Багатошаровий корпус захисного контейнера

Винахід відноситься до галузей ядерної техніки й охорони навколишнього середовища, а саме до захисту людини і природи від радіаційного випромінювання, і може бути використаний при розробці корпусу транспортного захисного контейнера. Корпус захисного контейнера повинний бути переміщуваним і мати надійну антикорозійну ізоляцію, що забезпечує доста тню механічну міцність контейнера. Щоб довгостроково витримувати вплив випромінювань, температури і хімічних реакцій. До контейнерів тривалого збереження чи поховання пред'являються більш тверді норми щодо їхньої механічної міцності, корозійної стійкості, радіаційного захисту і довговічності. Для досягнення цих цілей створюються багатошарові корпуси, стінки яких виготовляються з більш дешевих матеріалів, а для підвищення їхньої надійності і міцності на внутрішній чи зовнішній поверхні корпусу встановлюються оболонки, виготовлені з композиційних матеріалів, чи наносяться захисні шари. Найбільш повно відповідають цим вимогам контейнери, корпуси яких містять оболонки з полімерних композиційних матеріалів (ПКМ). Механічні властивості композиційних матеріалів характеризуються трьома основними параметрами: високою міцністю армуючих наповнювачів, твердістю матриці і міцністю зв'язку на границі матриця-наповнювач. Це забезпечується як правильним вибором компонентів, так і технологією. У результаті виконання декількох шарів з матеріалів різної щільності сумарна щільність і міцність контейнера буде менше, ніж монолітної конструкції. У результаті цього знижується надійність контейнера. Відносна дешевина та універсальність властивостей ПКМ (низька щільність у порівнянні з металами, висока міцність, як при розтяганні, так і при стиску) забезпечує їм широке застосування. Хімічна стійкість ПКМ в основному визначається видом полімерного зв'язного і способом переробки. Полімерне зв'язне додає композиту монолітності, сприяє ефективному використанню міцності і рівномірному розподілу зусиль між наповнювачами, що армуються. Крім того, зв'язне додає матеріалу здатність формуватися у вироби різних конфігурацій і розмірів. Однак посилення внутрішньої чи зовнішньої поверхні стінок корпусу не приводить до зменшення її товщини і, відповідно, значному зниженню ваги. Тому основною задачею при конструюванні захисних контейнерів можна вважати зниження маси (ваги) і товщини стінки корпусу. Відомий захисний контейнер [А.С. СРСР №1649947, МПК5 G21F5/00, публ. 05.04.89], що містить корпус з циліндричною порожниною, що включає набір кільцевих блоків із захисного матеріалу. Усередині циліндричної порожнини встановлена оболонка з набору знімних кільцевих блоків з різною здатністю поглинання радіаційного випромінювання. При кожному завантаженні кільцеві блоки заміняються на інші, виконані з матеріалу, що відповідає радіаційної активності відходів, що транспортуються. У результаті реалізації винаходу знижується твердість оболонки корпусу через наявність шарів із твердістю меншої, чим у цілісної конструкції. До недоліків відомого пристрою можна віднести: - підвищення ваги через збільшення товщини стінки корпусу; - скорочення корисного об'єму корпусу; - збереження твердості конструкції, тому що один шар оболонки не забезпечить демпфіруючу здатність усієї конструкції корпусу; - значний термічний опір конструкції в місцях контакту кільцевих блоків між собою по висоті корпусу; - значна трудомісткість виготовлення корпусу за рахунок виконання кожного кільцевого блока з матеріалу, що відповідає активності відходів, що транспортуються. Відомий корпус захисного контейнера [див. патент РФ №2076360, МПК6 G21F1/12, G21F5/005, публ.7.03.97], що складається з циліндричної склянки, виконаної з полімерного композита. Склянка виконана з двошарової полімерної оболонки, у якій у якості внутрішнього захисного шару використовують полімерний композит полістиролу, наповненого поліметилсиліконатом свинцю при наступному співвідношенні компонентів, % (мас): полістирол - 10-15; поліметилсиліконат свинцю - інше, і зовнішнього шару оболонки, виконаного з поліетилену. Виконання склянки з двошарової оболонки, а саме внутрішнього шару з полімерного композиту, дозволить поліпшити антикорозійні властивості, умови герметизації. Двошарова оболонка забезпечить демпфіруючу здатність усієї конструкції корпусу. У якості