УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛОВ
DEVICE FOR IRRADIATING MINERALS

Изобретение относится к радиационным методам обработки минералов для изменения их оптико-механических свойств, в частности повышения их ювелирной ценности.
В процессе облучения минералов различными видами ионизирующего облучения, в том числе нейтронами, возникают дефекты в кристаллической структуре минералов с образованием электронных и дырочных центров окраски. Температурный режим облучения и его продолжительность определяются экспериментально, поскольку степень кристалличности, водонасыщенность, текстурно-структурные особенности, концентрация и формы нахождения примесей в различных образцах не одинаковы и могут при превышении температуры облучения привести к замутнению и растрескиванию камней, а также к отжигу некоторых центров окраски.
Известно устройство для облучения минералов, описанное в способе изменения окраски минералов, включающее в себя активную зону реактора, канал облучения и контейнер с минералами (SU №601855, МПК B01J 19/08, 1983).
Наиболее близким техническим решением является устройство, описанное в осуществлении способа облучения минералов (RU №2104770, МПК B01J 19/08, С30В 33/04, G21G 1/10, 1998), которое содержит активную зону реактора, канал облучения, контейнер, внутри которого размещены фильтры тепловых и резонансных нейтронов, дополнительный фильтр тепловых нейтронов, окружающий контейнер и установленный в зоне облучения контейнера. Известное устройство позволило уменьшить наведенную активность образцов, обусловленную тепловыми и резонансными нейтронами.
Однако эти устройства не позволяют облучать образцы большого объема, что снижает производительность канала облучения. В самом деле, если в контейнере имеется фильтр с большим сечением захвата тепловых нейтронов, например кадмий или бор, то практически все тепловые нейтроны поглотятся в этом фильтре и дадут значительное энерговыделение в единице объема фильтра. При больших размерах контейнера потребуются большие объемы фильтра, что приведет к большому энерговыделению во всем объеме фильтра. Та же ситуация будет наблюдаться и при использовании фильтра резонансных нейтронов, например бор-индий, кадмий-тантал, кадмий-индий. Гамма-кванты реактора дают практически в любых материалах энерговыделение на один-два порядка больше, чем быстрые нейтроны реактора. Таким образом, за счет энерговыделения от нейтронов и гамма-квантов температура в контейнерах большого объема превысит 200°С, и радиационные дефекты, отвечающие за окраску, начнут отжигаться, что приведет к потере ювелирной ценности камней. Не случайно, что в известном устройстве облучали лишь небольшой объем камней (185 г).
Техническим результатом изобретения является возможность облучения образцов большого объема при температуре не больше 200°С, что повышает производительность модификации минералов.
Это достигается тем, что в устройстве для облучения минералов, содержащем активную зону реактора, канал облучения, контейнер, внутри которого размещены фильтры тепловых и резонансных нейтронов, дополнительный фильтр тепловых нейтронов, окружающий контейнер и установленный в зоне облучения контейнера, согласно изобретению между контейнером и активной зоной реактора размещен поглотитель гамма-квантов реактора, а к дополнительному фильтру тепловых нейтронов добавлен поглотитель резонансных нейтронов, причем эти поглотители должны иметь такую толщину, чтобы внутри контейнера температура была не выше 200°С.
На чертеже представлена схема устройства для облучения минералов.
Устройство содержит активную зону ядерного реактора 1, поглотитель гамма-квантов 2, дополнительный фильтр тепловых нейтронов с поглотителем резонансных нейтронов 3, канал реактора 4, контейнер 5 с фильтрами тепловых и резонансных нейтронов, минералы 6. При этом дополнительный фильтр тепловых нейтронов с поглотителем резонансных нейтронов постоянно находятся в зоне облучения контейнера и окружают его в процессе облучения.
Устройство работает следующим образом. Перед облучением в контейнер 5 с фильтрами тепловых и резонансных нейтронов помещают минералы 6 и герметизируют контейнер. Если контейнер 5 не герметизирован, то в процессе облучения в него попадет вода реактора 1 и в этой воде быстрые нейтроны реактора замедлятся до тепловой и резонансной энергий, что приведет к большой наведенной активности минералов несмотря на наличие фильтров, окружающих минералы. Затем по каналу 4 реактора контейнер 5 доставляют в зону облучения, где расположен дополнительный фильтр тепловых нейтронов с поглотителем резонансных нейтронов 3, окружающие зону облучения. Потоки нейтронов и гамма-квантов в зоне облучения зависят от мощности реактора, удаленности зоны облучения от активной зоны реактора, а также от материалов между зоной облучения и активной зоной реактора. Нейтроны реактора, попадая в минералы 6, образуют в них простые и сложные дефекты (комплексы дефектов). Простые дефекты (смещенные из узла кристаллической решетки атомы) возникают уже при энергии нейтронов в десятки эВ и приводят к помутнению кристалла. Но они отжигаются при последующем за облучением отжиге кристалла. Комплексы дефектов образуются из простых дефектов тем вероятнее, чем выше плотность простых дефектов. Поэтому вероятность образования сложных дефектов растет с ростом энергии нейтрона и достигает насыщения в дефектообразовании при энергии нейтрона в 1 МэВ. Чем сложнее дефект, тем выше должна быть температура для его пострадиационного отжига. Комплексообразование дефектов зависит также и от температуры облучения. Сложные дефекты ответственны за центры окраски. Повышенная температура облучения может привести как к отжигу некоторых центров окраски, так и к помутнению и растрескиванию кристаллов. В свою очередь температура облучения зависит от энерговыделения в материалах контейнера и от условий охлаждения контейнера. При одинаковых условиях охлаждения температура облучения тем выше, чем больше энерговыделение в материалах контейнера. Поэтому поглотители, размещенные за пределами контейнера, значительно ослабляют потоки гамма-квантов, тепловых и резонансных нейтронов, тем самым снижают энерговыделение и температуру в контейнере.
