ЗАГОТОВКА ДЛЯ СЕРДЕЧНИКА ИСТОЧНИКА ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИРИДИЯ

Полезная модель относится к ядерной технике, в частности к конструктивным деталям радиоактивных источников, а именно: к заготовкам сердечников источников гамма-излучения на основе иридия, и может быть использована для производства заготовок активной части радионуклидных источников для дефектоскопов промышленного назначения.
Источники радиоактивного излучения для дефектоскопов, применяемых, например, для неразрушающего контроля качества металлов, сварных соединений конструкций ответственного назначения, имеют такие эксплуатационные характеристики, как толщина просветки-глубина проникновения гамма-излучения в исследуемый материал, и размер «пятна» - площадь области гамма-излучения, которые определяются мощностью экспозиционной дозы, создаваемой источником. Мощность дозы зависит от радиоактивируемого материала заготовки сердечника, которым в рассматриваемых технических решениях является иридий. Он служит основой для источников радиоизотопа иридий - 192 - материла с высокой удельной активностью. Мощность дозы зависит также от строго определенного и неизменного при облучении и эксплуатации количества иридия в заготовке. Конструктивные особенности заготовок и соотношения их размеров направлены на то, чтобы сформированный из них сердечник мог создать «пятно» требуемого малого размера и необходимой сферической формы. В то же время известно, что при облучении в реакторе исходного стабильного изотопа иридия с имеющейся там температурой 300-350°С и вибрацией в течение требуемого времени - 25 суток, и при эксплуатации радиоактивного изотопа, который используется в качестве активной части гамма-источников, происходит разрушение иридия из-за присущей ему зернограничной хрупкости, что приводит к потере массы иридия. При этом, следует отметить особую важность сохранности радиоактивируемого материала заготовки при его облучении и использовании в составе источника излучения с точки зрения защиты окружающей среды от распространения радиоактивных веществ.
Известна заготовка для сердечника источника гамма-излучения на основе природного иридия (описание к патенту РФ №2054718 на изобретение, МПК G21G 4/04, оп. 20.02.96., стр.2). Известная заготовка выполнена из иридия. Такую заготовку облучают в реакторе и уже затем ее снабжают капсулой из нержавеющей стали. Стартовый материал - стабильный изотоп, из которого выполнена заготовка, при облучении разрушается, масса радиоактивного изотопа становится меньше, чем у стартового материала.
Известна также заготовка для сердечника источника гамма-излучения на основе иридия (описание к патенту РФ №2196364 на изобретение, МПК G21G 4/04, оп. 10.01.2003 г., стр.1). Заготовка представляет собой радиоактивируемый материал - иридий, загерметизированный в капсулу из алюминия. Однако, известная заготовка не позволяет предотвратить потерю массы радионуклида и попадание его в окружающую среду. Это связано с тем, что при облучении стабильный изотоп иридия, находящийся внутри капсулы, разрушается. При последующем удалении радионуклида иридия из капсулы и расфасовке в чистые, нерадиоактивные капсулы, он теряется.
Кроме того, при облучении иридия необходимо учитывать самоэкранирование, приводящее при больших объемах неразделенного на отдельные части материала заготовки к существенному уменьшению плотности потока нейтронов в его внутренних частях, то есть к уменьшению количества образующегося радиоактивного иридия.
Известна также заготовка для сердечника источника гамма-излучения на основе иридия, которая после облучения включается в состав радиоактивных источников типа ГИ192М (ГОСТ 25926-90 «Источники ионизирующего излучения радионуклидные закрытые. Классы прочности и методы испытаний»). Заготовка выполнена из нерадиоактивного иридия и имеет форму диска. Уже после облучения радиоактивный иридий в виде набора дисков размещается внутри капсулы. Материалом капсулы является коррозионно-стойкая сталь или титановый сплав. Выполнение капсулы из данной стали обуславливается требованием к ее материалу: заданной механической прочностью и коррозионной стойкостью. Выполнение капсулы из титана осуществляется в связи с тем, что он не реагирует с иридием. При этом, выбранные материалы капсулы не вносят изменений в радиоактивность иридия.
