Ураноксидный радиатор ионизационной камеры деления

Заявленная полезная модель относится к ураноксидным радиаторам - покрытиям на основе делящихся изотопов урана на металлической подложке для ионизационных камер деления систем управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов, а также для источников альфа-излучения. Ураноксидный радиатор ионизационной камеры деления представляющий собой оксидное покрытие U₃O₈ на основе высокообогащенного урана с поверхностной плотностью 1,0-1,2 мг/см² по изотопу ²³⁵U, нанесенное на металлическую основу (электрод), выполнено в виде композита из чередуемых наноразмерных оксидных слоев, не менее двух типоразмеров: 15-20 нм (тип А) и 60-80 нм (тип Б), при этом конструкция устройства выглядит как последовательность А-Б-А-БА-Б-А-Б. Композитное покрытие со стороны металла включает от двух до четырех наноразмерных слоев типа А, остальной функциональный объем состоит из чередующихся слоев типов А и Б, верхний слой радиатора относится к типу Б, конструкция устройства тогда выглядит как последовательность А-А-А-Б-А-БА-Б-А-Б. Техническим результатом является повышение долговечности, вибрационной и термической стойкости конструкции ураноксидного радиатора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящая полезная модель относится к устройствам атомного приборостроения, а именно к ураноксидным радиаторам - покрытиям на основе делящихся изотопов урана на металлической подложке для ионизационных камер деления систем управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов, а также для источников альфа-излучения.

Из существующего уровня техники известно устройство (US 3367022, опубл. 06.02.1968), представляющее собой тонкий слой делящегося изотопа - ²³⁵U, сплавленный с металлической подложкой и используемый в качестве стационарного альфа-источника. Недостатками устройства при использования его в качестве радиатора ионизационной камеры деления являются его конструктивное исполнение в виде одного слоя, сплавленного с подложкой. Термостойкость изделия ограничена вследствие значительного различия коэффициентов термического расширения металлической подложки и уранового покрытия.

Известно также изобретение (US 2486955, опубл. 01.11.1949), представляющее собой слой оксида урана (U₃O₈ ) с плотностью 0,5 мг/см², нанесенный на металлическую поверхность. Сходством с предлагаемой полезной моделью является то, что уран находится в оксидной форме. Недостатком изобретения является конструкция радиатора в виде однослойного устройства (согласно фиг. 1, приведенной в патенте), полученного спеканием при 700-1100°C. Интенсивная кристаллизация при этих температурах резко снижает механическую прочность и долговечность радиатора.

Наиболее близким аналогом по своим существенным признакам является устройство в виде функционального ураноксидного покрытия ионизационных камер деления, получаемого наслаиванием электролитическим осаждением (Малышев Е.К., Засадыч Ю. Б., Стабровский С.А. Газоразрядные детекторы для контроля ядерных реакторов // Энергоатомиздат.1991. с. 125-128). Недостатком прототипа является образование при наслаивании единого слоя оксида урана, который при высоких плотностях нейтронных потоков накапливает трековые дефекты от разлетающихся осколков деления атомов ²³⁵U с соответствующим снижением долговечности и других эксплуатационных характеристик радиатора.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание композитной конструкции ураноксидного радиатора ионизационных камер деления, обеспечивающей повышение эксплуатационных характеристик, в частности - долговечности (более 30 мес), вибрационной (до 200 Гц) и термической (до 750°C) стойкости.

Данная задача решается за счет того, что заявленный ураноксидный радиатор ионизационной камеры деления (ИКД), представляющий собой оксидное покрытие U₃O₈ на основе высокообогащенного урана с поверхностной плотностью 1,0-1,2 мг/см² по изотопу ²³⁵U, нанесенное на металлическую основу (электрод), отличается тем, что выполнен в виде композита из чередуемых наноразмерных оксидных слоев не менее двух типоразмеров: А и Б.

Ураноксидный радиатор также может быть выполнен в виде композитного покрытия из последовательно чередующихся наноразмерных слоев двух типоразмеров: 15-20 нм (тип А) и 60-80 нм (тип Б). Конструкция устройства тогда выглядит как последовательность:

Ураноксидный радиатор также может быть выполнен в виде композитного покрытия, со стороны металла включающего от двух до четырех наноразмерных слоев типа А, а остальной функциональный объем -чередующиеся слои типов А и Б. Верхний слой радиатора относится к типу Б. Конструкция устройства тогда выглядит как последовательность:

Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг. 1 - общий вид радиатора и прототипа. Радиатор ионизационной камеры деления представляет собой композитное полислойное ураноксидное покрытие 1 на основе делящегося изотопа (²³⁵U) с поверхностной плотностью 1,0-1,2 мг/см² по изотопу ²³⁵U, нанесенное на поверхность металлического электрода 2.

на фиг. 2 - радиатор на основе чередующихся слоев двух типоразмеров: толщиной 15-20 нм и 60-80 нм. Радиатор выполнен в виде чередующихся слоев двух типоразмеров (фиг. 2): 15-20 нм (А) и 60-80 нм (Б). Конструкция устройства тогда выглядит как последовательность: А-Б-А-БА-Б-А-Б. Наслаивание типов А и Б осуществляется до достижения суммарной поверхностной плотности покрытия в 1,0-1,2 мг/см ² по изотопу ²³⁵U.