Суть изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве существенно снижено удельное энерговыделение в контейнере с образцами и фильтрами за счет того, что гамма-кванты и резонансные нейтроны ослабляются в дополнительных поглотителях. А это, в свою очередь, позволяет увеличить объем контейнера под минералы. Кроме того, снижение флюенса резонансных нейтронов в контейнере автоматически снижает уровень наведенной активности облученных минералов.
Таким образом, каждый элемент устройства вносит свой вклад в повышении производительности облучения минералов в канале.
17
2
На базе стандартного водо-водяного реактора типа ИРТ-Т мощностью 6 МВт была смонтирована экспериментальная установка. В первоначальном варианте экспериментальная установка не имела дополнительных поглотителей резонансных нейтронов и гамма-квантов. А в качестве поглотителя тепловых нейтронов использовалась кадмиевая фольга толщиной 1 мм, которой был обернут канал реактора в зоне облучения контейнера. В контейнере был размещен фильтр тепловых и резонансных нейтронов. Вес фильтра в контейнере равнялся 466 г. При полной загрузке в контейнере помещалось 1600 г топазов. В качестве фильтра как тепловых, так и резонансных нейтронов использовали карбид бора, поскольку у бора-10 сечение поглощения тепловых нейтронов составляет 4017 барн, а сечение поглощения резонансных нейтронов в диапазоне энергий от 1эВ до 1000 эВ тоже велико и меняется от 770 барн до 25 барн. Внутри контейнера была помещена термопара для непрерывного измерения температуры в процессе облучения контейнера. Была проведена серия облучений при различных температурах в диапазоне 76°С-350°С. Температуру облучения меняли, добавляя топазы от облучения к облучению. Минимальный вес топазов в контейнере был равен 19 г, а максимальный 620 г. Каждое облучение проводили в течение 7,5 часов, при этом флюенс быстрых нейтронов с энергией больше 0,5 МэВ составил 1·10 нейтрон/см. После облучения топазы отжигали в течение 30 минут при температуре 200°С. При этом топазы приобретали голубую окраску. Однако при температуре облучения выше 200°С топазы мутнели.
12
-2
-1
3
12
-2
-1
3
3
8
17
2
При захвате теплового или резонансного нейтрона бором-10 выделяется энергия 2,33 МэВ. Расчеты показали, что удельное энерговыделение в контейнере, полностью заполненном топазами, составляет: от тепловых нейтронов с плотностью потока 4·10смс- 0,597 Вт/см, от резонансных нейтронов с плотностью потока 3·10смс - 0,0448 Вт/см, а от гамма-квантов реактора - 0,037 Вт/см. В контейнере диаметром 5 см и высотой 55 см выделится энергия: от тепловых нейтронов - 644 Вт, от резонансных нейтронов - 48,3 Вт, а от гамма-квантов реактора - 39,94 Вт. Вклад быстрых нейтронов в энерговыделение на два порядка меньше, чем от гамма-квантов реактора. Учитывая, что поток тепловых нейтронов подавлен дополнительным фильтром из кадмиевой фольги, полное энерговыделение в контейнере, полностью заполненном топазами, составит 88,2 Вт. Чтобы энерговыделение в контейнере было не более 10 Вт, необходимо снизить плотность потока резонансных нейтронов в 10 и более раз и поток гамма-квантов в 10 и более раз. С этой целью между каналом и активной зоной реактора в качестве поглотителя гамма-квантов был установлен свинцовый экран толщиной 5 см. Кратность ослабления гамма-квантов реактора в этом экране равна 12. А сам канал был окружен карбидом бора с толщиной стенок 1 см, который одновременно является фильтром тепловых нейтронов и поглотителем резонансных нейтронов. Тепловые нейтроны полностью поглотились в этом фильтре, а кратность ослабления плотности потока нейтронов с энергией от 1 эВ до 100 эВ плавно меняется от 2,2·10 до 6,8. После этого облучали тот же самый контейнер, полностью заполненный топазами, с фильтром из карбида бора и термопарой. Вес топазов был около 1600 г. Температура в топазах при их облучении не превысила 82°С. В результате облучения флюенс быстрых нейтронов составил 1,1·10 нейтрон/см. Минералы приобрели голубую окраску и не помутнели.
Отметим, что в реализованном варианте установки в качестве поглотителя как тепловых, так и резонансных нейтронов использовали бор, хотя можно было бы использовать и другие фильтры, например кадмий-индий, кадмий-тантал и т.п.
Полезный результат заключается в том, что снижено удельное энерговыделение в материалах контейнера за счет дополнительных поглотителей, а это позволило в несколько раз увеличить объем облучаемых минералов при температуре облучения менее 200°С, тем самым повышена производительность канала облучения.