метало-властивого поглинаючого наповнювача використовують порошок поліметилсиліконату свинцю з піктонометричною щільністю р=1,0-1,2г/см (чистий свинець має р=11,34г/см 3). За рахунок щільності упакування порошку наповнювача можливе зменшення товщини захисного шару. Однак полімерні композити, армовані посилюючими наповнювачами, не є універсальними матеріалами, і створення нових композитів не дозволяє одержати уніфіковану конструкцію контейнера, яка задовольняє умовам, що забезпечують захисні властивості для розширеного діапазону енергій. Відома конструкція має наступні недоліки. Зміст поліметилсиліконату свинцю в захисному шарі складає високий відсоток (90-92%), що не приведе до зменшення товщини стінки корпусу, а підвищена витрата свинцю вимагає при його використанні додаткових заходів, що локалізують чи усувають токсичність матеріалу, що веде до збільшення вартості контейнера в цілому. Крім того, для з'єднання оболонок і нанесення шарів з різних по складу матеріалів необхідні спеціальні технології, що збільшує вартість контейнера. В даний час відомі шаруваті конструкції і методи одержання їх шля хом намотування матеріалу на розбірні і нерозбірні обертові оправлення для одержання виробів на визначену заздалегідь межу енергій, і виконані у формі тіл обертання з наступним отвердінням виробу. Цим методом виготовляються вироби циліндричної чи конічної форми. Найбільш близьким по технічній суті й е фекту, що досягається, є корпус [патент. РФ №2031457, МПК6 G21С13/02, опубл. 20.03.1995], що включає стінку з багатошаровою оболонкою, утворену навитими один на інший шарами полімерного матеріалу, із кроком рівним ширині матеріалу. Відома конструкція корпусу відрізняється конструктивною особливістю - стінка має у своєму складі як мінімум дві оболонки: несучу з металу і корозійностійку з полімерного матеріалу. Виконання стінки корпусу навитих шарів сприяє строгої орієнтації волокон і дозволяє одержати конструкції з максимально високими механічними властивостями. Однак відома конструкція має недоліки, властиві вище названим багатошаровим корпусам, що утворені з оболонок, виконаних з різних по складу матеріалів. Недоліком є відносно велика номенклатура конструкційних матеріалів і габарити корпусу, обумовлені застосуванням оболонки з металу. Крім того, до недоліків варто віднести і недостатньо високий захисний еквівалент фактичної товщини багатоелементної стінки щодо приведеної товщини захисту (табличні значення товщини захисту з чистого матеріалу), що змушує збільшувати товщин у стінки корпусу для поглинання вторинного м'якого розсіяного випромінювання. В основу винаходу поставлена задача удосконалення конструкції корпусу захисного контейнера шляхом виконання стінки з навитого шарами багатошарового дисперсно-наповненого армованого полімерного матеріалу, що забезпечує можливість одержання необхідної товщини стінки, відповідно до заданої кратності ослаблення для визначеної енергії випромінювання. Поставлена задача вирішується тим, що багатошаровий корпус захисного контейнера, що включає стінку з багатошаровою оболонкою, утвореною навитими один на другий шарами полімерного матеріалу з кроком рівним ширині матеріалу, відповідно до винаходу, стінка навита зі смуги тканого матеріалу, попередньо просоченої шаром напівсухої суміші полідисперсного наповнювача і, принаймні, одним шаром зв'язуючого, армованого тим же наповнювачем, при цьому кількість навитих шарів регламентована заданою кратністю ослаблення радіоактивного випромінювання в діапазоні енергій від 30 до 662КеВ і визначена з виразу: ln К Вn nc = × m' t ТК Вф де nс - кількість навитих шарів; К - задана кратність ослаблення при визначеній енергії; m' - лінійний коефіцієнт класичного ослаблення шарів з елементів обраного матеріалу; tТК - товщина смуги тканого матеріалу; Вn - приведена товщина шарів з обраних елементів матеріалів наповнювача на смузі тканого матеріалу щодо заданої кратності ослаблення. Вф - фактична товщина шарів, армованих полідисперсним наповнювачем шарів на смузі тканого матеріалу, щодо заданої кратності ослаблення. Кожен армований шар розміщений із двох сторін смуги тканого матеріалу. У якості смуги тканого матеріалу застосована склотканина. Виконання стінки корпусну вигляді багатошарової оболонки навитої із шаруватого матеріалу на основі смуги тканого матеріалу, армованого