CZ2015314A3 - Anorganický stínící materiál s absorbátory a moderátory neutronů a způsob jeho přípravy - Google Patents

Abstract

Anorganický stínící materiál s moderátory a absorbátory neutronů obsahuje 0,5 až 12,5 % hm. grafitu, 7 až 11 % hm. boru, fosfor, přičemž molární poměr bóru/fosforu činí 1,1 až 3,4 a anorganickou složku, přičemž materiál má hustotu 1,3 až 1,6 g/cm.sup.3.n., velikost zrna grafitu je do 63 .mi.m a anorganickou složkou je křemelina, mastek, zeolit, živec či jejich jakákoli směs v libovolném vzájemném poměru. Při způsobu přípravy tohoto materiálu se smíchá 25 až 45 % hm. 85 % kyseliny fosforečné, 1 až 15 % hm. anorganické složky, 40 až 70 % hm. kyseliny borité a 0,5 až 10 % hm. grafitu, směs se zhomogenizuje, převede do formy a vysuší.

Description

Anorganický stínící materiál s absorbátory a moderátory neutronů a způsob jeho přípravy Oblast techniky

Vynález se týká nového nehořlavého anorganického materiálu s obsahem absorbátorů a moderátorů neutronů pro stínění širokého spektra neutronového záření.

Dosavadní stav techniky

Spektrum ionizujícího záření neutronů je složeno z rychlých neutronů o energii 500 keV - 10 MeV, rezonančních neutronů o energii 0,5 eV - 0,1 MeV a tepelných neutronů o energii 0,002 - 0,5 eV, které jsou nejpomalejší. Tepelné neutrony jsou již v termodynamické rovnováze s atomy nebo molekulami prostředí, ve kterém se pohybují a mohou být absorbovány jinými atomy. Aby bylo možné neutrony absorbovat a tedy je odstínit, musí mít právě tuto nízkou energii kolem 0,5 eV, což lze zajistit moderací jejich rychlosti, tedy zpomalením. Zpomalení se děje ve formě pružných srážek neutronů s jádry atomů, tzv. moderátorů. Takto zpomalené neutrony lze již snadno absorbovat jádry atomů, s účinným průřezem, tzv. absorbátorů. Optimální stínící materiál obsahuje moderátory i absorbátory neutronů, rychlé neutrony zpomalí a zpomalené tepelné neutrony odstíní.

Nejběžnějšími moderačními materiály, většinou voda nebo polymemí hmoty, jsou látky s vysokým obsahem lehkých prvků, z nichž nejúčinnějším moderátorem je vodík. Nejúčinnějšími absorbátory neutronového záření jsou atomy lithia, bóru nebo kadmia, z nichž bór je většinou použit ve formě bórové oceli nebo kadmium většinou ve formě plechů. Konstrukce stínící neutronové záření jsou obvykle složeny současně z materiálů s obsahem moderátorů i absorbátorů. V současné praxi se ke stínění rychlých neutronů používá polyethylenových nebo polyuretanových tvarovek nebo tvarovek z uvedených polymerů s obsahem absorbátorů tepelných neutronů, nej častěji s obsahem 3 až 5 % hmotn. bóru. Koncentrace vodíku v těchto tvarovkách je vysoká a jejich povrch lze snadno dekontaminovat. Jako optimální řešení se často kombinují oba typy materiálů, tj. tvarovky z polyethylenu s tvarovkami s obsahem bóru. Nevýhodou výše uvedeného řešení je negativní účinek sekundárního záření, které se uvolňuje při záchytu neutronu bórem, které negativně působí na životnost organické polymemí matrice, neboť dochází k radiační degradaci organického materiálu. Zásadní nevýhodou uvedeného řešení je však hořlavost organického polymeru, a proto je toto řešení v některých případech z hlediska bezpečnostního zcela nevyhovující.

Jiná řešení pro stínění tepelných neutronů, například použití keramiky na bázi bóru, tj. nitridy nebo karbidy bóru, jsou extrémně drahá. Použití skel, resp. soustav Na20-B203-Si02, přináší technické problémy při přípravě skel s vyšším obsahem B2O3, a například skelné systémy s obsahem B2O3 10 % hmotn. obsahují v přepočtu pouze 1,5% hmotn. bóru.

Anorganický materiál s absorbátory neutronů podle patentu CZ 304030 je nehořlavý, odolný vůči sekundárnímu záření, avšak jeho hlavní nevýhodou jsou omezené možnosti použitelnosti pro stínění ionizujícího záření, jelikož odstíní pouze ionizující záření tepelných neutronů, které je v rozmezí 0,002 - 0,5 eV.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky výše uvedených řešení lze výrazně omezit tím, že se kmoderaci neutronů a ke stínění pomalých neutronů použije anorganická matrice s obsahem moderátorů současně s vysokým obsahem absorbátorů. Tento materiál jev porovnání s organickou matricí zároveň odolnější k radiační degradaci a je ze své podstaty anorganického materiálu nehořlavý a tepelně resistentní do teplot 1000 °C. Což je z hlediska bezpečnosti obzvlášť významné, také pro stínění vysokoenergetického neutronového záření bez potřeby organických materiálů. Tím se významně rozšiřuje použitelnost anorganických materiálů v oblasti ochrany před ionizujícím zářením.

