1. Definicija nuklearnih materijala
U širem smislu, nuklearni materijal je opći pojam za materijale koji se koriste isključivo u nuklearnoj industriji i nuklearnim znanstvenim istraživanjima, uključujući nuklearno gorivo i materijale za nuklearno inženjerstvo, tj. nenuklearne gorivne materijale.
Uobičajeno nazivani nuklearni materijali uglavnom se odnose na materijale koji se koriste u raznim dijelovima reaktora, također poznate kao reaktorski materijali. Reaktorski materijali uključuju nuklearno gorivo koje prolazi kroz nuklearnu fisiju pod neutronskim bombardiranjem, materijale za oblaganje komponenti nuklearnog goriva, rashladna sredstva, moderatore neutrona, materijale kontrolnih šipki koji snažno apsorbiraju neutrone i reflektirajuće materijale koji sprječavaju curenje neutrona izvan reaktora.
2. Supovezani odnos između resursa rijetkih zemalja i nuklearnih resursa
Monazit, također nazvan fosfocerit i fosfocerit, čest je pomoćni mineral u intermedijarno kiselim magmatskim stijenama i metamorfnim stijenama. Monazit je jedan od glavnih minerala ruda rijetkih zemnih metala, a postoji i u nekim sedimentnim stijenama. Smećkastocrvene, žute, ponekad smećkastožute boje, s masnim sjajem, potpunim cijepanjem, Mohsovom tvrdoćom od 5-5,5 i specifičnom težinom od 4,9-5,5.
Glavni rudni mineral nekih nalazišta rijetkih zemalja tipa placer u Kini je monacit, koji se uglavnom nalazi u Tongchengu, Hubeiju, Yueyangu, Hunanu, Shangraou, Jiangxiju, Menghaju, Yunnanu i okrugu He u Guangxiju. Međutim, vađenje resursa rijetkih zemalja tipa placer često nema ekonomski značaj. Pojedinačno kamenje često sadrži refleksivne torijeve elemente i ujedno je glavni izvor komercijalnog plutonija.
3. Pregled primjene rijetkih zemalja u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji na temelju panoramske analize patenta
Nakon što se ključne riječi za pretraživanje rijetkih zemalja u potpunosti prošire, kombiniraju se s ključevima proširenja i klasifikacijskim brojevima nuklearne fisije i nuklearne fuzije te se pretražuju u bazi podataka Incopt. Datum pretraživanja je 24. kolovoza 2020. 4837 patenata dobiveno je nakon jednostavnog spajanja obitelji, a 4673 patenta određeno je nakon umjetnog smanjenja šuma.
Prijave patenata za rijetke zemlje u području nuklearne fisije ili nuklearne fuzije raspoređene su u 56 zemalja/regija, uglavnom koncentriranih u Japanu, Kini, Sjedinjenim Američkim Državama, Njemačkoj i Rusiji itd. Značajan broj patenata prijavljuje se u obliku PCT-a, od čega su kineske prijave patentne tehnologije u porastu, posebno od 2009. godine, ulazeći u fazu brzog rasta, a Japan, Sjedinjene Američke Države i Rusija nastavljaju s razvojem u ovom području dugi niz godina (Slika 1).
Slika 1 Trend prijave tehnoloških patenata vezanih uz primjenu rijetkih zemalja u nuklearnoj fisiji i nuklearnoj fuziji u zemljama/regijama
Iz analize tehničkih tema vidljivo je da se primjena rijetkih zemalja u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji usredotočuje na gorivne elemente, scintilatore, detektore zračenja, aktinide, plazme, nuklearne reaktore, zaštitne materijale, apsorpciju neutrona i druge tehničke smjerove.
4. Specifične primjene i ključna patentna istraživanja rijetkozemnih elemenata u nuklearnim materijalima
Među njima, reakcije nuklearne fuzije i nuklearne fisije u nuklearnim materijalima su intenzivne, a zahtjevi za materijale su strogi. Trenutno su energetski reaktori uglavnom nuklearni fisijski reaktori, a fuzijski reaktori mogli bi postati popularizirani u velikim razmjerima nakon 50 godina. Primjenarijetka zemljaelementi u materijalima za konstrukciju reaktora; U specifičnim područjima nuklearne kemije, rijetkozemni elementi se uglavnom koriste u kontrolnim šipkama; Osim toga,skandijtakođer se koristi u radiokemiji i nuklearnoj industriji.
(1) Kao zapaljivi otrov ili kontrolna šipka za podešavanje razine neutrona i kritičnog stanja nuklearnog reaktora
U energetskim reaktorima, početna preostala reaktivnost novih jezgri općenito je relativno visoka. Posebno u ranim fazama prvog ciklusa punjenja gorivom, kada je svo nuklearno gorivo u jezgri novo, preostala reaktivnost je najveća. U ovom trenutku, oslanjanje isključivo na povećanje broja kontrolnih šipki radi kompenzacije preostale reaktivnosti uvelo bi više kontrolnih šipki. Svaka kontrolna šipka (ili snop šipki) odgovara uvođenju složenog pogonskog mehanizma. 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 neekonomično, već nije dopuštena ni određena količina poroznosti i strukturne čvrstoće na glavi tlačne posude. Međutim, bez povećanja broja kontrolnih šipki, potrebno je povećati koncentraciju kemijskih kompenzacijskih toksina (poput borne kiseline) kako bi se kompenzirala preostala reaktivnost. U tom slučaju, lako je da koncentracija bora prijeđe prag, a temperaturni koeficijent moderatora postat će pozitivan.
