Контейнер для радиационно-опасных грузов
Владельцы патента RU 2601868:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к специальным контейнерам, предназначенным для безопасной перевозки, хранения и обслуживания радиоактивных грузов, особенно в условиях повышенной опасности, а также в условиях возникновения аварийных ситуаций. Контейнер для радиационно-опасных грузов включает металлический корпус цилиндрической формы с крышками, размещенную внутри корпуса многослойную капсулу, содержащую цилиндрическую часть, скрепленную с установленными на концах заглушками цементно-бетонной смесью с кислотоупорным порошком. Капсула установлена автономно от корпуса, выполнена трехслойной из литого базальтоподобного синтетического минерального сплава, при этом внешний слой капсулы выполнен из отдельных рельефных элементов, в каждой заглушке внешнего слоя капсулы с внутренней стороны выполнена полость для заполнения амортизирующим материалом. В среднем слое капсулы расположены амортизирующие вставки. Средний и внутренний слои капсулы выполнены с гладкой поверхностью. Изобретение позволяет создать надежную, простую конструкцию контейнера, защищенную от нерегламентированных нагрузок, с максимальной удерживающей способностью по отношению к опасному грузу. 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.
Изобретение относится к специальным контейнерам, предназначенным для безопасной перевозки, хранения и обслуживания радиоактивных грузов, особенно в условиях повышенной опасности, а также в условиях возникновения аварийных ситуаций, например пожара, воздействия поражающих элементов как обычного, так и кумулятивного оружия.
Известно устройство для транспортировки и(или) хранения груза, содержащее контейнер и амортизаторы. В контейнер введена защитная оболочка, соединенная с ним переходником, обеспечивающим сохранность груза в нормальных условиях эксплуатации и деформирующимся или разрушающимся в аварийных ситуациях. Защитная оболочка выполнена в виде сегмента, а амортизаторы расположены с одной стороны между контейнером и сегментом, а с противоположной - между контейнером и грузом (патент RU №2133061 от 10.07.1999 г.).
К недостаткам известного устройства относится отсутствие защиты от поражающих элементов различного оружия, в том числе кумулятивного, и возгорания.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для транспортировки и/или хранения взрывоопасного, радиационно-опасного и токсикологически опасного груза, включающее в себя контейнер и амортизаторы. Крышки и стенки контейнера выполнены в виде защитной оболочки, содержащей, по меньшей мере, два чередующихся защитных слоя из металла и жаропрочной резины с отверстиями, расположенную между защитными слоями полость, сообщающуюся с внутренней полостью контейнера через невозвратные клапаны, на крышке контейнера установлен редукционный клапан с фильтром для выравнивания избыточного давления внутри контейнера с давлением окружающей среды без загрязнения окружающей среды, а во внутреннюю полость контейнера введена защитная сетка, предотвращающая повреждение защитной оболочки осколками, образующимися в результате взрыва груза. Геометрические параметры, жесткость, прочностные свойства защитной оболочки, защитной сетки, размеры и расположения отверстий защитных слоев выбираются такими, чтобы их деформация после взрыва (разрушения) груза обеспечивала непроникновение вредных веществ за пределы контейнера (патент RU №2253160 от 27.05.2005 г.). Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - металлический корпус цилиндрической формы с крышками; внутри корпуса расположены многослойная капсула и амортизирующие вставки; капсула содержит цилиндрическую часть с установленными на концах заглушками.
К недостаткам известного устройства, принятого за прототип, относятся, во-первых, недостаточная способность противостоять кумулятивным зарядам из-за использования вспученного материала, который неравномерно реагирует на действие кумулятивных струй; во-вторых, низкая удерживающая способность по отношению к опасному грузу из-за наличия свободного пространства между капсулой и стенками контейнера. Кроме того, контейнер предполагает наличие большого числа крепежных элементов во внутренней конструкции, которые усложняют конструкцию, требуют повышенного контроля качества при сборке и снижают надежность конструкции.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание надежной конструкции контейнера с автономной капсулой, защищенной от нерегламентированных нагрузок, а именно ударных волн, возгорания, поражающих элементов различного оружия, в том числе кумулятивного, с максимальной удерживающей способностью по отношению к опасному грузу при упрощении конструкции.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном контейнере для радиационно-опасных грузов, включающем металлический корпус цилиндрической формы с крышками, расположенные внутри корпуса амортизирующие вставки и многослойную капсулу, содержащую цилиндрическую часть с установленными на концах заглушками, согласно изобретению капсула установлена автономно от корпуса, выполнена трехслойной из литого базальтоподобного синтетического минерального сплава, при этом внешний слой капсулы выполнен из отдельных рельефных элементов, в каждой заглушке внешнего слоя с внутренней стороны выполнена полость для заполнения амортизирующим материалом, амортизирующие вставки расположены в среднем слое капсулы, средний и внутренний слои выполнены с гладкой поверхностью, цилиндрическая часть капсулы каждого слоя скреплена с установленными на концах заглушками цементно-бетонной смесью с кислотоупорным порошком.
