Primjena rijetkih zemaljskih elemenata u nuklearnim materijalima

1 、 Definicija nuklearnih materijala

U širokom smislu, nuklearni materijal je opći pojam za materijale koji se koriste isključivo u nuklearnoj industriji i nuklearnim znanstvenim istraživanjima, uključujući materijale nuklearnog goriva i nuklearnog inženjerstva, tj. Materijal bez nuklearnog goriva.

Općenito se odnosi na nuklearne materijale uglavnom se odnose na materijale koji se koriste u različitim dijelovima reaktora, poznati i kao reaktorski materijali. Reaktorski materijali uključuju nuklearno gorivo koje podliježe nuklearnoj fisiji pod bombardiranjem neutrona, obloge materijala za komponente nuklearnog goriva, hladnjaka, moderatora neutrona (moderatori), materijale upravljačkih štapova koji snažno apsorbiraju neutrone i reflektirajuće materijale koji sprječavaju curenje neutrona izvan reaktora.

2 、 povezani odnos između rijetkih zemaljskih resursa i nuklearnih resursa

Monazit, koji se naziva i fosfokerit i fosfokerit, uobičajeni je dodatni mineral u magnetskoj stijeni i metamorfnom stijeni srednje kiseline. Monazit je jedan od glavnih minerala rijetke metalne rude, a postoji i u nekim sedimentnim stijenama. Smeđe crveno, žuto, ponekad smeđe žuto, s masnim sjajem, potpunim cijepanjem, tvrdoćom Mohs od 5-5,5 i specifičnom težinom od 4,9-5,5.

Glavna ruda mineral nekih ležišta rijetkih zemalja u Kini je monazit, uglavnom se nalazi u Tongchengu, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan i HE okrug, Guangxi. Međutim, ekstrakcija resursa rijetkih zemalja tipa Placer često nema ekonomski značaj. Usamljeni kamenje često sadrže refleksivne elemente torija, a ujedno su i glavni izvor komercijalnog plutonija.

3 、 Pregled primjene rijetke zemlje u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji na temelju panoramske analize patenta

Nakon što se ključne riječi elemenata za pretraživanje rijetkih zemalja u potpunosti prošire, oni se kombiniraju s ključevima za širenje i klasifikacijskim brojevima nuklearne fisije i nuklearne fuzije, te se pretražuju u bazi podataka INCOPT. Datum pretraživanja je 24. kolovoza 2020. 4837 patenti su dobiveni nakon jednostavnog spajanja obitelji, a 4673 patenata utvrđeno je nakon smanjenja umjetne buke.

Primjene rijetke Zemlje u području nuklearne fisije ili nuklearne fuzije raspoređene su u 56 zemalja/regija, uglavnom koncentriranih u Japanu, Kini, Sjedinjenim Državama, Njemačkoj i Rusiji, itd. Znatan broj patenata primjenjuje se u obliku PCT -a, od kojih su se povećavale kineske patentne tehnološke aplikacije, posebno od 2009. godine, u skladu s brzinom rasta i Japana.

Slika 1. Trend primjene tehnoloških patenata koji se odnose na primjenu rijetke zemlje u nuklearnoj nuklearnoj fisiji i nuklearnoj fuziji u zemljama/regijama

Iz analize tehničkih tema može se vidjeti da se primjena rijetke zemlje u nuklearnoj fuziji i nuklearna fisija usredotočuje na elemente goriva, scintilatore, detektore zračenja, aktinide, plazme, nuklearne reaktore, oklopljene materijale, apsorpciju neutrona i druge tehničke upute.

4 、 Specifične primjene i ključno patentno istraživanje rijetkih zemaljskih elemenata u nuklearnim materijalima

Među njima su reakcije nuklearne fuzije i nuklearne fisije u nuklearnim materijalima intenzivne, a zahtjevi za materijale su strogi. Trenutno su energetski reaktori uglavnom reaktori nuklearne fisije, a fuzijski reaktori mogu se popularizirati u velikoj mjeri nakon 50 godina. Primjenarijetka zemljaelementi u strukturnim materijalima reaktora; U specifičnim nuklearnim kemijskim poljima, rijetki se zemaljski elementi uglavnom koriste u upravljačkim šipkama; Pored,skandijumtakođer se koristio u radiokemiji i nuklearnoj industriji.