Byl vytvořen nový stínící materiál, který se sestává z grafitu, anorganické složky a matrice na bázi fosforu a také bylo zjištěno, za jakých podmínek lze tyto komponenty skloubit a jaké musí být jejich vstupní vlastnosti. Vytvořený stínící materiál má hustotu 1,3, až 1,6 g/cm3, molární poměr bóru/fosforu 1,1 až 2,9, přičemž výhodných fyzikální vlastností je dosaženo v rozmezí 1,6 až 2,1. V novém stínícím materiálu obsah bóru činí 7 až 11 % a obsah grafitu činí 0,5 až 12,5 %. Vzájemný poměr bóru a grafitu je upravován dle typu neutronového záření, které je třeba stínit. Účinnost stínícího materiálu byla testována a bylo zjištěno, že nový stínící materiál je o 25 - 40 % účinnější než stínění z PE s 5% obsahem bóru.

Celkové složení materiálu je navrženo pro výrobu kompaktní, dokonale homogenní směsi. Pro výrobu je používán rafinovaný grafit o čistotě 99,4 % o velikosti zrna do 5 pm, s výhodou 0 až 4 pm, což zajišťuje vysokou mechanickou pevnost.

Nový stínící anorganický materiál s obsahem moderátorů a absorbátorů neutronů se připraví z 25 až 45 % hmotn. kyseliny fosforečné (85 %), s výhodou 30 až 40 % hmotn., z 1 až 15 % hmotn. anorganické složky, s výhodou 2 až 10 % hmotn., z 40 až 70 % kyseliny borité, s výhodou 50 až 66 % hmotn., a z 0,5 až 10 % grafitu, přičemž anorganickou složkou je křemelina, mastek, živec nebo zeolit či jejich jakákoli směs v libovolném vzájemném poměru. Výše uvedené složky se míchají po dobu 2-3 minut při okolní teplotě, do vytvoření homogenní suspenze, která se převede do forem a suší se při teplotě 80 - 145°C po dobu 0,5-2 hodin do zatvrdnutí, poté se materiál dosuší při stejných teplotách.

Stínící materiál je tvořen vysušenou homogenní směsí všech výše uvedených složek, která během sušení ztrácí 20 až 30 % původní hmotnosti. Hustota připravených nových materiálů Λ se pohybuje v rozmezí 1,3 - 1,6 g/cm v závislosti na obsahu bóru, materiál je nasákavý, typicky 8-10 % hmotn., molámí poměr bóru/fosforu činí 1,1 až 3,4, s výhodou nej vhodnějších fyzikálních vlastností 1,6 - 2,2, obsah bóru je pro materiál sušený při teplotách 90 - 95°C v rozmezí 7 -11 % hmotn.

Materiál. Získaný anorganický stínící materiál je vhodný pro stínění širokého spektra neutronového záření, s vysokým obsahem absorbátorů neutronů, až 11 % hm. bóru. Materiály jsou připravovány ve formě vodných suspenzí a lijí se za normální teploty do forem s tvarem vhodným pro konstrukce stínících sestav. Suspenze se následně suší za vzniku samonosných stínících prvků vhodných do konstrukcí stínících ionizační neutronové záření. Připravený materiál převyšuje kvality nyní používaného stínícího materiálu z polyetylénu s 5 % obsahem bóru. Jeho účinnost stínění je o 25 - 40 % vyšší, materiál je stálý, nehořlavý, odolný vysokým teplotám. Příklady provedení vynálezu Příklad 1

Ve 576 g 85 % hmotn. kyseliny fosforečné (45,8 % hmotnosti výchozí suspenze) bylo postupně suspendováno 137 g křemeliny (11 %), 495 g kyseliny borité (39,3 %) a 52 g grafitu (4,1 %) a suspenze byla homogenizována mícháním při laboratorní teplotě místnosti 23 °C po dobu 5 minut. Suspenze byla převedena do formy a sušena při 90 °C do zatvrdnutí materiálu a úbytku hmotnosti 25 % hmotn. Vyjmutím z formy byla získána stínící deska o rozměrech 150 x 75 mm a tloušťce 14,8 mm.