Целесообразно выполнение рельефных элементов цилиндрической части внешнего слоя капсулы в виде плоских элементов с четырехгранными шипами с углом в вершине 120°, а рельефных элементов заглушек внешнего слоя - в виде полукруглых выпуклых элементов.
Рельефные элементы внешнего слоя капсулы могут быть выполнены литьем.
В качестве амортизирующего материала могут быть использованы дробленный базальтоподобный синтетический минеральный сплав или его волокна в виде ваты или огнегасительные смеси.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: капсула установлена автономно от корпуса и выполнена трехслойной из литого базальтоподобного синтетического минерального сплава; внешний слой капсулы выполнен из отдельных рельефных элементов; в каждой заглушке внешнего слоя капсулы с внутренней стороны выполнена полость для заполнения амортизирующим материалом; амортизирующие вставки расположены в среднем слое капсулы; средний и внутренний слои выполнены с гладкой поверхностью; цилиндрическая часть капсулы каждого слоя скреплена с установленными на концах заглушками цементно-бетонной смесью с кислотоупорным порошком; рельефные элементы цилиндрической части внешнего слоя капсулы выполнены в виде плоских элементов с четырехгранными шипами с углом в вершине 120°; рельефные элементы заглушек внешнего слоя выполнены в виде полукруглых выпуклых элементов; рельефные элементы внешнего слоя капсулы выполнены литьем; в качестве амортизирующего материала использованы дробленый базальтоподобный синтетический минеральный сплав или его волокна в виде ваты, или огнегасительные смеси.
Установка капсулы автономно от корпуса обеспечивает большую надежность сохранности груза, чем в случае, когда капсула и корпус имеют взаимосвязанные элементы конструкции.
Выполнение капсулы трехслойной из литого базальтоподобного синтетического минерального сплава обеспечивает надежную защиту окружающей среды от опасного содержимого, не пропуская радиационного излучения, безопасность и сохранность груза от ударных нагрузок при падении и от воздействия взрывной ударной волны и поражающих элементов обычного, крупнокалиберного и кумулятивного оружия, с максимальной удерживающей способностью по отношению к опасному грузу.
Исследование механических характеристик и диссипативной способности литых базальтоподобных синтетических минеральных сплавов показало, что этот материал реагирует на воздействие поражающих элементов не пластическим изменением формы, а структурными преобразованиями, сопровождающимися накоплениями напряжений и последующими релаксационными процессами, которые приводят к поглощению энергии и фрагментации. Иными словами, базальтоподобные синтетические материалы способны как губка впитать в себя энергию удара или кумулятивной струи и разрушиться, оставив находящиеся за собой объекты невредимыми.
Кумулятивное воздействие, которое, как известно, сопровождается прожиганием материала с образованием кратера определенных размеров, главным из которых является его глубина. Объем кратера можно считать зависящим от энергии струи и прочности материала преграды. В базальтоподобных синтетических минеральных сплавах от действия струи не образуется подобных характерных повреждений, что может быть вызвано особенностью их деформационного поведения, заключающейся в скачкообразном изменение структуры под воздействием внешних сил. Создается ситуация многократного рикошета струи в короткий промежуток времени на поверхности изделия из базальтоподобного синтетического минерального сплава. В результате нарушается предполагаемый механизм воздействия струи, как поражающего элемента. Из-за многочисленных рикошетов она преобразуется в серию ударов, которые успешно гасятся материалом по принципу диссипации механической энергии.
Литые базальтоподобные синтетические минеральные сплавы не пропускают радиационного излучения и способны длительное время находится под его воздействием без изменения своих характеристик.
