас.% позволяет значительно повысить надежность биологической защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от радиоактивного излучения урана за счет повышения адгезии покрытия к урану и устойчивости его к трещинообразованию, которое обеспечивается благодаря снижению уровня напряжений.
На фиг.1 показана микроструктура диффузионного цинкового покрытия при увеличении в 240 раз.
На фиг.2 показана микроструктура диффузионного цинкового покрытия при увеличении в 2500 раз.
Примеры осуществления
По наиболее близкому аналогу изготавливали имитатор изделия защитной техники из сплава обедненного урана марки УСМЦ. На механически обработанное изделие наносили покрытие из стабилизированной окисью иттрия двуокиси циркония методом плазменного напыления толщиной 300 мкм.
По заявляемому техническому решению изготавливали имитатор изделия защитной техники из оборотного металла сплава обедненного урана марки УСМЦ. На механически обработанное изделие в вакууме наносили цинковое покрытие. Варьируя технологические параметры процесса нанесения покрытия, получали имитаторы изделия с различной толщиной цинкового покрытия: 9; 10; 50; 100; 110 мкм и разного состава интерметаллидов урана и цинка в покрытии. Содержание интерметаллида
U2Zn17 в покрытии составляло 0,009; 0,01 и 0,02 мас.%.
Для сравнения изготавливали имитаторы заявляемого изделия защитной техники из оборотного металла нелегированного урана и из разных сплавов на его основе: УЦН, УКМЦ. В ходе выполнения данной работы оценивали себестоимость изготовления 1 кг изделия защитной техники, устойчивость покрытия к трещинообразованию, проводили металлографические и рентгеноструктурные исследования образцов по стандартным методикам. По каждому варианту изготавливали по 3 имитатора изделия. Результаты исследований представлены в таблице.
| Сравнительные данные заявляемого технического решения и наиболее близкого аналога | ||||||
| опыта | Вариант технического решения | Марка сплава | Толщина покрытия, мкм | Кол-во интерметаллида U2Zn17 в покрытии, мас.% | Устойчивость покрытия к трещинообразо-ванию | Относит. себестоимость изготовления 1 кг изделия, % отн. |
| 1 | Заявляемое решение | УСМЦ | 9 | 0,01 | низкая | 82,2 |
| 2 | -«- | УСМЦ | 10 | 0,009 | низкая | 82,3 |
| 3 | -«- | УСМЦ | 10 | 0,01 | высокая | 82,3 |
| 4 | -«- | УСМЦ | 100 | 0,02 | высокая | 85,7 |
| 5 | -«- | Нелегиро-
ванный уран | 10 | 0,01 | высокая | 83,1 |
| 6 | -«- | -«- | 100 | 0,02 | высокая | 86,2 |
| 7 | -«- | УКМЦ | 10 | 0,01 | высокая | 83,8 |
| 8 | -«- | УКМЦ | 100 | 0,02 | высокая | 87,5 |
| 9 | -«- | УЦН | 10 | 0,01 | высокая | 82,9 |
| 10 | -«- | УЦН | 100 | 0,02 | высокая | 86,6 |
| 11 | Наиболее близкий аналог | УСМЦ | 300 | - | средняя | 100 |
Анализ данных, представленных в таблице, показывает, что заявляемое изделие защитной техники отличается от изделия по наиболее близкому аналогу меньшей себестоимость изготовления изделия (82,3-87,5% по заявляемому решению вместо 100% по наиболее близкому аналогу) и более высокой устойчивостью покрытия к трещинообразованию, а следовательно, и более высокой надежностью биологической защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от радиоактивного излучения урана.
Из фиг.1 и 2 видно, что цинковое покрытие на заявленном изделии имеет равномерный слой и мелкозернистую структуру. Средний размер зерна интерметаллических соединений составляет ~0,8 мкм.
Оптимальными параметрами цинкового покрытия на заявляемом изделии защитной техники являются (опыты
3-10):
- толщина покрытия - 10-100 мкм;
- количество интерметаллида U2Zn17 - не менее 0,01 мас.%.
Уменьшение толщины цинкового покрытия менее 10 мкм (опыт
1) и количества интерметаллида U2Zn17 в покрытии менее 0,01 мас.% (опыт 2) приводит к значительному снижению надежности биологической защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от радиоактивного излучения урана.
Увеличение толщины цинкового покрытия более 100 мкм приводит к значительному повышению себестоимости изготовления изделия защитной техники.
Заявляемое изделие защитной техники опробовано с положительным результатом в производственных условиях ОАО ЧМЗ при изготовлении опытной партии изделий из оборотов сплава обедненного урана марки УСМЦ.
