Имитатор плутония при горении

 

Изобретение относится к изучению процессов горения и распространения в атмосфере радиоактивных материалов при аварийных ситуациях и предназначено для наиболее полного имитирования процесса горения и распространения плутония при пожаре. Предложено применение сплава, содержащего, мас.%: уран 88,2; железо 11,8, в качестве имитатора плутония при горении. Использование данного сплава в качестве имитатора плутония при аварийных ситуациях позволит наиболее полно прогнозировать последствия аварии, оценивать масштабы загрязненности окружающей среды. Техническим результатом изобретения является имитация плутония по физико-химическим свойствам, характеристикам горения и образования аэрозолей, поскольку температура плавления плутония составляет 640oС, а имитатора - 725oС. Плотность жидкого плутония 16,64 г/см3, а имитатора 15,1 г/см3. Теплота образования продукта горения PuO2 составляет 1059 кДж/моль, а имитатора - UO2 - составляет 1086 кДж/моль. 1 табл.

Изобретение относится к области изучения процессов горения и распространения в атмосфере делящихся материалов при аварийных ситуациях с изделиями ядерного комплекса и предназначено для наиболее полного имитирования процесса горения и распространения плутония при пожаре.

В работе [1] рассматривается возможность использования церия в качестве имитатора плутония в аварийных ситуациях. Церий сходен с плутонием по характеристикам высокотемпературного окисления. Плутоний и церий обладают сравнительно низкими температурами плавления (Tпл Pu640oC, Tпл Ce804oC) и высокими температурами кипения (Tкип Pu3350oC, Tкип Ce3450oC).

В результате высокотемпературного окисления Рu и Сe образуются тугоплавкие диоксиды PuО2 и CeO2, имеющие тождественные кристаллические структуры. Термодинамика и кинетика окисления металлов плутония и церия также весьма сходны. Температурные зависимости энергии Гиббса для процесса высокотемпературного окисления у обоих металлов близки друг к другу, что определяет сходство их поведения в окислительно-восстановительных реакциях.

Сравнивая свойства плутония и его оксида PuO2 с металлом-имитатором церием и его оксидом СeO2 следует отметить [1] 1. Плутоний и церий в компактном виде имеют самые низкие температуры воспламенения (Tвоспл Ce=160-180oC, Tвоспл Pu=300-520oC). Разброс в температурах воспламенения металла обусловлен различным геометрическим размером металлического образца, состоянием его поверхности и влажностью окружающего воздуха. Так, например, по нашим данным штабик церия массой 3,8 г при линейной скорости нагрева 8 К/мин в потоке воздуха (скорость течения 4-5 м/с, расход газа 0,73 м3/час) воспламеняется при 440oС.

2. Кинетики окисления плутония и церия идентичны.

3. Идентичны конечные продукты окисления PuО2 и СeO2.

4. Значительное сходство наблюдается у окислов плутония PuО2 и церия СeO2 как по термодинамике, так и по физико-химическим свойствам. Близость физико-химических свойств РuО2, и СeО2 позволила рекомендовать СeО2, в качестве имитатора РuО2, в теплофизических экспериментах по разработке ящерных реакторов и использовать для разработки твэлов на основе смесей СeО2-UO2.

Рассмотренное сходство РuО2 и СeО2 позволяет надеяться на близость в строении и свойствах кристаллических аэрозольных частиц, образуемых этими оксидами в аварийных ситуациях.

Исходя из данных [1] церий имитирует полностью плутоний по таким пунктам: 1. Сходство в форме конечного продукта горения металла MeО2. 2. Сходство по условиям возгорания металла.

3. Сходство по кинетике окисления металла.

4. Сходство по горению жидкой фазы металла.

5. Сходство кристаллических структур окислов металлов.

Однако вопросы образования аэрозольных частиц РuО2 и CeО2 типа его структуры, выхода этих частиц при горении металлов Pu и Ce, образование и распространение аэрозольных агрегатов и смешанных аэрозолей при авариях остаются нерешенными, поскольку плотность РuО2 больше плотности СeО2, что является недостатком церия, см. таблицу.