полідисперсним наповнювачем, дозволяє одержати суцільномотану монолітну конструкцію корпусу, що забезпечує задану кратність ослаблення радіаційного випромінювання в діапазоні енергій від 30 до 662КеВ. За рахунок збільшення кількості тонких шарів з'являється можливість розвитку поверхні теплообміну і збільшення площі контакту шарів. Наявність можливості розвитку поверхні (збільшення поверхні теплообміну за рахунок збільшення числа шарів) дозволяє створити запас за теплорозсіюваючими властивостями, причому забезпечується перетікання теплоносія від шару до шар у, що дозволяє зберегти теплорозсіюваючі властивості стінки при зміні просторової орієнтації контейнера. Виконання стінки корпусу з навитих один на другий шарів, попередньо просоченої смуги тканого матеріалу напівсухою сумішшю полідисперсного наповнювача, а потім шаром зі зв'язного, армованого тим же наповнювачем, дозволить значно підвищити адгезійну міцність двостороннього поверхневого з'єднання шарува того матеріалу зі строгою орієнтацією волокон і одержати суцільнопластикову монолітну конструкцію. Адгезійної міцності сприяє розташування однакових шарів із двох сторін смуги, тому що взаємодія навитих шарів між собою відбувається по зовнішніх поверхнях матеріалу. Це дозволить одержати стінку корпусу з подвоєною кількістю армованих шарів, що чергуються з одним шаром армуючої смуги. Армовані шари виконують функцію корозійностійкої оболонки, а армуюча смуга - функцію несучої оболонки. За рахунок армування кожного шару полідисперсним наповнювачем підвищуються міцносні і радіаційно-захисні властивості корпусу. Виконання стінки корпусу, із шаруватого матеріалу, армованого полідисперсним наповнювачем, забезпечує максимальне упакування часток наповнювача в одиниці об'єму, за рахунок чого відбувається утворення однорідної композиційної структури, що сприяє підвищенню однорідності кожного шару. За рахунок виконання першого шару з напівсухої суміші полідисперсних часток, а наступних - зі зв'язного, армованих тим же наповнювачем, відбувається утворення агрегативно-стійкої системи і забезпечується проникнення одного шару в іншій на межі їхньої взаємодії, що запобігає розшаруванню матеріалу при його отвердінні. Крім того, відбувається проникнення полідисперсних часток посилюючого наповнювача у волокна тканої смуги, при цьому забезпечується максимальне її насичення. Перемішуванням зв'язного з полідисперсними частками наповнювача забезпечується проникнення часток одного матеріалу в іншій, за рахунок чого відбувається максимальний ступінь упакування часток наповнювача і взаємодія різного роду матеріалів. Полідисперсні частки, що володіють високою поверхневою активністю забезпечують найбільший ефект ущільнення матеріалу, що володіє одночасно аномальними радіаційно-захисними властивостями за рахунок реалізації ефекту відповідно до відкриття [«Явище аномального ослаблення рентгенівського випромінювання ультрадисперсними середовищами» Диплом № 57 Міжнародної Асоціації авторів наукових відкриттів]. Відкриття відноситься до фізики полідисперсних моно- і багатоелементних середовищ, зокрема, взаємодії з ними рентгенівського випромінювання. Автори відкриття досліджували діапазон полідисперсних часток розміром від 10 до 1000мкм, що широко використовується в сучасній технології і не вимагає ніяких спеціальних обмежень при виготовленні, транспортуванні, збереженні і використанні. Експериментально доведено, що при взаємодії радіоактивного випромінювання з дрібнодисперсними середовищами спостерігаються істотні відхилення від відомої залежності Бугера, тобто має місце надослаблення радіоактивного випромінювання. Причиною цього є самоорганізація моно- і полідисперсних часток у систему енергетично взаємозалежних ансамблів завдяки сегрегації шляхом перемішування сухої полідисперсної суміші [див. патент РФ №2121177, МПК6 G21F1/10, опубл, 10.27.98]. Зменшення товщини стінки і збереження фізико-механічної міцності корпусу забезпечується за рахунок армування полімерного матеріалу полідисперсним наповнювачем. Використання в пропонованому матеріалі у якості смуги тканого матеріалу склотканина, дозволяє підвищити механічну міцність матеріалу, а також його термостійкість, а, також і надійність (термостійкість склотканини складає 900°С). Відомо, що ослаблення інтенсивності випромінювання [К. Джоне. «Фізика