Kako bi se izbjegli prethodno spomenuti problemi, općenito se može koristiti kombinacija zapaljivih toksina, kontrolnih šipki i kemijske kompenzacijske kontrole.
(2) Kao dopant za poboljšanje performansi konstrukcijskih materijala reaktora
Reaktori zahtijevaju da strukturne komponente i gorivni elementi imaju određenu razinu čvrstoće, otpornosti na koroziju i visoke toplinske stabilnosti, a istovremeno sprječavaju ulazak produkata fisije u rashladno sredstvo.
1) .Rijetki zemni čelik
Nuklearni reaktor ima ekstremne fizičke i kemijske uvjete, a svaka komponenta reaktora također ima visoke zahtjeve za specijalni čelik koji se koristi. Rijetkozemni elementi imaju posebne modifikacijske učinke na čelik, uglavnom uključujući pročišćavanje, metamorfizam, mikrolegiranje i poboljšanje otpornosti na koroziju. Čelici koji sadrže rijetkozemne elemente također se široko koriste u nuklearnim reaktorima.
① Učinak pročišćavanja: Postojeća istraživanja pokazala su da rijetke zemlje imaju dobar učinak pročišćavanja rastaljenog čelika na visokim temperaturama. To je zato što rijetke zemlje mogu reagirati sa štetnim elementima poput kisika i sumpora u rastaljenom čeliku stvarajući spojeve visoke temperature. Spojevi visoke temperature mogu se istaložiti i ispustiti u obliku inkluzija prije nego što se rastaljeni čelik kondenzira, čime se smanjuje sadržaj nečistoća u rastaljenom čeliku.
② Metamorfizam: s druge strane, oksidi, sulfidi ili oksisulfidi nastali reakcijom rijetkih zemalja u rastaljenom čeliku sa štetnim elementima poput kisika i sumpora mogu se djelomično zadržati u rastaljenom čeliku i postati inkluzije čelika s visokom točkom taljenja. Ove inkluzije mogu se koristiti kao heterogeni centri nukleacije tijekom skrućivanja rastaljenog čelika, čime se poboljšava oblik i struktura čelika.
③ Mikrolegiranje: ako se dodavanje rijetkih zemalja dodatno poveća, preostale rijetke zemlje će se otopiti u čeliku nakon što se završi gore navedeno pročišćavanje i metamorfoza. Budući da je atomski radijus rijetkih zemalja veći od radijusa atoma željeza, rijetke zemlje imaju veću površinsku aktivnost. Tijekom procesa skrućivanja rastaljenog čelika, elementi rijetkih zemalja obogaćuju se na granici zrna, što može bolje smanjiti segregaciju nečistoća na granici zrna, čime se jača čvrsta otopina i igra uloga mikrolegiranja. S druge strane, zbog karakteristika skladištenja vodika rijetkih zemalja, one mogu apsorbirati vodik u čeliku, čime se učinkovito poboljšava fenomen vodikove krhkosti čelika.
④ Poboljšanje otpornosti na koroziju: Dodatak rijetkih zemalja također može poboljšati otpornost čelika na koroziju. To je zato što rijetke zemlje imaju veći potencijal samokorozije od nehrđajućeg čelika. Stoga, dodavanje rijetkih zemalja može povećati potencijal samokorozije nehrđajućeg čelika, čime se poboljšava stabilnost čelika u korozivnim medijima.
2). Ključna studija patenta
Ključni patent: patent za izum čelika niske aktivacije ojačanog disperzijom oksida i metode njegove pripreme od strane Instituta za metale, Kineske akademije znanosti
Sažetak patenta: Opisan je oksidno disperzijski ojačani čelik niske aktivacije pogodan za fuzijske reaktore i postupak njegove pripreme, karakteriziran time što je postotak legirajućih elemenata u ukupnoj masi čelika niske aktivacije: matrica je 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%.
Proizvodni proces: taljenje Fe-Cr-WV-Ta-Mn matične legure, atomizacija praha, visokoenergetsko kuglično mljevenje matične legure iNanočestica Y2O3miješani prah, ekstrakcija oblaganjem praha, oblikovanje radi skrućivanja, vruće valjanje i toplinska obrada.
Metoda dodavanja rijetkih zemalja: Dodavanje nanoskalnih elemenataY2O3čestice u atomizirani prah osnovne legure za visokoenergetsko kuglično mljevenje, s kuglicama od miješanog tvrdog čelika Φ 6 i Φ 10 kao medijem za kuglično mljevenje, s atmosferom kugličnog mljevenja od 99,99% plina argona, omjerom mase materijala kuglice od (8-10): 1, vremenom kugličnog mljevenja od 40-70 sati i brzinom rotacije od 350-500 o/min.
