ИЗДЕЛИЕ ЗАЩИТНОЙ ТЕХНИКИ
SAFETY DEVICE

Изобретение относится к области биологической защиты персонала и окружающей среды от воздействия высокоактивных источников радиоактивного излучения, в частности к изделиям защитной техники из обедненного урана и его сплавов.
Изделия защитной техники из обедненного урана и его сплавов используются в различных отраслях народного хозяйства: в дефектоскопии, в транспортно-погрузочных контейнерах, в научно-исследовательском и медицинском оборудовании, в радиоизотопных термоэлектрогенераторах, в установках контроля и т.д., требующих при эксплуатации надежной биологической защиты персонала и окружающей среды от воздействия высокоактивных источников радиоактивного излучения.
Изделия защитной техники состоят из корпуса (свинец, уран и другие материалы), покрытого герметизирующей оболочкой (нержавеющая сталь, покрытие и т.д.) и крышки. Корпус изделия имеет внутреннюю полость для размещения в нем высокоактивного источника радиоактивного излучения.
Сочетание физических, механических и технологических свойств обедненного урана и его сплавов превосходит характеристики других материалов биологической защиты. Применение обедненного урана и его сплавов для целей защиты от воздействия высокоактивных источников радиоактивного излучения позволяет уменьшить массу и габариты приборов и аппаратов по сравнению с другими материалами, повысить эффективность биологической защиты и гарантировать в соответствии с требованиями МАГАТЭ надежную ядерную и экологическую безопасность в условиях их нормальной работы и в экстремальных и аварийных ситуациях.
Известно изделие защитной техники из механически обработанного урана с криволинейным каналом внутри для источника излучения, выполненным фрезерованием (А.Н.Майоров и др. Радиационная дефектоскопия. М.: Атомиздат, 1976, с.41).
Известное изделие не исключает возможности загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана из-за отсутствия у него изолирующей оболочки (кожуха или покрытия). Кроме того, данное изделие отличается сравнительно большой массой блока защиты из-за большой массы запорного устройства изделия.
Известно изделие защитной техники из урана, содержащее внутри трубки или другие фасонные детали сложных форм из стали (Патент Франции №2395093, B22D 19/02, 1978 г.).
Известное изделие не исключает возможности загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана из-за отсутствия у него изолирующей оболочки (кожуха или покрытия). Кроме того, данное изделие отличается сравнительно большой массой блока защиты из-за сложности конструкции изделия, вызванной наличием у него внутри фасонных изделий сложных форм из стали.
Известно изделие защитной техники из механически обработанного урана с криволинейными титановыми трубками внутри, поверхности которых имеют оксидную пленку (Уран в народном хозяйстве. Обзорная информация, выпуск 3(162), М.: ГНЦ РФ ВНИИНМ им. А.А.Бочвара, 1999, с.16, 17).
Известное изделие защитной техники не исключает возможности загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана из-за отсутствия у него изолирующей оболочки (кожуха или покрытия). Кроме того, данное изделие отличается сравнительно большой массой блока защиты из-за большой массы запорного устройства, вызванного конструктивной особенностью данного изделия.
Известно изделие защитной техники из обедненного урана, представляющее собой одногнездовой контейнер с верхней загрузкой и выгрузкой. Данное изделие состоит из корпуса, крышки корпуса, пробки и стакана. Изделие имеет тепловую защиту из гипса, располагающуюся в корпусе и крышке. Радиационная защита выполнена из обедненного урана и располагается в корпусе и пробке. Остальные конструктивные элементы изготовлены из нержавеющей стали. Источники радиоактивного излучения располагаются в извлекаемом стакане. Снаружи корпуса изделия имеются две ручки, а для пломбирования изделия на корпусе и крышке предусмотрены две пары ушек (Уран в народном хозяйстве. Обзорная информация, выпуск 3(162), М.: ГНЦ РФ ВНИИНМ им. А.А.Бочвара, 1999, с.13, 14).
Известное изделие полностью исключает возможности загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана. Однако данное изделие отличается сравнительно большой массой блока защиты, вызванной сложностью конструкции изделия и многообразием применяемых материалов.