Однако, уровень радиоактивности сердечника может быть меньше расчетного из-за потери массы ничем незащищенных дисков из хрупкого иридия при облучении.
Известна также другая заготовка для сердечника источника гамма-излучения на основе иридия (книга, В.П.Сытин, «Радиоактивные источники ионизирующих излучений», М., «Энергоатомиздат», 1984 г., стр.67). Заготовка выполнена в форме иридиевого диска, и уже только после облучения в реакторе вместе с другими заготовками размещается в защитной оболочке из алюминия. Масса известной заготовки при облучении уменьшается из-за хрупкости иридия и способности к выкрашиванию при облучении, а также из-за отсутствия в этот период какой-либо защищенности иридия от такого выкрашивания.
Известна также заготовка, выполненная в форме диска из сплава на основе иридия с рением и рутением (сборник статей «Производство и эксплуатация изделий из благородных металлов», Екатеринбург, УрО РАН, 1997 г., стр.69). Создание нового материала самого диска - легирования иридия рением и рутением, позволяет за счет уменьшения размера зерна сплава устранить, но лишь в некоторой степени, эффект выкрашивания дисков.
Полностью сохранить расчетную массу радиоактивируемого материала в процессе его активации в известной заготовке также не удается. При этом, уменьшение концентрации иридия в легированном сплаве не позволяет обеспечить требуемые удельную радиоактивность материала и мощность экспозиционной дозы источника излучения.
По технической сущности и достигаемому результату наиболее близкой к заявляемой является заготовка для сердечника источника гамма-излучения на основе иридия, включающая диск из иридия (книга, Н.И.Тимофеев, «Основы металлургии и технологии производства изделий из иридия», Екатеринбург, УрО РАН, 1996 г., стр.110). Концентрация иридия в материале известной заготовки является максимально высокой. Такой иридий обладает возможностью получения высокой удельной радиоактивности, в результате чего в небольшом объеме активной части радионуклидного источника сосредотачивается большая активность радиоактивного изотопа иридия, что является определяющим в источниках гамма-излучения для дефектоскопов промышленного назначения.
Масса известной заготовки при радиоактивации уменьшается в связи с ее потерей из-за хрупкости иридия, его расслаивания, выкрашивания и осыпания, особенно по периферии иридиевого диска - по его кольцевой поверхности. Это является следствием полной открытости иридиевого диска.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание заготовки для сердечника источника гамма-излучения на основе иридия с неизменной массой иридия при ее эксплуатации.
Техническим результатом при использовании полезной модели является устранение выкрашивания путем внешней защиты материала диска по его периферии и прочного сцепления элементов заготовки.
Поставленная задача достигается тем, что заготовка для сердечника источника гамма-излучения, включающая диск из иридия, согласно полезной модели, снабжена кольцом из алюминия, охватывающим диск по его кольцевой поверхности с натягом, при этом, толщина кольца равна толщине диска, а отношение радиальной ширины кольца к диаметру диска составляет 0,24-0,25.
-3
Кроме того, толщина кольца и толщина диска могут составлять по (0,33-0,36)·10 м.
-3
Кроме того, внешний диаметр кольца может быть равен 3·10 м.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем.
Иридий обладает высокотемпературными прочностными свойствами, но в то же время имеет недостаточно высокую пластичность, что делает его хрупким и приводит к образованию трещин и выкрашиванию.
При наличии кольца - предмета в форме окружности, охватывающего иридиевый диск по всей его кольцевой поверхности, происходит следующее: кольцо предотвращает развитие трещин по краям диска и это происходит благодаря высокой пластичности его материала - алюминия. Материал кольца позволяет останавливать все трещины, случайно возникшие в хрупком иридии, и тем самым предотвращая выкрашивание, способствовать сохранению массы иридия.