（1） Kao zapaljivi otrov ili upravljačka šipka za podešavanje razine neutrona i kritičnog stanja nuklearnog reaktora

U napajanju reaktora, početna preostala reaktivnost novih jezgara općenito je relativno visoka. Osobito u ranim fazama prvog ciklusa punjenja goriva, kada je sve nuklearno gorivo u jezgri novo, preostala je reaktivnost najveća. U ovom trenutku, oslanjanje isključivo na povećanje upravljačkih šipki kako bi se nadoknadila zaostala reaktivnost uvela bi više kontrolnih šipki. Svaka upravljačka šipka (ili snop štapa) odgovara uvođenju složenog vožnje. S jedne strane, to povećava troškove, a s druge strane, otvaranje rupa u glavi tlačne posude može dovesti do smanjenja strukturne čvrstoće. Ne samo da je neekonomičan, već i nije dopušteno da ima određenu količinu poroznosti i strukturne čvrstoće na glavi tlačne posude. Međutim, bez povećanja kontrolnih šipki, potrebno je povećati koncentraciju kemijskih kompenzacijskih toksina (poput borne kiseline) kako bi se nadoknadila preostala reaktivnost. U ovom slučaju, koncentracija borova lako je premašiti prag, a temperaturni koeficijent moderatora postat će pozitivan.

Kako bi se izbjegli gore navedeni problemi, za kontrolu se općenito može koristiti kombinacija zapaljivih toksina, upravljačkih šipki i kontrola kemijske kompenzacije.

（2） kao dopant za poboljšanje performansi strukturnih materijala reaktora

Reaktori zahtijevaju strukturne komponente i elemente goriva da imaju određenu razinu čvrstoće, otpornosti na koroziju i visoku toplinsku stabilnost, a istovremeno sprječavaju da proizvodi fisije uđu u rashladno sredstvo.

1) .Rare Zemaljski čelik

Nuklearni reaktor ima ekstremne fizičke i kemijske uvjete, a svaka komponenta reaktora također ima visoke potrebe za posebnim čelikom. Rijetki elementi Zemlje imaju posebne učinke modifikacije na čelik, uglavnom uključujući pročišćavanje, metamorfizam, mikroliziranje i poboljšanje otpornosti na koroziju. Rijedna zemlja koja sadrži čelike također se široko koriste u nuklearnim reaktorima.

① Učinak pročišćavanja: Postojeća istraživanja pokazala su da rijetke Zemlje imaju dobar učinak pročišćavanja na rastopljeni čelik pri visokim temperaturama. To je zato što rijetke zemlje mogu reagirati s štetnim elementima poput kisika i sumpora u rastopljenom čeliku kako bi se stvorile visokotemperaturne spojeve. Spojevi s visokim temperaturama mogu se istaknuti i isprazniti u obliku uključivanja prije kondenzata rastopljenog čelika, smanjujući na taj način sadržaj nečistoće u rastopljenom čeliku.

② Metamorfizam: S druge strane, oksidi, sulfidi ili oksisulfidi nastali reakcijom rijetke zemlje u rastaljenom čeliku s štetnim elementima poput kisika i sumpora mogu se djelomično zadržati u rastaljenom čeliku i postaju uključivanja čelika s visokom talicom. Ove se inkluzije mogu koristiti kao heterogeni nuklearni centri tijekom očvršćivanja rastaljenog čelika, poboljšavajući tako oblik i strukturu čelika.

③ Mikroveziranje: Ako se dodatak rijetke zemlje dodatno povećava, preostala rijetka zemlja će se otopiti u čeliku nakon što se završe gornje pročišćavanje i metamorfizam. Budući da je atomski polumjer rijetke zemlje veći od onog atoma željeza, rijetka zemlja ima veću površinsku aktivnost. Tijekom postupka rastopljenog čelika, rijetki elementi Zemlje obogaćuju se na granici zrna, što može bolje smanjiti segregaciju elemenata nečistoće na granici zrna, jačajući tako čvrstu otopinu i igrajući ulogu mikrojaliziranja. S druge strane, zbog karakteristika skladištenja vodika rijetkih zemalja, oni mogu apsorbirati vodik u čelik, učinkovito poboljšavajući fenomen čelika vodika.

④ Poboljšanje otpornosti na koroziju: Dodatak rijetkih zemaljskih elemenata također može poboljšati korozijsku otpornost čelika. To je zato što rijetke Zemlje imaju veći potencijal za koroziju od nehrđajućeg čelika. Stoga, dodavanje rijetkih Zemlja može povećati potencijal samo -korozije od nehrđajućeg čelika, poboljšavajući tako stabilnost čelika u korozivnim medijima.

2). Ključna studija patenta

Ključni patent: Patent izuma disperzije oksida ojačao je čelik s niskom aktivacijom i njezin način pripreme Instituta za metale, Kineska akademija znanosti

Patent abstract: Provided is an oxide dispersion strengthened low activation steel suitable for fusion reactors and its preparation method, characterized in that the percentage of alloy elements in the total mass of the low activation steel is: the matrix is ​​Fe, 0.08% ≤ C ≤ 0.15%, 8.0% ≤ Cr ≤ 10.0%, 1.1% ≤ W ≤ 1.55%, 0.1% ≤ V ≤ 0.3%, 0.03% ≤ ta ≤ 0,2%, 0,1 ≤ mn ≤ 0,6%i 0,05%≤ y2O3 ≤ 0,5%.

