Результат интеллектуальной деятельности: КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ХРАНЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Изобретение относится к области ядерных технологий, в частности к устройствам для защиты окружающей среды от экологически опасных материалов, и может быть использовано для хранения, транспортировки и захоронения особо токсичных отходов, таких как радиоактивные отходы АЭС, атомных судов морского флота, токсичных материалов химических производств и других вредных производственных отходов.

Известен контейнер для твердых радиоактивных отходов, выполненный в виде защитного корпуса из стали с размещенной в нем емкостью из стали с отходами, пространство между корпусом и емкостью заполнено наполнителем из формальдегидных смол (патент США №4377509, G21F 9/24, 1983).

Недостатком известного контейнера является неудовлетворительная надежность захоронения отходов, связанная с недостаточной коррозионной стойкостью этого контейнера.

Известен контейнер для твердых радиоактивных отходов, выполненный в виде многослойного корпуса, в котором один из промежуточных слоев изготовлен из карбида кремния (заявка Японии №60-022700, G21F 9/36, 1985).

Недостатком этого контейнера являются неудовлетворительные прочностные характеристики из-за хрупкости слоя из карбида кремния, что снижает его эксплуатационную надежность при проведении технологических операций, связанных с загрузкой отходов, перемещении контейнера при его транспортировке и загрузке в транспортный контейнер из бетона или чугуна.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является контейнер для твердых радиоактивных отходов, содержащий пенал, выполненный из реакционно спеченного карбида кремния, содержащего свободный кремний в количестве 3-30% масс, на поверхность которого нанесен слой газофазного карбида кремния (Патент RU №2140402, G21F 5/005, 1998).

Недостатком известного контейнера для хранения, транспортировки и захоронения твердых радиоактивных отходов является низкая ударная прочность пенала из карбида кремния, которая дополнительно снижается, т.к. радиоактивные отходы размещаются в контейнере путем заливки в пенал из карбида кремния остеклованных отходов, имеющих температуру 1200°С. Это приводит к возникновению термических напряжений в пенале, а после остывания остеклованных отходов - остаточных напряжений, что снижает его эксплуатационную надежность при проведении технологических операций: загрузки отходов, перемещении контейнера при его транспортировке и других манипуляций. Кроме того, недостатком контейнера является отсутствие средств защиты окружающей среды от радиационного излучения, исходящего от радиоактивных отходов.

Целью данного изобретения является повышение прочности контейнера для твердых радиоактивных отходов и его надежности, а также защита окружающей среды от радиационного излучения ВАО.

Поставленная цель достигается тем, что наружный слой пенала из реакционно спеченного карбида кремния, содержащего свободный кремний в количестве 3-30% масс, на поверхности которого нанесен слой газофазного карбида кремния, выполнен из пенометалла (пеноалюминия, пенотитана, пеномеди и др.) в частном случае из пеноалюминия с пористостью 60-70%, размером пор 5-6 мм, в поры засыпан порошок В₄С дисперсностью 40-50 мкм, являющийся защитой окружающей среды от радиационного излучения, исходящего от ВАО.

Причинно-следственная связь между достижением поставленной цели и отличительными признаками изобретения заключается в следующем.

Для снижения силы удара до значений, обеспечивающих сохранение целостности пенала из карбида кремния при возможном ударе при проведении технологических операций (загрузки отходов, перемещении контейнера при его загрузке в транспортный контейнер и других действий), наружный слой контейнера выполнен из пенометалла с открытой пористостью 50-60%, размером пор 5-6 мм, поры заполнены порошком карбида бора дисперсностью 40-50 мкм, являющимся защитой окружающей среды от радиационного излучения, исходящего от ВАО.

Для снижения остаточных напряжений в пенале из карбида кремния исключается контакт расплавленных остеклованных высокоактивных отходов со стенкой пенала из карбида кремния, для чего остеклованные расплавленные высокоактивные отходы заливаются в стальную канистру, размещенную в пенале из карбида кремния с зазором между стенкой канистры и пенала 5 мм, в который засыпается порошок карбида бора дисперсностью 100-150 мкм.