на фиг.3 - радиатор на основе организованной неоднородной слоевой структуры. Радиатор может быть выполнен в виде слоевой структуры (фиг. 3), организованной следующим образом: на металлическую основу наносятся от 2 до 4 ураноксидных слоев с толщиной 15-20 нм (А). Затем слои типоразмера А чередуются со слоями толщиной 60-80 нм (Б). Завершающим слоем при формировании радиатора является тип Б. Конструкция устройства тогда выглядит как последовательность: А-А-А-Б-А-БА-Б-А-Б.

Организация многослойной структурированной (типы А и Б) конструкции радиатора обеспечивает повышение скорости аннигиляции трековых дефектов, образующихся при прохождении осколков деления урана через функциональный объем. Образование треков неизбежно ведет к снижению прочности радиатора, снижает его долговечность, их аннигиляция возможно только на межслоевых границах и поверхностях раздела фаз. Получение ураноксидных устройств согласно настоящей полезной модели обеспечивает увеличение числа межслоевых границ за счет снижения размеров однородных объемов (типы А и Б толщиной не более 80 нм), а также использования композитной структуры чередующихся слоев различной толщины.

Известно, что скорость диффузии (а, следовательно, и скорость аннигиляции) радиационно-индуцированных дефектов пропорциональна коэффициенту диффузии (Б) и обратно пропорциональна линейному размеру функционального объема (L): V_анн=D/L² (Sergeev G.M. Nanochemistry. - Elsevier, Amsterdam, 2006). В устройстве согласно представленной модели линейный размер функционального объема составляет не более 80 нм (слои А и Б), в то время как при стандартном способе формирования радиатора L составляет величину ~1 мкм. За счет организации фазовых неоднородностей по объему радиатора и его композитной структуры увеличивается скорость аннигиляции дефектов (треков), образующихся в результате прохождения осколков деления ядер урана.

Согласно настоящей полезной модели изготовлены образцы радиаторов: длина: 140 мм, диаметр: 7; 11; 15; 19; 23; 27,

- образцы по п. 2 ф-лы: кол-во слоев: 20-30 шт., толщина: слои А-типа: 15±5 нм, слои Б-типа: 70±10 нм.

- образцы по п. 3 ф-лы: кол-во слоев: 30-40 шт., толщина: слои А-типа: 20±5 нм, слои Б-типа: 70 ±10 нм.

Для получения образцов использован метод термодеструкционного разложения карбоксилатов урана, включающим стадии нанесения плнекообразующего раствора, термическое разложение и полинаслаивание функциональных ураноксидных покрытий [Сахаров В.В., Басков П.Б., Мосягина И.В., Фролов Н.Н., Курбаткина И.И., Муравьева Т.И., Торская Е.В., Ивкина О.В., Шарипова М.А. Химический синтез нейтрон-детектирующих ультратонких оптических материалов // Известия вузов. Ядерная энергетика. 4. 2012. С. 130-142.]. Толщина синтезируемых слоев А и Б задавалась варьированием исходной концентрации пленкообразующего раствора.

Усредненные результаты испытаний образцов приведены в таблице 1.

Образцы по п. 2 формулы показали вибростойкость до 250 Гц, увеличение термостойкости в 1,5 раза и долговечности в 2,4 раза по сравнению с прототипом. Образцы по п. 3 формулы показали вибростойкость до 350 Гц, увеличение термостойкости в 1,5 раза и долговечности в 2 раза по сравнению с прототипом.

В целом, устройство (радиатор) по настоящей полезной модели имеет более высокие эксплуатационные характеристики (термо-, вибростойкость и долговечность) в сравнении с прототипом. Он может быть использован как в составе стандартных камер типа КНК, КНТ и др., так и при разработке новых типов ионизационных камер деления.

1. Ураноксидный радиатор ионизационной камеры деления (ИКД), представляющий собой оксидное покрытие U₃O₈ на основе высокообогащенного урана с поверхностной плотностью 1,0-1,2 мг/см² по изотопу ²³⁵U, нанесенное на металлическую основу (электрод), отличающийся тем, что покрытие выполнено в виде композита из наноразмерных оксидных слоев, не менее двух типоразмеров.

2. Ураноксидный радиатор по п. 1, отличающийся тем, что композитное покрытие выполнено из последовательно чередующихся наноразмерных слоев двух типоразмеров: 15-20 нм (тип А) и 60-80 нм (тип Б), при этом конструкция устройства выглядит как последовательность А-Б-А-БА-Б-А-Б.

3. Ураноксидный радиатор по п. 1, отличающийся тем, что композитное покрытие со стороны металла включает от двух до четырех наноразмерных слоев типа А, остальной функциональный объем состоит из чередующихся слоев типов А и Б, верхний слой радиатора относится к типу Б, конструкция устройства тогда выглядит как последовательность А-А-А-Б-А-БА-Б-А-Б.

РИСУНКИ