Proces proizvodnje: Fe-Cr-WV-Ta-Mn Majke topljenje legura, atomizacija praha, visokoenergetsko mljevenje kuglice matične legure iY2o3 nanočesticaMiješani prah, ekstrakcija praha, ekstrakcija zaliha, oblikovanje učvršćivanja, vruće kotrljanje i toplinska obrada.

Rijetka metoda dodavanja zemlje: dodajte nanoscaleY2o3Čestice na matičnu leguru atomizirani prah za visokoenergetsko mljevenje kuglice, s tim da je medij za glodanje kuglice φ 6 i φ 10 miješanih kuglica tvrdog čelika, s atmosferom mljevenja kuglice od 99,99% argonskog plina, omjerom mase kuglice (8-10): 1, mljevenjem kuglice od 40-500 sati i rotiracijskom brzini.

3.

① Načelo zaštite od neutronskog zračenja

Neutroni su komponente atomskih jezgara, sa statičkom masom od 1,675 × 10-27kg, što je 1838 puta veća od elektroničke mase. Njegov polumjer je približno 0,8 × 10-15m, slične veličine kao protona, slične γ zrake su podjednako neispravne. Kad neutroni komuniciraju s materijom, oni uglavnom komuniciraju s nuklearnim silama unutar jezgre i ne komuniciraju s elektronima u vanjskoj ljusci.

Brzim razvojem tehnologije nuklearne energije i nuklearnog reaktora, sve više i više pozornosti posvećeno je sigurnosti nuklearnog zračenja i zaštiti nuklearnog zračenja. Kako bi se ojačala zaštita od zračenja za operatore koji su dugo sudjelovali u održavanju zračenja i spašavanju nesreća, od velikog je znanstvenog značaja i ekonomske vrijednosti za razvoj laganih zaštitnih kompozita za zaštitnu odjeću. Neutronsko zračenje najvažniji je dio zračenja nuklearnog reaktora. Općenito, većina neutrona u izravnom kontaktu s ljudskim bićima usporena je do niskoenergetskih neutrona nakon efekta strukturnih materijala neutrona unutar nuklearnog reaktora. Neutroni s niskom energijom sudarit će se s jezgrama s nižim atomskim brojem elastično i nastavljaju se moderirati. Moderirani toplinski neutroni apsorbirat će se elementima s većim presjecima apsorpcije neutrona, a konačno će se postići oklop neutrona.

② Ključna studija patenta

Porozna i organsko-i-i-a-hibridna svojstvaRijetka Zemljina elementgadolinijumMetalni organski kosturni materijali na bazi se povećavaju njihovu kompatibilnost s polietilenom, promovirajući sintetizirane kompozitne materijale kako bi imali veći sadržaj gadolinija i disperziju gadolinija. Visoki sadržaj gadolinija i disperzija izravno će utjecati na performanse oklopnih neutrona kompozitnih materijala.

Ključni patent: HEFEI Institut za znanost o materijalima, Kineska akademija znanosti, izum patent organskog okvira sa kompozitnom zaštitnom materijalom temeljenom na gadolinijumu i njezin način pripreme

Sažetak patenta: Metalni organski organski kostur na bazi gadolinija kompozitni materijal je kompozitni materijal nastao miješanjemgadolinijumMetalni organski kosturni materijal na bazi polietilena u omjeru težine od 2: 1: 10 i formira ga kroz isparavanje otapala ili vruće prešanje. Metalni organski organski kosturni kompozitni zaštitni materijali na bazi gadolinija imaju visoku toplinsku stabilnost i sposobnost oklopljenja toplinskog neutrona.

Proces proizvodnje: odabir različitihgadolinium metalSoli i organski ligandi za pripremu i sintetiziranje različitih vrsta metalnih organskih kostura na bazi gadolinija, pranje ih malim molekulama metanola, etanola ili vode centrifugiranjem i aktiviranje na visokoj temperaturi u vakuumskim uvjetima kako bi se u potpunosti uklonili neobični materijali u kariku GDOLINOUM -a; Organometalni kosturni materijal na bazi gadolinija pripremljen u koraku miješa se s polietilen losionom velikom brzinom ili ultrazvučno, ili organometalni kosturni materijal na bazi gadolinija, pripremljen u koraku, pomiješan je s ultra-visokom polietilenom molekularne mase na velikoj temperaturi na visokoj temperaturi; U kalupu stavite jednolično miješani metalni organski skeletni materijal na bazi gadolinija, i dobijte formirani metalni organski kosturni kompozitni zaštitni materijal na bazi gadolinija, sušenjem za promicanje isparavanja otapala ili vrućeg prešanja; Pripremljeni metalni organski kosturni kompozitni zaštitni materijal na bazi gadolinija značajno je poboljšao toplinsku otpornost, mehanička svojstva i superiornu sposobnost zaštite od termičkog neutrona u usporedbi s čistim polietilenskim materijalima.

