Способ получения конструкционного металла и конструкционных материалов

 

Изобретение относится к области получения конструкционных металлов и материалов. Сущность изобретения заключается в том, что в одном или нескольких компонентах - химических элементах, на стадии извлечения из природного сырья снижают долю изотопов, из которых при облучении нейтронами образуются с большой вероятностью долгоживущие радиоактивные нуклиды, обусловливающие высокую удельную активность материала. Способ позволяет улучшить радиационные свойства конструкционных металлов и материалов влияющих на эксплуатационные характеристики. 2 с.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения конструкционных материалов, применяемых в ядерной энергетике.

Из уровня техники известны способы получения металлов и сплавов путем извлечения компонентов с металлическими свойствами из сырья, сплавления и изменения структуры (Советский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1979, с. 804, статья: Металлургия; Металлы). При этом изменение структуры металлов и сплавов осуществляют внешним физическим воздействием, преимущественно, с использованием термообработки (авт. св. СССР N 794080, кл. C 12 D 3/04, 1981; авт. св. СССР N 1574561, кл. C 21 D 3/06, 1990) или облучением, например, ускоренными ионами (авт.св. СССР N 1486538, кл. C 22 F 3/00, 1989), что, в основном, обеспечивает повышение прочностных характеристик и/или коррозионной стойкости.

Однако, для конструкционных материалов, используемых в ядерной энергетике, которые подвергаются облучению нейтронами, помимо вышеназванных параметров, важнейшим физическим фактором является остаточная активность материала после облучения, нормирующая условия работы обслуживающего персонала в контакте с оборудованием, которая определяется изотопным составом химических элементов-компонентов, получаемых из природного сырья. При этом известные способы улучшения физических параметров конструкционных металлов и сплавов не связаны с изменением природного изотопного состава и, следовательно, не позволяют повысить радиационную безопасность при работе с облученным оборудованием.

Изобретение направлено на улучшение радиационных свойств, влияющих на эксплуатационные характеристики конструкционных материалов (металлов и сплавов), работающих в условиях облучения нейтронами в ядерной энергетике, путем изменения природного изотопного состава одного или нескольких химических элементов-компонентов.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе получения конструкционного металла, включающем извлечение его из сырья и изменение физической структуры, согласно изобретению, в химическом элементе металла, состоящим из нескольких изотопов, на одной из стадий его извлечения снижают долю изотопов, из которых при облучении нейтронами образуются с большой вероятностью долгоживущие радиоактивные нуклиды, обусловливающие высокую удельную активность.

Для способа получения конструкционных материалов, имеющих однородную структуру в виде сплавов, как варианта изобретения, который включает извлечение компонентов, преимущественно с металлическими свойствами, из сырья, сплавление и изменение физической структуры, согласно изобретению, в одном или нескольких компонентах - химических элементах снижают долю изотопов, из которых при облучении нейтронами образуются с большой вероятностью долгоживущие радиоактивные нуклиды, обусловливающие высокую удельную активность материала.

Заявленный способ характеризуется наличием дополнительной операции, заключающейся в удалении из природного изотопного состава одного или нескольких компонентов конструкционного материала части тех изотопов, из которых при облучении нейтронами образуются с большой вероятностью догложивущие радиоактивные нуклиды, обусловливающие высокую удельную активность материала, что соответственно, уменьшает остаточную удельную активность материала в случае его облучения, определяемую измененным изотопным составом, улучшает радиационную обстановку и позволяет обслуживающему персоналу приступать к работе в контакте с оборудованием по истечении более короткого периода времени, за который уровень излучения снизится до допустимого. Следует подчеркнуть, что упомянутое решение, основанное на изменении природного изотопного состава компонентов, может быть использовано и в процессе получения неметаллических металлов, например, полимеров.

Пример 1. Одним из перспективных конструкционных материалов для элементов конструкций термоядерного реактора является ванадий.

Однако металлический ванадий, получаемый путем переработки природного сырья - ванадиевой руды, содержит два изотопа: ⁵⁰V и ⁵¹V, при этом изотоп ⁵¹V образует при облучении короткоживущие радиоактивные изотопы со значениями периода полураспада до 2 сут, в то время как изотоп ⁵⁰V превращается при облучении в долгоживущий радиоактивный изотоп ⁴⁹V с периодом полураспада 338 сут и, соответственно, обусловливает высокий уровень излучения при облучении изготовленного из ванадия оборудования. Для улучшения радиационных свойств ванадия в процессе его получения путем извлечения из ванадиевой руды и переработки в металлический ванадий по известной технологии (Киффер, Рихард и Браун, Х, Ванадий, ниобий, тантал. Перев. с нем. М.: Металлургия, 1962, с. 24-56) на одной из промежуточной стадий у ванадиевого полуфабриката путем разделения изотопов, например, методом газовой диффузии (Синев Н.М., Б.Б.Бутуров Экономика ядерной энергетики (Основы технологии и экономики ядерного топлива. М.: Атомиздат, 1980, с. 215 - 254) существенно снижают долю изотопа ⁵⁰V, при этом повышается, соответственно, доля изотопа ⁵¹V, в том числе и в конечном продукте.

Пример 2. Для улучшения радиационных свойств широко используемой в ядерной энергетике нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т целесообразно у компонента никеля, содержащего изотопы: ⁵⁸Ni; ⁶⁰Ni; ⁶¹Ni; ⁶²Ni; ⁶⁴Ni; снизить долю изотопа ⁶²Ni, из которого при облучении нейтронами образуется с большой вероятностью долгоживущий радиоактивный изотоп ⁶³Ni с периодом полураспада 100 лет. При этом перед сплавлением компонентов стали предварительно на одной из стадий извлечения никеля из природного сырья уменьшают, например, центрифужным методом (см. вышеупомянутый источник информации: кн. Н.М.Синева, Б.Б. Бутурова) долю изотопа ⁶²Ni, что в результате обеспечивает получение конечного продукта (нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т с улучшенным измененным изотопным составом, который после облучения нейтронами обусловливает достаточно низкую остаточную активность материала.

Формула изобретения

1. Способ получения конструкционного металла, включающий извлечение из сырья и изменение физической структуры металла, отличающийся тем, что на одной из стадий извлечения металла в химическом элементе металла, состоящем из нескольких изотопов, снижают долю изотопов, из которых при облучении нейтронами образуются с большой вероятностью долгоживущие радиоактивные нуклиды, обусловливающие высокую удельную активность.

2. Способ получения конструкционных материалов, включающий извлечение компонентов, преимущественно с металлическими свойствами, из сырья, образование однородной системы из компонентов и изменение ее физической структуры, отличающийся тем, что в одном или нескольких компонентах - химических элементах - снижают долю изотопов, из которых при облучении нейтронами образуются с большой вероятностью долгоживущие радиоактивные нуклиды, обусловливающие высокую удельную активность материала.