Задачей настоящего изобретения является выбор материала - имитатора плутония, характеризующего наиболее полно его свойства при горении.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в том, что предлагаемый материал имитатора характеризует физико-химические свойства плутония, характеристики его горения, образование аэрозолей и их распространения при горении.

Указанный технический результат достигается применением по новому назначению известного сплава, U-Fe, содержащего 11,8 мас.% Fe и 88,2 мас.% U в качестве имитатора плутония при горении.

Сплав U-Fe [2], содержащий 11,8 мас.% Fe, и 88,2 мас.% U, имеет структуру эвтектического типа с минимальной температурой плавления 725oС, что не намного больше, чем у плутония (Tпл Pu640oC, но значительно меньше, чем у урана (Tпл U1133oC) и железа (Tпл Fe1536oC, ) [3].

Горение и образование аэрозолей плутония в очаге пожара происходит при температурах, значительно превышающих температуру плавления плутония (Tгор>640oС). Расчетные адиабатические температуры горения плутония, урана, железа и церия в атмосфере воздуха состава: 75,5 мас.% N2; 23,2 мас.% O2; 1,3 мас. % инертные газы, свидетельствуют, что температуры их горения могут достигать на поверхности значительных величин (2800-3000)oС, при которых металлы с поверхности жидкой фазы частично должны переходить в газовую фазу и горение происходит с участием газовой фазы этих металлов.

При взрывных экспериментах с данными материалами за счет быстрого разогрева взаимодействие имитатора со средой будет так же, как и с плутонием, происходить в жидко-капельном состоянии.

Выбранный имитатор характеризуется близостью к плутонию по следующим параметрам, см. таблицу: температура плавления; плотность при комнатной температуре и температуре плавления; плотность образуемых окислов; теплота образования окислов.

Вязкость и поверхностное натяжение имитатора авторы не определяли. Работы по их определению вряд ли удается выполнить и в ближайшее время. Исходя из данных работ [5], для системы 97,6 мас.% Pu -2,4 мас.% Fe вязкость достигает 25 сПз, см. таблицу; для эвтектического состава U-Fe (88,2 мас.% U -11,8 мас. % Fe) следует ожидать при 725oС вязкость большую, чем у урана при 1133oС. А проведенный нами корреляционный анализ зависимостей вязкости и поверхностного натяжения от температуры плавления для более 50 металлов свидетельствуют о том, что для имитатора, имеющего температуру плавления 725oС, значения вязкости и поверхностного натяжения следует ожидать на уровне этих значений для плутония.

Как видно из таблицы, эвтектический сплав U-Fe (88,2 мас.% U), имеющий с плутонием соизмеримые физико-химические характеристики (Тпл, плотности металла и его диоксида, теплоты образования диоксида и др.), может быть рекомендован в качестве имитатора плутония при его горении в атмосфере воздуха.

Кроме того, сплав-имитатор плутония U-Fe (88,2 мас.% U) на 238, в отличие от Pu239 имеет суммарную активность на несколько порядков ниже: - 1 т U238 имеет активность 1,4 Ки; - 1 кг Pu239 имеет активность 72,0 Ки.

Период полураспада U238 составляет 4,5109 лет, Pu2392,4104 лет.

Использование известного сплава U-Fe, содержащего 88,2 мас.% U и 11,8 мас. % Fe в качестве имитатора плутония при аварийных ситуациях позволит наиболее полно прогнозировать последствия аварии, оценивать при определенных условиях масштабы загрязненности окружающей среды.

Литература 1. В. Х. Протопопов, Х.В. Протопопов. Возможности использования церия и его диоксида в качестве имитаторов горения плутония и образования его диоксида. Сравнительное рассмотрение свойств металлов и оксидов-имитаторов.// Вопросы атомной науки и техники, серия Теоретическая и прикладная физика, 1999, выпуск I. С.12-22.

2. В. И. Кутайцев. Сплавы тория, урана и плутония. Госатомиздат. М., 1962.

3. К.Дж. Смитлз. Металлы. Справочник. - М.: Металлургия. 1980.

