Результат интеллектуальной деятельности: СПЛАВ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. В частности, для изготовления специального оборудования для влажного и сухого хранения отработанного ядерного топлива и его транспортировки.

На сегодня, в отечественной промышленности для этих целей применяется сталь ЧС82 (04Х14Т3Р1Ф), (см. а.с. СССР №1122009, 1983 г., а также описание к патенту РФ №2483132, 2013 г.). За рубежом, сталь «БОРОН-304» (БССК, Англия). Все эти материалы обладают свойством поглощения тепловых нейтронов, за счет наличия в их составе в определенных пропорциях бора и его изотопа 10В.

Переход к новым типам ядерного топлива, более перспективным с точки зрения энергетики, предъявляет повышенные требования к материалу с поглощающими свойствами. Увеличение в процентном соотношении бора в названных металлах, существенно их охрупчивает, что делает их не пригодными в технологической переработке. Это общее свойство боридов, который бы имел не только высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, но и обладал высокими эксплуатационными и пластическими свойствами, что в целом обеспечивает безопасность хранения отработанного ядерного топлива.

Известен сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана (патент РФ №2519063, БИ №16, 2014 г.). Здесь для увеличения поглощающих свойств известного сплава титана ПТ7М, добавляют в состав редкоземельный элемент - самарий, обладающий большим сечением захвата тепловых нейтронов (для природных изотопов: 149Sm ~ 50000⋅10^-28м², 152Sm ~ 5600⋅10^-28м², 154Sm ~ 5600⋅10^-28м²). Соответственно для бора: 10В ~ 3838⋅10^-2м², 11B ~ 757⋅10^-28м² (см. Справочник: свойства элементов / По ред. Дница М.Е. - М.: Издательский дом. «Руда и Металлы», 2005).

Недостатком этого сплава является способность титановой основы - матрицы поглощать водород из воздуха, особенно интенсивно при повышении температуры окружающей среды. Что приводит к охрупчиванию металла, его к растрескиванию со временем его эксплуатации. Это не допустимо в изделиях при сухом хранении отработанного ядерного топлива.

Наиболее близкий к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является алюминиевый сплав АД1 (ГОСТ 4784-74). Химический состав сплава АД1, вес. %:

алюминий (не менее) 96,5;

примеси (не более): медь 0,05; магний 0,05; марганец 0,025; цинк 0,10; железо 0,30; кремний 0,30.

Поставленная цель достигается тем, что в известный сплав АД1 на основе алюминия, добавляют редкоземельный элемент - самарий, в объеме, вес. %: (0,5-2,5), оставляя содержание примесей без изменений.

Диапазон содержания в сплаве самария обусловлен оптимальным уровнем поглощения тепловых нейтронов и экономической целесообразностью. Ниже 0,5% - сплав не обеспечивает необходимый уровень поглощения, более 2,5% - повышается себестоимость сплава. Отметим, при выплавке алюминиевого сплава с самарием, допускается добавление в его состав не только технически чистого самария, изготовленного по ТУ48-4-207-72, но и оксиды Sm₂O₃, гидриды SmH₂, SmH₃. При сплавлении самария с алюминием, образуется интерметаллическое соединение с высокими эксплуатационными свойствами. При этом, в отличие от бора, самарий не охрупчивает сплав, сохраняя его эксплуатационные и технологические свойства: предел прочности не менее 100 МПа, относительное удлинение не менее 20%.

К достоинствам заявленного алюминиевого сплава с самарием (AlSm), можно отнести не только высокую поглощающую способность тепловых нейтронов, но и неспособность к искрообразованию, отсутствие воздействия на жизнедеятельность микроорганизмов. Хорошая корозионностойкость алюминиевых сплавов в средах - теплоносителях позволяют их использовать в атомном реакторостроении.