Pro stanovení účinnosti stínění připraveného materiálu byly stejným postupem připraveny další dvě stínící desky s rozměry 150 x 75 mm a tloušťkami 21,4 mm a 32,4 mm. Výsledkem byl stínící materiál s obsahem 9,16 % hmotn. elementárního bóru a 5,5 % grafitu, ^ r stanoveno na sušinu materiálu při 95°C, hustotou 1,45 g/cm . Účinnost stínění byla v závislosti na tloušťce jednotlivých desek 76,8 až 84 %. Příklad 2

Ve 1037 g 85% kyseliny fosforečné (40,4 % hmotnosti výchozí suspenze) bylo postupně suspendováno 275 g zeolitu (10,7 %), 1224 g kyseliny borité (47,7 %) a 28,8 g grafitu (1,1 %). Suspenze byla míchána v homogenizátoru při okolní teplotě po dobu 5 minut a následně byla převedena do formy a sušena při 95 °C po dobu 10 hod., do zatvrdnutí materiálu. Vyjmutím z formy byla získána stínící deska o rozměrech 150 x 75 mm a tloušťce 13,8 mm. Pro stanovení účinnosti stínění připraveného materiálu byly stejným postupem připraveny další stínící desky s rozměry 150 x 75 mm a tloušťkami 22,5 mm a 32,4 mm. Výsledné materiály obsahovaly 10,4 % hmotn. elementárního bóru a 1,4 % grafitu, stanoveno na hmotnostní úbytek 20 % při 95 °C, hustotou 1,4 g/cm3. Účinnost stínění byla v závislosti na tloušťce jednotlivých desek 78 až 84 %. Příklad 3

Pro stanovení stínící účinnosti výše připravených materiálů byla použita standardní aparatura sestávající z detektoru teplených neutronů SNM11, analyzátoru DA310 spřaženého s PC (notebook). Měření byla provedena v režimu MCS (Multi-Channel Scaler) - čítače se vzorkováním 10 s.

Jak zdroj neutronového záření byl použit AmBe umístěný v přepravním kontejneru, kterým byl parafinový sud. Celkem bylo provedeno 9 měření. Nejprve bylo změřeno pozadí laboratoře bez zdroje (neutronů), následně počet impulsů se zdrojem neutronů v kontejneru a na konec byla proměřena postupně účinnost stínění všech připravených stínících desek. Pro kontrolu bylo opakováno měření opět s AmBe zdrojem v kontejneru bez stínících desek. Výsledky jsou uvedeny v TAB. 1 TAB. 1 Výsledky měření

Pozadí laboratoře bylo při porovnání zanedbáno, protože bylo způsobeno pouze zdrojem AmBe umístěném v přepravním kontejneru. Hodnoty AmBe (nestíněného zdroje) jsou pro další výpočet průměrem hodnot před měřením a na jeho konci. Výsledné koeficienty zeslabení pro jednotlivé materiály připravené podle výše uvedených příkladů jsou uvedeny v TAB. 2, kde jsou srovnány se standardem. Jako standard byla použita polyethylenová stínící deska s rozměry 200 x 82 mm s tloušťkou 20 mm a s obsahem 5 % hm. elementárního boru. Standard je v TAB. 2 označen jako PE+B5%. TAB. 2 Výsledné srovnání materiálů se standardem

Průmyslová využitelnost Výsledný materiál je vhodný pro přípravu prvků pro výstavbu konstrukcí stínících ionizující neutronové záření nebo pro přípravu prvků, které jsou součástí kombinovaných stínících konstrukcí

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Anorganický stínící materiál s moderátory a absorbátory neutronů^vyznačující se tím, že obsahuje 0,5 až 12,5 % hrrugrafitu, 7 až 11 % hm. boru, fosfor, přičemž molární poměr bóru/fosforu činí 1,1 až 3,4, a anorganickou složku, přičemž materiál má hustotu 1,3, až 1,6 g/cm3, velikost zrna grafitu je do 63 pm a anorganickou složkou je křemelina, mastek, zeolit, živec či jejich jakákoli směs v libovolném vzájemném poměru.
2. 2. Anorganický stínící materiál s moderátory a absorbátory neutronů podle nároku 1^ vyznačující se tím, že molární poměr bóru/fosforu činí 1,6 až 2,2.
3. 3. Anorganický stínící materiál s moderátory a absorbátory neutronů podle nároku 1^ vyznačující se tím, že bor pochází z kyseliny borité a fosfor z kyseliny fosforečné.
4. 4. Anorganický stínící materiál s moderátory a absorbátory neutronů podle nároku 1^ vyznačující se tím, že obsah grafitu činí 1 % až 5 %.
5. 5. Anorganický stínící materiál s moderátory a absorbátory neutronů podle nároku 1^ vyznačující se tím, že grafitem je rafinovaný grafit o čistotě 99,4 %, o velikosti zrna větší než 0 a menší než 5 pm.
6. 6. Způsob přípravy anorganického stínícího materiálu podle nároku ^vyznačující se tím, že se smíchá 25 až 45 % hm. 85% kyseliny fosforečné, 1 až 15 % hm. anorganické složky, 40 až 70 % hm. kyseliny borité a 0,5 až 10 % hm. grafitu, směs se zhomogenizuje, převede do formy a vysuší.
7. 7. Způsob přípravy anorganického stínícího materiálu podle nároku óyvyznačující se tím, že sušení se provede při teplotách 80°C až 145°C do konstantní hmotnosti.