Наиболее близким к заявляемому изделию является изделие защитной техники из урана или сплавов на его основе, содержащее литой блок защиты с внутренним транспортным каналом, выполненным из титановой трубки (Патент РФ №2060105, B22D 19/02, опубл. 20.05.1996 г.). Для улучшения надежности изделия титановая трубка содержит оксидную пленку, образующую защитное покрытие, которое предотвращает взаимодействие титановой трубки с ураном в процессе его заливки в кокиль.
Известное изделие обеспечивает надежность изделия благодаря исключению взаимодействия урана с титановой трубкой. Однако оно не позволяет полностью исключить загрязнение обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана из-за отсутствия у него изолирующей оболочки, при этом отличается сложностью изготовления.
Известен способ изготовления изделия защитной техники путем литья урана в вакууме в графитовую форму через графитовый фильтр с последующей механической обработкой (С.И.Бирюков, Ю.А.Метелкин. Плавка и литье урана и его сплавов, М.: Энергоатомиздат, 1983, с.77-80).
Известный способ изготовления изделия защитной техники не обеспечивает получения качественного металла изделия из-за наличия в нем пористости. Кроме того, изготовление данным способом изделий защитной техники со спиралевидной трубкой внутри приводит к увеличению массы блока защиты изделий из-за увеличения массы запорного устройства.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по независимому пункту 2 является способ изготовления изделия защитной техники из урана или сплавов на его основе, включающий заливку трубки с внешней стороны ураном или сплавом на его основе и последующую механическую обработку отливки (Патент РФ №2060105, B22D 19/02, опубл. 20.05.1996 г.).
Известный способ не исключает возможности загрязнения обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана, так как не предусматривает заключение литого защитного блока в изолирующую оболочку (кожуха или покрытия).
Задачей заявляемых изобретений является повышение качества изделий защитной техники, уменьшение массы блока защиты и повышение надежности биологической защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от радиоактивного излучения урана и высокоактивных источников.
Технический результат достигается тем, что в изделии защитной техники из урана или сплавов на его основе, содержащем литой блок защиты с внутренним транспортным каналом, выполненным из титановой трубки, титановая трубка имеет спиральную форму, а литой блок защиты выполнен из оборотного обедненного урана или сплава на его основе и помещен в герметизирующую оболочку из титана.
Технический результат также достигается тем, что в способе изготовления изделия защитной техники из урана или сплавов на его основе, включающем заливку трубки с внешней стороны ураном или сплавом на его основе и последующую механическую обработку литого блока защиты, титановую трубку центрируют в графитовой оснастке, заливают трубку отфильтрованным расплавленным оборотным обедненным ураном или сплавом на его основе со скоростью 0,1-0,5 кг/с, осуществляют механическую обработку готового литого блока защиты по посадочным местам, помещают его в герметизирующую оболочку и проводят герметизацию сборочных зазоров посредством сварки.
Предпочтительно сборку механически обработанного литого блока защиты с герметизирующей оболочкой осуществлять путем одновременного его центрирования его по посадочным местам с корпусом оболочки, а титановой трубки - с отверстием крышки оболочки.
При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков заявляемых изобретений.
Сравнение заявляемых изобретений не только с близкими аналогами, но и с другими техническими решениями в данной области техники показало, что известно изделие защитной техники из механически обработанного урана с криволинейными титановыми трубками внутри (Уран в народном хозяйстве. Обзорная информация, выпуск 3(162), М.: ГНЦ РФ ВНИИНМ им. А.А.Бочвара, 1999, с.16, 17).
Известно изделие защитной техники из обедненного урана и его сплавов, содержащее контейнер, изготовленный в виде внешней герметизирующей оболочки изделия (Патент РФ №2089341, В22D 19/00, опубл. 09.10.1997 г.).
Известен способ изготовления изделия защитной техники путем литья урана в вакууме в графитовую форму через фильтр с последующей механической обработкой. (С.И.Бирюков, Ю.А.Метелкин. Плавка и литье урана и его сплавов, М.: Энергоатомиздат, 1983, с.77-80).