радіології». Атомиздат. М. 1965р., стор.32-33) шаром матеріалу товщиною х відповідно до загальновідомої залежності Бугера відбувається по експонентному закону: (1) І=І0·е-m х де: І - інтенсивність випромінювання, що пройшло шар матеріалу товщиною х; І0 - інтенсивність падаючого випромінювання; е - підстава натурального логарифма, рівна 2,718; m - лінійний коефіцієнт ослаблення (таблична регламентована величина для кожного поглинаючого випромінюванняелементів матеріалу) дорівнює відносному зменшенню інтенсивності, створюваному поглиначем товщиною 1см. При збільшенні кількості шарів поглинача зменшення інтенсивності, створюване кожним шаром, стає усе менше. Отже, поглинена кількість буде меншою, а минула інтенсивність - більшою. При більшому коефіцієнті ослаблення потрібно розглядати більш тонкі шари. Кількість шарів визначає товщину захисту стінки корпусу із шаруватого матеріалу для різних кратностей ослаблення. Відповідно до заявленого вираження можливо визначати оптимальну товщину стінки для максимального поглинання, зв'язуючи з міцносними характеристиками. Кількість навитих шарів регламентовано заданою кратністю ослаблення радіоактивного випромінювання в діапазоні енергій від 30 до 662КеВ і його можливо визначати для конкретних умов. Приклад №1. Кількість навитих шарів при наступних умовах: задана кратність ослаблення К=2 і задана енергія випромінювання 30КеВ, визначено з виразу: ln К Вn nc = × (2) m' t ТК Вф Для цього визначаємо ΙnК=0,693. Як смуга тканого матеріалу застосовується тканина Т-11, що має щільність р=1,68г/см 3 і товщину tТК=0,62см. m'=0,455 1/см (табличне значення). Тоді, підставивши дані у формулу (1) одержимо приведену товщину шарів з матеріалу (обраного наповнювача) на смузі склотканини щодо кратності ослаблення К=2 Вn=1,533см. Фактична товщина армованих шарів на смузі тканого матеріалу (Вф ) визначається радіометричним методом по виготовленому зразку препрега з заданими технологічними вимогами полідисперсного наповнювача МСВ-1 (ТУ 24.6-20255452-009-2002) Приклад розрахований для полідисперсного наповнювача в складі із суміші вольфраму з двоокисом кремнію щільність р=1,5г/см 3. Дисперсність 5,6мкм. Вф =0,368см, ln К Вn 0,693 1,533 nc = × = × = 15 шарів m' t ТК В ф 0,455 × 0,62 0,368 тоді Приклад № 2. Кількість навитих шарів при наступних умовах: К=2 і енергіі випромінювання 662КеВ, визначено з виразу (2). Тоді ІnК=0,693 Як основа застосовується тканина Т-11, що має щільність р=1,68г/см 3 і товщин у tТК=0,62см, m=0,205 1/см (табличне значення). Тоді, підставивши дані у формулу (1), одержимо приведену товщину В n=3,48см. Вф визначається радіометричним методом по виготовленому зразку препрега з заданими технологічними вимогами полідисперсного наповнювача МСВ-1 (ТУ 24.6-20255452-009-2002) Для наповнювача в складі суміші вольфраму з двоокисом кремнію Вф =0,65см, ln К Вn 0,693 3 ,48 nc = × = × = 28шарів m' t ТК Вф 0,205 × 0,62 0,65 тоді Виконання корпусу з навитого шарами шаруватого матеріалу дозволить підвищити надійність, стійкість до радіоактивного випромінювання, і його можна використовувати для захисту, як від рентгенівського, так і гамма-випромінювань, і тим самим розширити область його застосування в діапазоні енергій від 30 до 662КеВ. Кількістю шарів визначається оптимальна товщина для максимального поглинання при заданій кратності ослаблення. Виконанням корпусу у вигляді багатошарової стінки забезпечується можливість одержання корпусу в чистовому варіанті, який не вимагає установку додаткових оболонок і покрить, що підсилюють чи захищають корпус, без чого досягається підвищення надійності корпусу і збільшення його терміну служби. Конструкція стінки корпусу виконана у вигляді "кокона" методом намотування із шаруватої смуги з кроком рівним її ширині забезпечує збереження рівномірності намотування шарів по висоті корпуса; и одержання необхідної товщини стінки корпусу, утвореної числом шарів, отриманих розрахунковим шляхом. Це дозволяє зробити регульованим процес виготовлення корпусу для визначених умов експлуатації. Немає необхідності змінювати технологічний процес для виготовлення виробів по типорозмірах. Досить розрахувати кількість шарів відповідно до заданого коефіцієнту ослаблення. Це дозволяє уніфікувати процес виготовлення корпусу. Також немає необхідності робити велику кількість експериментальних