PT82958B - Processo de fabrico de absorvedor de radiacoes nucleares - Google Patents

Description

ABSORVEDOR DE RADIAÇÕES NUCLEARES

A presente invenção refere-se a um absorvedor de radiações nucleares.

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 :

- tenham propriedades nucleares particulares: grande seç ção eficaz de captação, emissão secundária reduzida, boa esta bilidade no tempo relativamente à radiação;

- tenham um ponto de fusão elevado para suportar o aqueci mento gerado pela absorção das radiações, nomeadamente das radiações neutrénicas;

- sejam bons condutores do calor para assegurar uma evacuação rápida das calorias produzidas;

- apresentem características mecânicas que permitam uma conformação fácil;

resistam à corrosão na atmosfera ou no meio de trabalho;

- tenham um custo o mais baixo possível.

Entre todos os materiais utilizados para absorver os neutrões, os mais conhecidos são o cádmio, o samário, o euré-

cádmio tem o inconveniente de ser um produto muito tá pio, o boro e o gadolínio.

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.

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.

No que respeita ao óxido, geralmente disponível sob a forma de po, ele deve ser misturado com outros produtos, uti-

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.

Quanto ao metal propriamente dito, o seu preço continua elevado e a sua aplicação difícil, devido à sua grande susceptibilidade à oxidação.

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.

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.

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.

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.

JF͹?·

alumínio utilizado pode ser puro, quer por ter sido refinado por um meio qualquer, tal como a electrólise de três

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.

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,

5000 e 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.

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.

Estas ligas dão origem a estruturas perfeitamente homo géneas com secções eficazes de captura muito regulares. Além

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 densida

de para duas ligas binárias Al-Gd, uma com 11 % de Gd e outra com 23 % de Gd.

QUADRO I :

DENSIDADE DE DIGAS BINÁRIAS Al-Gd % ponderai de Gd

Densidade

2,92

3,12

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.

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.

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.

A resistência à corrosão, de uma maneira geral, não é

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 um

-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.).

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 %.

QUADRO II - PROPRIEDADES MECÂNICAS DE DIGAS BINÁRIAS Al-Gd

% ponderai de Gd	Rm MPA	Rp 0,2 MPA	A %	HB
12 %	140	60	17	40
25 %	80	55	0,8	54

quadro III apresenta os resultados obtidos em ligas laminadas com 11 % de Gd, em peso.

QUADRO III - CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DE TRACÇÃO NA DIGA Al-Gd

% ponderai de Gd	Sentido longitudinal	Sentic	lo transversal .ongitudinal	HB
Rm MPA	Rp 0,2 MPA	A%	Rm MPA .	Rp 0,2 MPA	A% •
11	130	110	15	130	110	10	42

Utilizando matrizes de alumínio com impurezas controladas de elementos tais como o cobre, o silício, o zinco, o magnésio, etc.,

temente aumentado para atingir os valores seguintes:

Rm	280 a 320 MPA
Rp 0,2	220 a 260 MPA
A %	de 3 a 10 %

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.

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.

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.

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.

Claims (11)

1.- Absorvedor de radiações nucleares, caracterizado por ser constituído por uma liga de gadolínio com alumínio escolhi, do no grupo que compreende o alumínio puro, o alumínio ligado, o alumínio puro ou ligado contendo uma fase dispersa.

2. - Absorvedor de acordo com a reivindicação 1, caracteri zado por a proporção de gadolínio estar compreendida entre 0,05 % e 70 %, em peso.

3. - Absorvedor de acordo com a reivindicação 2, caracteri, zado por a proporção de gadolínio estar compreendida entre 0,1 e 15 %.

4. - Absorvedor de acordo com a reivindicação 1, caracteri zado por o alumínio ligado ser escolhido entre as ligas designa das pelos números 1000, 5000 e 6000 nas normas da Aluminium Association.

5. - Absorvedor de acordo com a reivindicação 1, caracteri zado por o alumínio ligado conter pelo menos um metal absorvedor de radiações nucleares.

6. - Absorvedor de acordo com a reivindicação 5, caracteri zado por o metal pertencer ao grupo constituído pelo cádmio, o samário, o európio, o lítio, o háfnio, o tântalo.

7. - Absorvedor de acordo com a reivindicação 1, caracteri zado por a fase dispersa conter pelo menos um produto absorvedor de radiações nucleares.

8,- Absorvedor de mordo com a reivindicação zado por a fase dispersa ser constituída pelo boro seus derivados.

9.- Absorvedor de acordo com a reivindicação 8, caracteri zado por o boro representar até 30 %, em peso, do alumínio.

10, - Absorvedor de acordo com a reivindicação 1, caracteri zado por a fase dispersa se encontrar sob a forma de fibras,

11. - Absorvedor de acordo com a reivindicação 1, caracteri zado por ser obtido segundo um pelo menos dos processos de fabri co escolhido entre a moldação, a laminagem, a extrusão e o forjamento.