Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана


 


Владельцы патента RU 2483132:

Общество с ограниченной ответственностью "МетИнвест" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана содержит, вес.%: углерод 0,03-0,07, железо 0,15-0,25, кремний 0,05-0,10, азот 0,010-0,030, алюминий 0,05-0,50, бор 1,5-3,5, титан и примеси - остальное. Сплав обладает повышенным уровнем поглощения тепловых нейтронов, высокими эксплуатационными и пластическими свойствами. 3 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. Традиционные нерадиоактивные металлы, используемые более 50 лет в атомных энергетических установках, - это циркониевые сплавы (∋125, ∋225), коррозионно-стойкая сталь (08Х18Н10Т) и бористая сталь ЧС82 (04Х14Т3Р1Ф). Последняя, за счет содержания бора, обладает свойством поглощения тепловых нейтронов. В настоящее время из нее изготавливают шестигранные трубы для комплектации стеллажей свежего ядерного топлива и бассейнов выдержки отработанных тепловыделяющих сборок.

Эта сталь получила широкое применение в атомном машиностроении, разработаны и утверждены ТУ 14-1-3689-83, ТУ 14-1-4599-89 на получение трубной заготовки из стали ЧС82. А также разработана технология получения горячекатаных труб из этой стали (ТУ 14-242-275-89), которые служат заготовкой для получения шестигранных труб (ТУ 14-3-1630-89).

При этом до настоящего времени расходный коэффициент металла, от трубной заготовки до готового шестигранника, составляет более 400% (из четырех тонн круга получаем одну тонну готовой продукции). Это связано с низкими пластическими свойствами стали ЧС82 (δ5≤10% при +20°С). В итоге в технологическом регламенте не предусмотрена холодная пластическая деформация труб из ст. ЧС82 вследствие склонности этого металла к возникновению макро- и микротрещин в режиме холодного передела. Также современные требования к материалам, которые способны поглощать тепловые нейтроны от радиоактивных элементов, диктуют повышение уровня поглощения.

Наиболее близким к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе титана ВТ 1-0 (ГОСТ 19807-91: Титан и сплавы титановые деформируемые) следующего состава, вес.%:

углерод 0,03-0,07
железо 0,15-0,25
кремний 0,05-0,10
азот 0,010-0,030
алюминий 0,05-0,50
титан и примеси остальное.

Этот сплав имеет применение в авиастроении, химическом машиностроении в силу малого удельного веса (4,5 г/см3), по сравнению с железо-хромовыми сплавами (7,85 г/см3), а также антикоррозионных свойств. Для увеличения прочностных свойств сплава на основе титана и его коррозионной стойкости при эксплуатации в соприкосновении с морской водой был разработан ФГУП «ПРОМЕТЕЙ» сплав на основе титана ПТ7М (ГОСТ 19807-91), который также на сегодня имеет опыт применения в атомной энергетике (см. статью Ушкова С.С. и др. - «Вопросы материаловедения», 2009, №3 (59), с.172-187).

Однако переход от железо-хромового сплава к сплаву на основе титана ВТ1-0, включая добавление элементов алюминия (до 2,5%) и циркония (до 3%), в случае сплава ПТ7М, не решает проблему материала по поглощению тепловых нейтронов. В табл.1 на основании известных данных из справочника (Свойства элементов: Справ. Издание в 2 книгах / Под ред. Дница М.Е. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003) представлены значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов для природных изотопов железа, хрома, титана, алюминия, циркония, бора.

Из табл.1 следует, что природный изотоп бора 10В в тысячи раз эффективнее поглощения тепловых нейтронов, чем перечисленные железо, хром, титан, алюминий и цирконий.

При этом здесь отметим, что изделия из сплава ВТ1-0 (например, бесшовные трубы - ГОСТ 22897-86) имеют более низкие прочностные свойства (σb≥343 МПа, σ02≥245 МПа, δ5≈0,24), по сравнению со сталью ЧС82 (σb≥441 МПа, σ02≥245 МПа, δ5≈0,1) и сплавом на основе титана ПТ7М (σb≥470 МПа, σ02≥372 МПа, δ5≈0,20). Известны изобретения (а.с. СССР №2016132, БИ №13, 15.07.94; а.с. СССР №1258868, БИ №16, 30.04.93; а.с. СССР №2020186, БИ №18, 30.09.94), где добавление в металлические сплавы элемента бора увеличивает их прочностные свойства, а также теплостойкость, износостойкость и ударную вязкость материала.