Однако в заявляемых изобретениях только вся заявляемая совокупность известных и неизвестных существенных признаков позволяет получить новый, ранее неизвестный положительный эффект, заключающийся в повышении качества изделий защитной техники и в повышении надежности биологической защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от радиоактивного излучения урана, в значительном снижении массы блока защиты изделий защитной техники.
Изделие защитной техники состоит из литого блока защиты, выполненного из оборотного обедненного урана или сплава на его основе с внутренней трубкой спиральной формы из титана. Литой блок защиты помещен в герметизирующую оболочку из титана, которая выполнена в виде корпуса и крышек с отверстиями для вывода внутренней трубки спиральной формы. Сборочные зазоры между корпусом оболочки и крышками, а также между отверстиями крышек и спиралеобразной трубкой заварены аргонно-дуговой сваркой.
Выполнение внутренней трубки изделия спиральной формы из титана позволяет значительно повысить защиту обслуживающего персонала и окружающей среды от излучения высокоактивного источника, т.к. наличие спирали в трубке многократно ограничивает контакт излучения от высокоактивного источника с окружающей средой и обслуживающим персоналом. А также снизить массу блока защиты изделия за счет упрощения конструкции и уменьшения массы запорного устройства.
Выполнение на изделии защитной техники герметичной изолирующей оболочки из титана с герметизацией сборочных зазоров сваркой позволяет значительно повысить надежность защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от воздействия радиоактивного излучения урана.
Центрирование титановой трубки спиральной формы в графитовой оснастке перед заливкой ее оборотным ураном или сплавом на его основе позволяет повысить точность расположения спиралеобразной трубки относительно оси изделия и точность геометрических размеров литого блока защиты, что дополнительно способствует снижению массы изделия.
Использование при изготовлении изделий из оборотного обедненного урана и сплавов на его основе, а также фильтрация расплавленного металла и заливка его в оснастку со скоростью 0,1-0,5 кг/с позволяют существенно повысить качество металла изделия за счет исключения пористости и неметаллических включений, исключения поверхностного пористого слоя с некачественным металлом, способствует уменьшению объема механической обработки литого блока защиты.
Механическая обработка литого блока защиты только по посадочным местам и сборка его с герметизирующей оболочкой путем одновременного центрирования по посадочным местам с корпусом оболочки, а трубки с отверстием в крышке оболочки позволяет дополнительно уменьшить массу блока защиты изделий защитной техники.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
По наиболее близкому аналогу изготавливали изделие защитной техники из урана. Для этого трубку из титана отжигали в индукционной печи, помещали в кокиль, куда заливали уран. После разборки оснастки проводили ее механическую обработку.
По заявляемому изобретению изготавливали изделия защитной техники из нелегированного оборотного обедненного урана и из сплавов на его основе: уран-цирконий-ниобиевого сплава и уран-молибден-циркониевого сплава.
Перед заливкой трубки спиральной формы расплавом ее центрировали в графитовой оснастке с помощью специальной шайбы, оснастку собирали с гарантированным натягом, заливку отфильтрованного расплавленного оборотного обедненного урана или сплава на его основе в оснастку осуществляли с различными скоростями: 0,05; 0,1; 0,25; 0,5 и 0,6 кг/с. Механическую обработку полученного литого блока защиты проводили только по посадочным местам, сборку механически обработанного литого блока защиты с оболочкой осуществляли путем одновременного его центрирования по посадочным местам с корпусом оболочки, а трубки - с отверстием в крышке оболочки. Затем проводили герметизацию сборочных зазоров оболочки аргонно-дуговой сваркой.
В ходе выполнения данной работы оценивали массу литого блока защиты изделия защитной техники, наличие пористости и неметаллических включений в металле изделия, а также наличие воздействия излучения от высокоактивных источников и изделия защитной техники на обслуживающий персонал и окружающую среду по стандартным методикам. По каждому варианту изготавливали по 3 изделия. Результаты исследований представлены в таблице.