Литые базальтоподобные синтетические минеральные сплавы являются огнеупорными материалами и сохраняют свои свойства до 750°С, низкая теплопроводность не позволяет нагреваться содержимому, даже находясь в эпицентре пламени.
После фрагментации свойства материала сохраняются и это позволяет обеспечивать удерживающую функцию в течение продолжительного периода времени даже в случае разрушения контейнера.
Состав синтетического минерального сплава приведен в таблице.
Изготовлен сплав по ТУ 1004-024-05773333-2008.
Технология получения этого материала (литье в разовые и постоянные формы) позволяет свободно формообразовывать изделия и создавать элементы капсулы со сложным рельефом, обеспечивающим повышенную способность сопротивления поражающим элементам.
Выполнение внешнего слоя капсулы из отдельных рельефных элементов, выполняющих девиационно-дробящую, диссипативную и удерживающую функции, обеспечивает дополнительную защиту капсулы от поражающих элементов, в том числе пуль огнестрельного оружия и кумулятивных боеприпасов. Наличие рельефа обеспечивает смещение поражающего элемента с его траектории и рикошет, что приводит к резкому снижению его кинетической энергии и поражающей способности. То же воздействие оказывается и при контакте с кумулятивной струей, ее траектория смещается и направляется по касательной к капсуле, что приводит к резкому снижению эффективности действия поражающего фактора.
Влияние рельефа на стойкость изделия к подобного рода воздействиям известна, но применять этот фактор защиты было затруднительно из-за сложности изготовления. Изделие такой конфигурации может быть относительно легко получено из базальтоподобных синтетических минеральных сплавов технологией литья. При встрече поражающего элемента с твердым сердечником с такой преградой из базальтоподобного синтетического минерального сплава происходят косое соударение и разрушение оболочки пули и хрупкое разрушение сердечника. Условия такой нейтрализации сердечника создаются первоначально в зоне микроконтакта с преградой, где преобладают зоны с одновременным сжатием, а затем при наклонном проникновении в последующий слой преграды - в области с большими сдвиговыми напряжениями.
Выполнение в каждой заглушке внешнего слоя с внутренней стороны полости для заполнения амортизирующим материалом позволяет повысить надежность среднего слоя и всей конструкции в целом.
Установка в среднем слое капсулы амортизирующих вставок позволяет минимизировать возможные последствия внешнего несанкционированного воздействия.
Средний и внутренний слои с гладкой поверхностью выполняют диссипативную и удерживающую функции и исключают воздействие опасного груза на окружающую среду.
Скрепление всех элементов капсулы цементно-бетонной смесью с кислотоупорным порошком повышает надежность контейнера и упрощает конструкцию контейнера за счет отсутствия крепежных элементов.
Состав смеси содержит порошок кислотоупорный 100 вес. ч.; кремнефтористый натрий - 6,5 вес. ч.; жидкое стекло - не более 365 г. на 1 кг сухой смеси по ТУ 14-05773333-01-2008 и инструкции по монтажу 10637 ИМ.
Предлагаемый контейнер иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 представлен поперечный разрез контейнера. На фиг. 2 представлен продольный осевой разрез капсулы. На фиг. 3 представлен внешний вид автономной капсулы. На фиг. 4 представлен внешний вид рельефного элемента. На фиг. 5 показан поперечный разрез капсулы. На фиг. 6 показан вид сверху капсулы.
Контейнер для радиационно-опасных грузов (фиг. 1) содержит металлический корпус 1 цилиндрической формы с установленными на концах фланцевыми крышками 2, 3. К корпусу 1 фланцевые крышки 2, 3 прикреплены с помощью болтового соединения.
Внутри корпуса 1 установлена трехслойная капсула (фиг. 2), содержащая цилиндрическую часть 4 с установленными на концах заглушками 5, 6 (фиг. 6). Капсула изготовлена из литого базальтоподобного синтетического минерального сплава. Капсула установлена автономно от корпуса 1. Внешний слой капсулы выполнен из отдельных рельефных элементов (фиг. 3), которые выполняют девиационно-дробящую, диссипативную и удерживающую функции.
Рельефные элементы цилиндрической части 4 внешнего слоя капсулы могут быть выполнены литьем в виде плоских элементов с четырехгранными шипами с углом в вершине 120° (фиг. 3, 4). Рельефные элементы крепятся на цилиндрическую поверхность 4 внешнего слоя на цементно-бетонную смесь с кислотоупорным порошком. Рельефные элементы заглушек 5, 6 внешнего слоя могут быть выполнены литьем в виде полукруглых выпуклых элементов, крепятся к заглушкам 5, 6 цементно-бетонной смесью с кислотоупорным порошком. В заглушках 5, 6 с внутренней стороны выполнены полости соответственно 7, 8 для заполнения амортизирующим материалом.