Вопреки мнению специалистов, заготовка с наружным кольцом из алюминия, с коэффициентом линейного расширения в несколько раз большим, чем у материала внутреннего диска иридия, в условиях облучения в реакторе: при температуре 300-350°С и вибрации в течение 25 часов, не разрушается.
Это, возможно, связано с тем, что кольцо из алюминия точно повторяет рельеф кольцевой поверхности диска, а алюминий затекает в образующиеся трещины иридия, что обеспечивает прочность механического сцепления элементов заготовки.
Этому способствует, вероятно, и то, что кольцо охватывает диск по его кольцевой поверхности с натягом, который обеспечивается выполнением внутреннего диаметра кольца несколько меньшим диаметра иридиевого диска.
Заявляемое взаимное расположение элементов конструкций обеспечивает полный охват кольцом диска по его кольцевой поверхности, создавая сплошность сцепления элементов заготовки.
Наличие непрерывного, контактирующего с диском кольца с толщиной, равной толщине диска, позволяет создать прочную линию сопряжения между ними - общий контакт элементов заготовки за счет механического сцепления неровностей в их приповерхностной зоне и создать в ней прочную связь. Это позволяет закрепить элементы заготовки между собой в одно целое. При этом, изменений физических свойств материалов элементов, в том числе способности к радиоактивации: высокой у иридия и низкой у алюминия, не происходит.
Экспериментально установлено, что отношение радиальной ширины кольца к диаметру диска должно быть 0,24-0,25.
Испытания показали, что это условие обеспечивает наиболее оптимальные характеристики заявляемой заготовки.
При отношении радиальной ширины кольца к диаметру диска заготовки менее 0,24, количества алюминия в заготовке может быть недостаточно для создания области задержания трещин иридия материалом кольца.
При отношении радиальной ширины кольца к диаметру диска более 0,25, материала диска может быть столь мало, что вместо исключительно периферийных трещин, задерживаемых алюминием кольца, они могут возникнуть во всем теле иридиевого диска и полностью его разрушить.
В обоих этих случаях происходит потеря массы иридия при радиоактивации заготовки.
Выполнение кольца, охватывающего с натягом диск сердечника, позволяет уровнять сопротивление деформации двух различных металлов - иридия и алюминия, в результате чего появляется возможность достичь равномерного распределения напряжений по всему сечению биметаллической заготовки и получить прочное соединение элементов заготовки в одно целое. Это также снижает выкрашивание иридия и способствует сохранению массы радиоактивируемого материала.
Выполнение в заготовке внутренней части из высокопрочного радиоактивируемого материала - иридия, и внешней части - из пластичного материала - алюминия, непрерывно контактирующими между собой с образованием прочной механической связи на их границе, а также необходимая и достаточная толщина и радиальная ширина кольца алюминия, позволяют сформировать биметаллическую заготовку, в которой алюминиевое кольцо останавливает распространение трещин, случайным образом возникающих в иридиевом диске по его периферии, а материал кольца даже способствует их залечиванию.
Это создает сплошность иридия, отсутствие его выкрашивания и обеспечивает сохранность массы радиоактивируемого материала.
Наличие отличительных от наиболее близкого аналога существенных признаков позволяет признать заявляемую полезную модель новой.
Возможность изготовления полезной модели и использования ее в промышленности позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется чертежами:
Фиг.1 - общий вид заготовки с вырезом,
Фиг.2 - вид заготовки спереди, совмещенный с разрезом,
Фиг.3 - вид заготовки сверху.
На снимках показана микроструктура шлифов:
Фиг.4 - структура поперечного сечения заготовки: иридиевого диска (светлое поле) и алюминиевого кольца (серое поле), шлиф не протравлен, увеличение х70.