Таблица
Сравнительные данные заявленных изобретений и наиболее близких аналогов
№ опыта
Вариант технического решения
Материал литого блока защиты
Герметизирующая оболочка
Скорость заливки металла в оснастку, кг/с
Наличие пористости и неметаллических включений в литом блоке защиты
Надежность защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от высокоактивных источников
Наличие воздействия на обслуживающий персонал и окружающую среду от радиоактивного урана
Относительная масса блока защиты изделия, % отн.
1
Заявляемые изобретения
Уран-молибден-циркониевый сплав
Титан
0,05
есть
высокая
нет
96,7
2
-«-
-«-
-«-
0,1
нет
-«-
нет
86,9
3
-«-
-«-
-«-
0,25
нет
-«-
нет
87,1
4
-«-
-«-
-«-
0,5
нет
-«-
нет
87,4
5
-«-
-«-
-«-
0,6
есть
-«-
нет
98,5
6
-«-
Нелегированный уран
-«-
0,1
нет
-«-
нет
86,8
7
-«-
-«-
-«-
0,5
нет
-«-
нет
87,2
8
-«-
Уран-молибден-циркониевый сплав
-«-
0,1
нет
-«-
нет
87,0
9
-«-
Уран-молибден-циркониевый сплав
-«-
0,5
нет
-«-
нет
87,6
10
-«-
Уран-цирконий-ниобиевый сплав
-«-
0,1
нет
-«-
нет
87,3
11
-«-
-«-
-«-
0,5
нет
-«-
нет
88,1
12
Наиболее близкие аналоги
Уран
нет
есть
средняя
есть
100
Анализ данных, представленных в таблице, показывает, что заявляемое изделие защитной техники отличается от изделия по наиболее близкому аналогу меньшей массой блока защиты изделия (86,8-88,1% по заявляемым изобретениям вместо 100% по наиболее близким аналогам), более высоким качеством изделия (отсутствие пористости и неметаллических включений в литом блоке защиты по заявляемым изобретениям вместо наличия пористости и неметаллических включений в литом блоке защиты из урана по наиболее близкому аналогу) и повышенной надежностью биологической защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от воздействия радиоактивного излучения урана и высокоактивных источников.
Оптимальными параметрами изготовления изделий защитной техники являются следующие:
- центрирование перед заливкой титановой трубки спиральной формы в графитовой оснастке;
- заливка трубки с внешней стороны отфильтрованным расплавленным оборотным обедненным ураном или его сплавом со скоростью 0,1-0,5 кг/с;
- выполнение механической обработки литого блока защиты только по посадочным местам;
- сборка механически обработанного литого блока защиты с оболочкой путем одновременного его центрирования по посадочным местам с корпусом оболочки и трубки - с отверстием в крышке оболочки;
- герметизация сборочных зазоров сваркой.
Установка титановой трубки спиральной формы в графитовой оснастке без центрирования в ней, заливка трубки с внешней стороны отфильтрованным расплавленным оборотным обедненным ураном или сплавом на его основе в оснастку со скоростью менее 0,1 кг/с, выполнение механической обработки литого блока защиты по всей его поверхности, сборка механически обработанного литого блока защиты с оболочкой без одновременного его центрирования по посадочным местам с корпусом оболочки, а трубки - с отверстием в крышке оболочки, невыполнение герметизации сборочных зазоров сваркой приводит к значительному увеличению массы блока защиты изделия, к снижению качества изделий, к снижению надежности защиты обслуживающего персонала и окружающей среды радиоактивным излучением урана и излучением от высокоактивных источников.
Увеличение скорости заливки отфильтрованного расплавленного оборотного обедненного урана и сплава на его основе в оснастку более 0,5 кг/с приводит также к значительному увеличению массы блока защиты изделия и к снижению качества.
Заявляемые изобретения опробованы с положительным результатом в производственных условиях ОАО ЧМЗ при изготовлении из оборотов сплава обедненного урана, легированного молибденом и цирконием, опытной партии переносных гамма-детекторов с использованием в них в качестве радиоактивных источников Ir-192 и Se-75.