Средний слой капсулы (фиг. 2, 5) состоит из стойки 9, амортизирующих вставок 10 и заглушек 11, 12. В качестве амортизирующего материала для вставок 10 могут быть использованы традиционная бальза, резина или графитизированный пористый материал, порошок базальтоподобного синтетического минерального сплава и его волокна в виде ваты, а также огнегасительные составы.
Внутренний слой капсулы, непосредственно контактирующий с опасным грузом, содержит цилиндрическую часть 13 с установленными на концах заглушками 14, 15. Внутренний слой образует трубчатое вместилище для опасного груза. Средний и внутренний слои имеют гладкую поверхность, выполняют диссипативную и удерживающую функции. Цилиндрическая часть капсулы каждого слоя скреплена с установленными на концах заглушками цементно-бетонной смесью с кислотоупорным порошком. Элементы конструкции контейнера получают по технологии литья, а доводка элементов по размеру может обеспечиваться гидроабразивной резкой.
Принцип действия контейнера следующий.
Радиоактивный груз размещают во внутреннюю полость капсулы. Элементы внутреннего слоя: цилиндрическую часть 13 с заглушками 14, 15 скрепляют цементно-бетонной смесью с кислотоупорным порошком.
Затем на заглушку 12 устанавливают стойку 9, скрепляют их смесью на основе кислотоупорного порошка. После ее отверждения выкладывают слой амортизирующего материала, устанавливают внутренний слой с содержимым, сверху выкладывают еще один слой амортизирующего материала и заглушку 11. Затем в полости заглушек 5 и 6 выкладывают амортизирующий материал и осуществляют их монтаж на торцы среднего слоя. После этого осуществляют монтаж рельефных элементов. Затем капсулу помещают в корпус 1 контейнера и закрывают его фланцевыми крышками 2, 3.
Такая конструкция обеспечивает защиту от поражающих элементов и препятствует нагреву содержимого из-за низкой теплопроводности литого базальтового синтетического минерального сплава. Базальтоподобные синтетические минеральные сплавы отличаются стойкостью к сжимающим нагрузкам, прочность при сжатии около 230 МПа, это обеспечивает стойкость капсулы к перепадам давления внутри и снаружи.
В случае тотального поражения капсулы она за счет диссипативных процессов разрушается с образованием большого числа фрагментов разрушения, которые даже в виде насыпи продолжают изолировать воздействие содержимого.
Использование предлагаемого контейнера позволяет обеспечить надежную защиту окружающей среды от опасного содержимого, не пропуская радиационного излучения, а также безопасность и сохранность груза от нерегламентированных нагрузок. Кроме того, из-за отсутствия крепежных элементов упрощается конструкция контейнера.
1. Контейнер для радиационно-опасных грузов, включающий металлический корпус цилиндрической формы с крышками, размещенные внутри корпуса амортизирующие вставки и многослойную капсулу, содержащую цилиндрическую часть с установленными на концах заглушками, отличающийся тем, что капсула установлена автономно от корпуса, выполнена трехслойной из литого базальтоподобного синтетического минерального сплава, при этом внешний слой капсулы выполнен из отдельных рельефных элементов, в каждой заглушке внешнего слоя капсулы с внутренней стороны выполнена полость для заполнения амортизирующим материалом, амортизирующие вставки расположены в среднем слое капсулы, средний и внутренний слои капсулы выполнены с гладкой поверхностью, цилиндрическая часть капсулы каждого слоя скреплена с установленными на концах заглушками цементно-бетонной смесью с кислотоупорным порошком.
2. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что рельефные элементы цилиндрической части внешнего слоя капсулы выполнены в виде плоских элементов с четырехгранными шипами с углом в вершине 120°, а рельефные элементы заглушек внешнего слоя выполнены в виде полукруглых выпуклых элементов.
3. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что рельефные элементы внешнего слоя капсулы выполнены литьем.
4. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве амортизирующего материала использованы дробленый базальтоподобный синтетический минеральный сплав, или его волокна в виде ваты, или огнегасительные смеси.