Фиг.5 - структура фрагмента поперечного сечения заготовки: граница соединения иридиевого диска (светлое поле) и алюминиевого кольца (серое поле), шлиф не протравлен, увеличение х170,
Фиг.6 - микроструктура поперечного сечения иридиевого диска заготовки, шлиф протравлен, увеличение х120.
-3
-3
Заготовка сердечника источника гамма-излучения на основе иридия включает диск 1 из иридия и снабжена кольцом 2 из алюминия, охватывающим диск 1 по его кольцевой поверхности с натягом. Толщина кольца 2 равна толщине диска 1, а отношение радиальной ширины кольца 2 к диаметру диска 1 составляет 0,25. Толщина кольца 2 и толщина диска 1 составляют по 0,35·10 м, а внешний диаметр кольца 2 равен 3·10 м. Величины частей заготовки и соотношение их величин коррелируют с массой радиоактивируемого материала иридия, содержащегося в заготовке и составляющей 24,55 г на 1000 заготовок.
Заявляемую заготовку получают по технологии с применением известных способов и оборудования следующим образом.
Заготовка изготавливается из иридия марки Ир-99,9 по ГОСТ 13099-67 и алюминия марки АЛ-99,7 по ГОСТ 110690-74.
Иридиевый диск 1 изготавливается следующим образом.
-3
-3
-3
+01
-3
После получения исходного слитка иридия с использованием индукционной плавки на установке ВЧГ-160, его промежуточной ковки в нагретом состоянии на молоте с падающей частью в 160 кг, вакуумной плавки и ковки на конечный размер с получением пластин, осуществляют горячий прокат пластин на прокатном стане ДУО с чугунными валками до толщины 0,4·10 м. Перед каждым проходом пластины предварительно нагреваются в печи сопротивления. Полученные полосы подвергаются отжигу, затем производится их прокат до толщины 0,35·10 м. После этого осуществляется зачистка полос от поверхностных дефектов, обезжиривание и резка на размер (0,35×12×L)·10, где L - свободный размер. Затем на кривошипно-шатунном прессе усилием 8 тс при помощи вырубного штампа из иридиевых полос вырубаются диски диаметром 2,00·10 м. На фиг.6 видны однонаправленные линии-трещины иридиевого диска.
-3
-3
-3
-3
-3
-3
Алюминиевое кольцо 2 изготавливается путем холодного проката полосы от толщины 3,0·10 м до толщины 0,3·10 м на прокатном стане ДУО с чугунными валками. На готовом размере производится зачистка полос от поверхностных дефектов, обезжиривание и резка на размер (0,35×12×L)·10 м, где L - свободный размер. Далее из полосы на кривошипно-шатунном прессе усилием 8 тс при помощи вырубного штампа вырубаются кольца размерами: внутренний диаметр 2,00·10, внешний диаметр 3·10 м, толщина 0,35·10м.
-3
Сборка заготовки производится путем вставки иридиевого диска 1 в алюминиевое кольцо 2 вручную с последующей осадкой на пневматическом прессе с усилием 10 тс. Благодаря этому иридиевый диск 1 слегка расширяется, закрепляясь в алюминиевом кольце 2, а алюминиевое кольцо 1 деформируется и охватывает иридиевый диск 1 с натягом. При радиальной ширине кольца 2, равной 0,500·10 м, ее отношение к диаметру диска 1 составляет 0,25. На фиг.4 - извилистая линия между иридием (светлое поле) и алюминием (серое поле) - это граница соединения диска 1 и кольца 2 с неровностями в их приповерхностных зонах, совмещенных между собой, обеспечивающих прочное механическое сцепление элементов заготовки. При этом, алюминий затекает в трещины иридия, представленные на фиг.5, и залечивает их, зацепляясь за алюминий. За счет этого происходит дополнительное закрепление диска 1 в кольце 2.
-3
Затем заготовка подвергается механической зачистке поверхности, промывке и сушке. При этом, масса иридия в заготовке составляла 24,55·10 кг - являлась необходимой и достаточной для обеспечения требуемой удельной активности иридия после его облучения в реакторе.