досліджень для одержання необхідного коефіцієнта ослаблення товщини стінки корпусу. Виготовлення захисного корпусу, виконаного навитим із шаруватої смуги склотканини, реалізується таким способом. Для виготовлення корпусу захисного контейнера спочатку готують смугу склотканини Т-11 шириною 15см, потім її заправляють у просочувальну машину, зважують і готують необхідні вихідні компоненти. У якості зв'язного для просочення смуг склотканини використовують епоксидну смолу ЕДТ-10П с добавкою, що модифікує, ПВТ-У (ТУ 48-19-352-83). В одній ємності змішують компоненти для одержання напівсухої суміші полідисперсного наповнювача МСВ-1 (ТУ 24.6-20255452-009-2002). В іншій ємності змішують епоксидну смолу ЕДТ-10-П з тим же наповнювачем. В обох ємностях установлюють колектор для подачі в неї стиснутого повітря для того, щоб порошок знаходився в зваженому стані, тобто стані «кипіння». Спочатку смугу просочують у першій ємності. Час витримки визначається насиченням склотканини полідисперсним наповнювачем в кількості 8-12% від її маси. Просочення проводять при швидкості 3040м/год. Потім отриманий матеріал занурюють у др угу ємність. Час витримки для другого шару залежить від насичення армованим зв'язним у кількості 28-32% від маси склотканини. Потім здійснюють отвердіння отриманого шаруватого матеріалу при підвищенні температури від 70°С до 90°С.По мірі виробки зв'язного, його доповнюють порціями попередньо приготовленої суміші, перемішуючи перед кожним додаванням. Отриманий матеріал заправляють на оправу з цапфами, установлюють на намотувальний верстат і роблять кільцеве намотування. Крок намотування дорівнює ширині смуги склотканини. Товщина стінки корпуcу утвориться кількістю навитих шарів і визначається попередньо, відповідно до заданої кратності ослаблення радіоактивного випромінювання в діапазоні енергій від 30 до 662КеВ з урахуванням конкретних умов його експлуатації. Після намотування товщини корпусі роблять термообробку при підвищенні температури від 60 до 140°С. Ємності корпусу призначені для транспортувального контейнера, як для хімікатів, так і радіаційних відходів з можливістю установки їх на транспортні засоби. У відмінність від раніше освоєної, отримана суцільнопластикова монолітна конструкція корпусу дозволяє відмовитися від установки металевої несучої оболонки. Основними критеріями при виборі наповнювачів і зв'язних для полімерно-композиційної ємності з кола матеріалів, які застосовують у діючих виробництвах, служить кратність поглинання, їхні високі механічні показники, їхня мала корозійна стійкість і вартісні показники. За рахунок зменшення товщини кожного шару зменшується товщина стінки корпусу зі збереженням високих радіаційно-захисних характеристик і збільшується його корисний об'єм. Пропонована конструкція корпусу має наступні позитивні особливості: - суцільнопластиковий монолітний корпус; - висока міцність конструкції; - мала номенклатура конструкційних матеріалів; - високий ступінь механізації виробничого процесу виготовлення корпусу. Конструктивне виконання заявленого корпусу дозволить одержати легкі, міцні, корозійностійкі з високою теплопровідністю захисні контейнери діаметром до 300мм, висотою до 650мм, об'ємом до 50дм 3 і масою до 27кг. Забезпечення радіаційного захисту в діапазоні енергій від 30 до 662КеВ дозволяє розширити діапазон застосування технічного рішення, що заявляється. Технічний результат винаходу полягає в тому, що корпус, який заявляється, дозволяє одержувати пересувні, надійні й економічні в експлуатації контейнери із заданими фізико-механічними параметрами, що відповідають визначеній товщині стінки, що забезпечує задану кратність поглинання. Уніфікація корпусів дозволяє значно спростити технологію виготовлення контейнера, підвищити продуктивність праці і, відповідно, знизити вартість контейнера. Використовувана для виготовлення контейнера сировина випускається підприємствами України. Виготовлений дослідний зразок корпусу і проведені випробування, що підтверджують усі переваги конструкції, яка заявляється. Ресурс роботи контейнера з пропонованим корпусом у порівнянні з традиційними конструкціями збільшується в 2-3 рази. Одночасно забезпечується зниження енерговитрат і матеріалоємності в 2-5 разів, що веде до зменшення кошт, що ви трачаються на матеріали, транспортування і монтажні роботи.