Način dodavanja rijetke zemlje: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 ili GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 Porozni kristalni koordinacijski polimer koji sadrži gadolinium, koji se dobiva koordinacijskom polimerizacijom polimerizacijeGD (NO3) 3 • 6H2O ili GDCL3 • 6H2Oi organski karboksilatni ligand; Veličina metalnog organskog kosturnog materijala na bazi gadolinija je 50nm-2 µm ； ； ； gadolinium metalni organski kosturni materijali imaju različite morfologije, uključujući granularne, oblike u obliku šipke ili oblika igle.

（4） PrimjenaSkandijumu radiokemiji i nuklearnoj industriji

Metal Scandium ima dobru toplinsku stabilnost i snažne performanse apsorpcije fluora, što ga čini nezamjenjivim materijalom u industriji atomske energije.

Ključni patent: Kineski zrakoplovni razvoj Peking Institut za zrakoplovne materijale, izum patent za aluminijsku leguru magnezija za cink i njegova metoda pripreme

Sažetak patenta: aluminijski cinklegura magnezija skandijumai njezin način pripreme. Kemijski sastav i težina postotak aluminijskog cinkovog magnezija Scandium legure su: mg 1,0%-2,4%, Zn 3,5%-5,5%, SC 0,04%-0,50%, Zr 0,04%-0,35%, Cu ≤ 0,2, 0,2, SI ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,2, Fe ≤ 0,2%, SI ≤ 0,2%, SI ≤ 0,2%, SI ≤ 0,2%, SI ≤ 0,2, Fe ≤ 0,2, SI ≤ 0,2, Fe ≤ 0,2, SI ≤ 0,2, Fe ≤ 0,2, SI ≤ 0,2, Fe ≤ 0,2, Fe ≤ 0,2. 0,15%, a preostali iznos je al. Mikrostruktura ovog aluminijskog cinkovog magnezijevog materijala s skandijuma je ujednačena, a njegova je performansa stabilna, s krajnjom vlačnom čvrstoćom od preko 400MPa, čvrstoćom prinosa od preko 350MPa i čvrstoćom zatezanja od preko 370MPA za zavarene spojeve. Materijalni proizvodi mogu se koristiti kao strukturni elementi u zrakoplovnoj, nuklearnoj industriji, prijevozu, sportskoj robi, oružju i drugim poljima.

Proces proizvodnje: Korak 1, sastojak prema gornjem sastavama legura; Korak 2: Rastopite se u peći za topljenje na temperaturi od 700 ℃ ~ 780 ℃; Korak 3: pročistite potpuno rastopljenu metalnu tekućinu i održavajte temperaturu metala u rasponu od 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​tijekom rafiniranja; Korak 4: Nakon rafiniranja, trebalo bi mu u potpunosti dopustiti da mirno stane; Korak 5: Nakon potpuno stajanja, počnite lijevati, održavajte temperaturu peći u rasponu od 690 ℃ ~ 730 ℃, a brzina lijevanja je 15-200 mm/minutu; Korak 6: Izvršite homogenizacijsko tretman za žarenje na leguri ingota u peći za grijanje, s temperaturom homogenizacije od 400 ℃ ~ 470 ℃; Korak 7: Ogulite homogenizirani ingot i izvodite vruću ekstruziju kako biste proizveli profile debljine stijenke od preko 2,0 mm. Tijekom postupka ekstruzije, gredicu treba održavati na temperaturi od 350 ℃ do 410 ℃; Korak 8: Stisnite profil za liječenje u gašenju otopine, s temperaturom otopine od 460-480 ℃; Korak 9: Nakon 72 sata gašenja čvrste otopine, ručno prisiljavanje. Sustav starenja ručnog sile je: 90 ~ 110 ℃/24 sata+170 ~ 180 ℃/5 sati, ili 90 ~ 110 ℃/24 sata+145 ~ 155 ℃/10 sati.

5 、 Sažetak istraživanja

U cjelini, rijetke se Zemlje široko koriste u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji, a imaju mnogo patentnih izgleda u takvim tehničkim smjerovima kao što su pobuda rendgenskih zraka, stvaranje plazme, reaktor lagane vode, transuran, uranil i oksidni prah. Što se tiče reaktora, rijetke se zemlje mogu koristiti kao strukturni materijali reaktora i srodni keramički izolacijski materijali, upravljački materijali i materijali za zaštitu od neutronskog zračenja.