Полученные заготовки были испытаны на прочность сцепления кольца 2 и диска 1 путем ручного встряхивания, имитирующего вибрацию заготовки при облучении, в течение экспериментально установленного времени - 10 мин. Заготовки, которые сохраняли сцепление кольца 2 и диска 1 в течение 10 мин. и более, считались пригодными для радиоактивации в сложных условиях вибрации и термоциклирования. Такое прочное сцепление элементов заготовки свидетельствует об отсутствии выкрашивания материала диска 1. При последующей радиоактивации заготовки масса иридия остается неизменной, потери массы иридия в активированном состоянии по сравнению с неактивированным, не наблюдается. Полученные данные были занесены в таблицу.
В таблицу занесены заявляемые заготовки с количественными признаками, выраженными в виде интервала значений (примеры №1, 2). В связи с узостью заявляемого интервала, приводим только два примера конкретного выполнения в этом интервале. В таблице имеются также известные заготовки - заготовки той же конструкции и из тех же материалов, что и заявляемая, но с запредельными значениями заявляемого интервала (примеры №3, 4). В таблице представлен и ближайший аналог заявляемого технического решения (пример №5) - заготовка, состоящая только из иридиевого диска. Источники гамма-излучения, выполненные с использованием таких заготовок, применяются на предприятиях атомной промышленности: ФГУП ГНЦ РФ «Научно-исследовательский институт атомных реакторов», ФГУП ПО «Маяк», ФГУП «Институт радиоактивных материалов».
Из таблицы видно, что характеристики предлагаемой заготовки значительно лучше показателей, имеющихся у заготовок с запредельными значениями параметров, а также по сравнению с заготовкой, выбранной в качестве ближайшего аналога и используемой в промышленности. У всех известных заготовок отмечается потеря массы радиоактивного вещества в пределах 1-5%.
Заявляемая заготовка имеет массу иридия, не изменяющуюся при ее облучении.
Конструкция заготовки исключает выкрашивание радиоактивированного иридия, препятствует контактам высокорадиоактивного материала и окружающей среды, исключает ее загрязнение радиоактивным веществом выше допустимого уровня.
Заявляемая заготовка дает возможность создать источник гамма-излучения на основе иридия, удовлетворяющий требованиям по радиационно-физическим характеристикам и обеспечить безопасность его эксплуатации, создав надежную систему герметизации радиоактивного материала.
Таблица
Характеристики и свойства заявляемой и известных заготовок
№ п/п
Заготовка для сердечника источника гамма-излучения на основе иридия
Характеристики заготовки
Свойства заготовки
Название частей заготовки
Материал (марка)
Диаметр (внешний), ·10<sup>-3</sup> м
Радиальная ширина кольца, ·10<sup>-3</sup> м
Отношение радиальной ширины кольца к диаметру диска
Масса иридия в заготовке до активации, г (на 1000 заготовок)
Время до разрушения заготовки, (мин.)
Потеря массы иридия при активации, %
1
Заявляемая
Диск Кольцо
Ир 99,9 Ал 99,7
2,00 3,00
0,500
0,25
24,55
>10
0
2
Заявляемая
Диск Кольцо
Ир 99,9 Ал 99,7
2,00 3,00
0,495
0,24
25,60
>10
0
3
Известная
Диск Кольцо
Ир 99,9 Ал 99,7
2,00 3,00
0,475
0,23
25,85
<5
1
4
Известная
Диск Кольцо
Ир 99,9 Ал 99,7
1,95 3,00
0,525
0,26
22,86
<5
1
5
Известная
Диск
Ир 99,9
2,0
-
-
25,00
-
5
Примечание: №1, 2 - заявляемая заготовка№3, 4 - заготовки с размерами, лежащими за пределами заявляемых№5 - заготовка в соответствии с ближайшим аналогомВремя до разрушения - время сохранения сцепления между кольцом и диском при вибрации (ручном встряхивании)