4. Г.В. Самсонов. Физико-химические свойства окислов. Справочник. - М.: Металлургия. 1978.

5. L. Y. Wittenberg et al. (Mo und Laboratory, Maimisburg, Ohio, USA). Liquid Plutonium. A. review of its physical properties // Nuclear Applications, 1967, N 9, 550-555.

Перевод: Атомная техника за рубежом. 1968, 8, 27-31.

6. Г.В. Самсонов, свойства элементов. Часть I. Физические свойства. - М. : Металлургия. 1976.

Формула изобретения

Применение сплава, содержащего, мас. %: Уран - 88,2
Железо - 11,8
в качестве имитатора плутония при горении.

РИСУНКИ

Рисунок 1



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к составам материалов для атомной энергетики и предназначено для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых реакторов-кориума при запроектной аварии с выходом расплава из корпуса

Изобретение относится к материалам, предназначенным для снижения радиоэкологических последствий тяжелой аварии и для иммобилизации радионуклидов

Изобретение относится к составам материалов для атомной энергетики и предназначено для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых реакторов (кориума) при запроектной аварии с выходом расплава из корпуса
Изобретение относится к системам противоаварийной защиты пожароопасных объектов, конкретно к системам предотвращения разрушения защитных оболочек атомных энергоустановок с водо-водяными реакторами различного типа

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к жертвенным материалам, предназначенным для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых ядерных реакторов при запроектной аварии

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к технологии получения материалов, предназначенных для обеспечения локализации расплава активной зоны корпусных водоохлаждаемых ядерных реакторов

Изобретение относится к конструкциям систем локализации аварий АЭС

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при разработке реакторов с водой под давлением

Изобретение относится к устройствам для обработки материалов с радиоактивным заражением и может быть использовано преимущественно при локализации последствий аварии на атомных электростанциях, а также в технологии очистки фильтрацией газообразных отходов на радиохимических заводах

Изобретение относится к атомной энергетике

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к способам индукционной тигельной плавки шихты с произвольным содержанием огнеупорных материалов, обладающих радиоактивностью и химической агрессивностью

Изобретение относится к технологии получения оксидов урана из гексафторида урана за счет взаимодействия гексафторида урана любой степени обогащения по изотопу U235 с водородом в кислород-водородном пламени и является первым этапом получения любых оксидов урана в зависимости от последующей стадии переработки

Изобретение относится к области атомной промышленности и может быть использовано на предприятиях изготовления спеченных таблеток из керамических материалов ядерного топлива, в частности для получения спеченных таблеток из диоксида урана, применяемых для снаряжения тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и сборки их в тепловыделяющую сборку (ТВС) для ядерного реактора

Изобретение относится к способам восстановления гексафторида урана до низших фторидов и до металлического урана и может быть использовано при переработке обедненного гексафторида урана

Изобретение относится к извлечению урана сорбцией

Изобретение относится к технологии производства ядерных материалов и может быть использовано для получения порошка керамической двуокиси урана, обогащенной по изотопу 235U, порошка керамической двуокиси урана, содержащей выгорающий поглотитель, квазигомогенной смеси порошков оксида урана и плутония, урана и тория для производства МОХ-топлива (металлоксидного), переводу высокообогащенного урана в низкообогащенный или для извлечения фтора из "отвального" гексафторида урана

Изобретение относится к ядерной энергетике и касается технологии изготовления таблеток ядерного топлива путем смешения сырьевых порошков с различной концентрацией содержания урана-235 и повышенным содержанием урана-234 и урана-236, в частности при использовании порошков регенерированного ядерного топлива

Изобретение относится к способам растворения оксидов урана и может быть использовано в технологии получения материалов топливного цикла, в частности для получения обогащенного урана

Изобретение относится к способам растворения оксидов урана и может быть использовано в технологии получения материалов топливного цикла, в частности для получения обогащенного урана

Изобретение относится к изучению процессов горения и распространения в атмосфере радиоактивных материалов при аварийных ситуациях и предназначено для наиболее полного имитирования процесса горения и распространения плутония при пожаре

Наверх