Параметры наружного слоя (толщина пеноалюминия, защищающего пенал от разрушения, его пористость, размер пор, количество размещаемого в порах порошка) зависят от размера пенала и его веса. Определение этих параметров проводилось математическими методами, все расчеты выполнены в программе ANSIS. В качестве исходных данных были взяты вес контейнера 170 кг, прочность материала пенала 270 МПа, напряжения в пенале при падении с высоты 1,2 м не должны превышать 20-25 МПа. При этих условиях результаты расчета следующие: толщина слоя из пеноалюминия с пористостью 60-70%, величиной пор 5-6 мм составляет 110 мм.

Пример реализации

Предлагаемая конструкция реализуется следующим образом.

Пенал из реакционноспеченного карбида кремния изготавливается по следующей технологии. Из шихты необходимой рецептуры методом гидростатического прессования прессуется заготовка с требуемой геометрией, затем проводятся термические операции - полимеризация при Т=150°С, карбонизация при Т=900°С, силицирование при Т=1500°С, в результате чего получается пенал из карбида кремния с содержанием свободного кремния 3-30% масс. После пескоструйной обработки на внешнюю поверхность пенала наносится слой карбида кремния газофазным методом. На полученной таким образом внешней поверхности пенала размещается слой пенометалла толщиной 110 мм (пеноалюминий, пенотитан, пеномедь и др.), поверх пенометалла размещается обечайка из стали толщиной 1,5 мм. Поры пенометалла заполняются порошком В₄С дисперсностью 40-50 мкм (см. фиг. 1).

Результаты испытаний

Контейнер, выполненный в соответствии с прототипом, при падении на стальную плиту с высоты 1,2 м разрушился, т.к. уровень напряжений, возникших от удара, превышает прочность карбида кремния, которая составляет 250 МПа.

Экспериментальное определение устойчивости геометрии и герметичности опытных контейнеров с пеналом из карбида кремния с наружным слоем из пеноалюминия с пористостью 50-60%, размером пор 5-6 мм, с засыпкой из порошка карбида бора дисперсностью 40-50 мкм проводилось на стендах Испытательного центра «ЦНИИМАШ-АНАЛИТИКА-ПРОЧНОСТЬ» при бросковых испытаниях с высоты 1,2 м. Были получены следующие результаты:

- при вертикальном падении контейнера с пеналом из карбида кремния с имитатором бидона с ВАО сохранил целостность и герметичность;

- при вертикальном падении контейнера на боковую поверхность горизонтально пенал из карбида кремния с имитатором бидона с ВАО сохранил целостность и герметичность;

- при вертикальном падении контейнера на боковую поверхность под углом 45° к горизонтали пенал из карбида кремния с имитатором бидона с ВАО сохранил целостность и герметичность.

При проведенных бросках напряжения, возникавшие в пенале, не превышали 10-15 МПа.

Полученные положительные результаты испытаний пенала при падении с высоты 1,2 метра свидетельствуют об удовлетворительном согласии предварительно сделанных расчетных оценок с экспериментом и соответствии прочности и надежности контейнера требуемым свойствам.

Таким образом, предложенный контейнер для хранения, транспортировки и захоронения радиоактивных отходов в сравнении с известным контейнером (Патент RU №2140402, G21F 5/005, 1998) обеспечивает повышение прочности и надежности для хранения и захоронения радиоактивных отходов, а также защиту окружающей среды от радиоактивного излучения.

Порошок карбида бора, размещенный в зазоре между канистрой с ВАО и внутренней поверхностью пенала из карбида кремния, а также размещенный в слое пеноалюминия, обеспечивает снижение интенсивности радиационного излучения до фоновых значений.

Краткое описание чертежа

На фигуре 1 представлен чертеж контейнера для хранения, транспортировки и захоронения особотоксичных отходов, таких как радиоактивные отходы АЭС, атомных судов морского флота, токсичных материалов химических производств и других вредных производственных отходов.

Контейнер включает в себя (фиг. 1):

1 - пенал из реакционноспеченного карбида кремния;

2 - слой из пенометалла с сообщающимися порами и пористостью 60-70%, поры которого заполнены порошком карбида бора;

3 - металлическая обечайка;

4 - стальная канистра, заполненная высокоактивными отходами;

5 - высокоактивные отходы;

6 - зазор между канистрой и внутренней поверхностью пенала;

7 - засыпка из порошка карбида бора;

8 - крышка пенала из реакционноспеченного карбида кремния, приваренная к пеналу методом реакционной сварки.