Задача настоящего изобретения - разработка материала, который бы имел не только высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, но и обладал высокими эксплуатационными и пластическими свойствами.

Поставленная задача достигается тем, что в известный сплав ВТ1-0 на основе титана добавляют элемент бор в следующем количестве, вес.%: 1,5-3,5.

Отличие предложенного сплава СПБ от прототипа ВТ1-0 заключается в том, что с добавлением в сплав ВТ1-0 на основе титана природной смеси изотопов бора 10В и 11В повышается на три порядка не только уровень поглощения тепловых нейтронов, но и прочностные свойства заявляемого сплава СПБ - сплав на основе титана с бором.

Диапазон содержания в сплаве СПБ бора обусловлен оптимальным уровнем поглощения тепловых нейтронов и экономической целесообразностью. Ниже 1,5% - сплав СПБ теряет устойчивость (по сплошности распределения бора) по захвату тепловых нейтронов, более 3,5% - резко снижаются пластические свойства сплава (δ5<0,1).

Для получения сплавов на основе титана используется электронно-лучевой переплав (ЭЛП) в вакуумных печах. В качестве основного сырья применяется губчатый титан (марки ТГ100, ТГ110) с содержанием титана (99,7-99,7)% согласно ГОСТ 17746-96. С целью равномерного распределения легирующих элементов в слитке осуществляется двойной переплав. Контроль нейтронного поглощения полученного сплава СПБ в слитке и трубах осуществляется с помощью отечественной установки УКПН-1.

Пример получения сплава СПБ. Губчатый титан ТГ100 в виде дискретных кусков размером (20-45) мм перемешивается с природным технически чистым бором в соотношении: 1 кг (ТГ100)+0,02 кг (В), в общем объеме 20 кг и подается в экспериментальную установку (ЭЛП). После двойного переплава получаем слиток ⌀100 мм длиной 500 мм. После обточки и ротационной ковки слитка на диаметр 65 мм получим микроструктуру сплава СПБ с величиной зерна 5-6 баллов. Горячее прессование позволяет получить трубу-заготовку для последующего холодного передела.

В табл. 2 приведен химический состав полученного сплава СПБ, а в табл.3 представлены механические свойства кованного круга ⌀65 мм из сплава СПБ при +20°С вместе с величиной поглощения тепловых нейтронов при содержании бора 1,7% и 2,3%. Для сравнения в табл.2-3 представлены химический состав и механические свойства кованного круга ⌀65 мм из сплава ВТ1-0, изготовленного на ОАО «ВСМПО АВИСМА» (г. В-Салда), согласно ГОСТ 26492-85.

Как следует из табл.1-3, заявленный сплав СПБ имеет высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, по сравнению с прототипом ВТ1-0, при этом имеет высокие прочностные свойства.

Таблица 1
Значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов для природных изотопов циркония, титана, железа, хрома, алюминия, бора (10-28 м)
Изотоп Эфф. сечение Изотоп Эфф. сечение Изотоп Эфф. сечение
1 90 Zr 0,10-1,5 3 56Fe 2,43 5 27Аl 0,21
91 Zr
92 Zr
2 46 Ti 0,6-8,0 4 52Cr 3,10 6 10В 3838
47 Ti 11В 757
48 Ti
Таблица 2
Химический состав опытных плавок СПБ-1Б, СПБ-2 и прототипа ВТ1-0, вес (%)
СПЛАВ В С Н2 Fe O2 Si N Al Ti Примеси
1 СП-1 1,7 0,07 0,008 0,3 0,1 0,09 0,03 0,25 Осн. 0,30
2 СП-2 2,3 0,05 0,007 0,3 0,1 0,09 0,03 0,19 Осн. 0,27
3 ВТ1-0 - 0,05 0,005 0,1 0,09 0,03 0,20 Осн. 0,24
Таблица 3
Предел прочности (σb), предел текучести (σ02), относительное удлинение (δ5) и поглощение тепловых нейтронов (nρ·10-28 м2) для сплавов СП-1, СП-2, ВТ1-0
СПЛАВ σb (МПа) σ02 (МПа) δ5 (%) nρ
1 СП-1 570 395 21 21,3
2 СП-2 630 430 16 48,2
3 ВТ1-0 430 270 28 0,5

Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, содержащий углерод, железо, кремний, азот и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Углерод 0,03- 0,07
Железо 0,15-0,25
Кремний 0,05-0,10
Азот 0,010-0,030
Алюминий 0,05-0,50
Бор 1,5-3,5
Титан и примеси остальное



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к производству бетонных смесей, штукатурных растворов наливных полов. .
Изобретение относится к материалам для защиты от ионизирующих излучений и может быть использовано в атомной, радиохимической промышленности, а также в военно-морской и авиакосмической промышленности в целях защиты обслуживающего персонала и окружающей среды.
Изобретение относится к составам шлакощелочных вяжущих и может быть использовано для изготовления строительных материалов, эксплуатирующихся в условиях воздействия ионизирующих излучений.
Изобретение относится к области разработки материалов, обладающих нейтронопоглощающими свойствами, и может быть использовано в качестве защитного слоя при изготовлении транспортно-упаковочных конструкций (ТУК) для транспортировки и хранения отработанного ядерного топлива, а также для биологической защиты от других случаев нейтронных излучений.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для лучевой терапии злокачественных опухолей быстрыми нейтронами. .

Изобретение относится к способу получения защищающей от излучения плиты на основе гипса, плите, защищающей от излучения, гипсокартонной конструкции, применению указанной плиты или гипсокартонной конструкции.

Изобретение относится к лантаноидсодержащим соединениям, состоящим из сополимера этилметакрилата и 3-аллилпентандиона-2,4 (100:1), связанного через -дикетонатную группу с ионом лантаноида (+3), который, в свою очередь, связан с молекулами лиганда, представляющего собой -дикетон, общей формулы где Ln - ион лантаноида (+3) (La 3+, Pr3+, Nd3+ Sm3+, Eu 3+, Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, Tm3+, Yb3+ ), n - количество звеньев этилметакрилата в цепи сополимера; m - количество лантаноидсодержащих звеньев в цепи сополимера; R1, R2, R3, R4 - органические радикалы (СН3-метил, С6Н 5-фенил): R1=R2=R3=R 4=СН3 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент пентандион-2,4 (ацетилацетона) и лигандом, представляющим собой ацетилацетон; R1=R 3=СН3, R2=R4=С6 Н5 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент бензоилацетона и лигандом, представляющим собой бензоилацетон; R1=R2=R3 =R4=С6Н5 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент дибензоилметана и лигандом, представляющим собой дибензоилметан; R1 =R3=R4=СН3, R2=С 6Н5 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент бензоилацетона и лигандом, представляющим собой ацетилацетон; R1=R2=С6 Н5, R3=R4=СН3 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент дибензоилметана и лигандом, представляющим собой ацетилацетон; R1=R2=R3=С6Н 5, R4=СН3 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент дибензоилметана и лигандом, представляющим собой бензоилацетон.

Изобретение относится к изготовлению особо тяжелых радиационно-защитных строительных материалов и может быть использовано для изготовления железобетонных контейнеров для хранения и/или транспортировки отработавшего ядерного топлива.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу регулирования параметров электромагнитного излучения композиционных материалов, и может быть использовано в строительной или медицинских отраслях, где необходимо применение композиционного материала с требуемым уровнем электромагнитного излучения.

Изобретение относится к атомной технике, в частности к способу изготовления поглощающих сердечников с регулируемой поглощающей способностью из материала, поглощающего нейтроны, и предназначенных для применения в поглощающих элементах системы управления и защиты ядерных энергетических реакторов.

Изобретение относится к области ядерной техники. .

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано в ядерных реакторах, например, выскотемпературных газографитового типа или уранграфитовых реакторах с водой под давлением.

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано в ядерных реакторах, например, канальных уран-графитового типа. .
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, используемых в медицине для изготовления деталей эндопротезов и имплантатов, предназначенных для применения в ортопедии, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.
Наверх