3). Koristi se za izradu materijala za zaštitu od neutronskog zračenja
① Načelo zaštite od neutronskog zračenja
Neutroni su komponente atomskih jezgri, sa statičkom masom od 1,675 × 10⁻²7 kg, što je 1838 puta veća od elektroničke mase. Njihov polumjer je približno 0,8 × 10⁻¹⁰m, slične veličine protonu, slično γ zracima, a jednako su nenabijeni. Kada neutroni interagiraju s materijom, oni uglavnom interagiraju s nuklearnim silama unutar jezgre, a ne interagiraju s elektronima u vanjskoj ljusci.
S brzim razvojem nuklearne energije i tehnologije nuklearnih reaktora, sve se više pozornosti posvećuje sigurnosti od nuklearnog zračenja i zaštiti od nuklearnog zračenja. Kako bi se ojačala zaštita od zračenja za operatere koji se dugo bave održavanjem opreme za zračenje i spašavanjem u slučaju nesreće, od velikog je znanstvenog značaja i ekonomske vrijednosti razvoj laganih zaštitnih kompozita za zaštitnu odjeću. Neutronsko zračenje najvažniji je dio zračenja nuklearnog reaktora. Općenito, većina neutrona u izravnom kontaktu s ljudima usporena je na neutrone niske energije nakon učinka neutronskog zaštitnog djelovanja strukturnih materijala unutar nuklearnog reaktora. Neutroni niske energije elastično će se sudarati s jezgrama s nižim atomskim brojem i nastaviti će se moderirati. Moderirani toplinski neutroni bit će apsorbirani elementima s većim presjecima apsorpcije neutrona, te će se konačno postići neutronski zaštitni sloj.
② Ključna studija patenta
Porozna i organsko-anorganska hibridna svojstvarijetki zemni elementgadolinijMaterijali na bazi metalnog organskog skeleta povećavaju svoju kompatibilnost s polietilenom, potičući sintetizirane kompozitne materijale da imaju veći sadržaj gadolinija i disperziju gadolinija. Visok sadržaj i disperzija gadolinija izravno će utjecati na performanse neutronske zaštite kompozitnih materijala.
Ključni patent: Hefei Institut za znanost o materijalima, Kineska akademija znanosti, patent za izum kompozitnog zaštitnog materijala na bazi organskog okvira na bazi gadolinija i metoda njegove pripreme
Sažetak patenta: Kompozitni zaštitni materijal od metalnog organskog kostura na bazi gadolinija je kompozitni materijal nastao miješanjemgadolinijna bazi metalnog organskog skeletnog materijala s polietilenom u težinskom omjeru 2:1:10 i oblikovanjem isparavanjem otapala ili vrućim prešanjem. Kompozitni zaštitni materijali od metalnog organskog skeleta na bazi gadolinija imaju visoku toplinsku stabilnost i sposobnost zaštite od toplinskih neutrona.
Proizvodni proces: odabir različitihmetalni gadolinijsoli i organski ligandi za pripremu i sintezu različitih vrsta metaloorganskih skeletnih materijala na bazi gadolinija, njihovo pranje malim molekulama metanola, etanola ili vode centrifugiranjem i aktiviranje na visokoj temperaturi u vakuumskim uvjetima kako bi se u potpunosti uklonile preostale nereagirane sirovine u porama metaloorganskih skeletnih materijala na bazi gadolinija; Organometalni skeletni materijal na bazi gadolinija pripremljen u koraku miješa se s polietilenskom losionom velikom brzinom ili ultrazvučno, ili se organometalni skeletni materijal na bazi gadolinija pripremljen u koraku tali s polietilenom ultra visoke molekularne težine na visokoj temperaturi dok se potpuno ne izmiješa; Stavite jednolično izmiješanu smjesu metaloorganskog skeletnog materijala na bazi gadolinija i polietilena u kalup i dobijete formirani kompozitni zaštitni materijal metaloorganskog skeleta na bazi gadolinija sušenjem radi poticanja isparavanja otapala ili vrućim prešanjem; Pripremljeni kompozitni zaštitni materijal metaloorganskog skeleta na bazi gadolinija ima značajno poboljšanu otpornost na toplinu, mehanička svojstva i superiorniju sposobnost zaštite od toplinskih neutrona u usporedbi s čistim polietilenskim materijalima.
Način dodavanja rijetkih zemalja: Gd2 (BHC)(H2O)6, Gd (BTC)(H2O)4 ili Gd (BDC)1.5(H2O)2 porozni kristalni koordinacijski polimer koji sadrži gadolinij, a koji se dobiva koordinacijskom polimerizacijomGd (NO3)3 • 6H2O ili GdCl3 • 6H2Oi organski karboksilatni ligand; Veličina metalnog organskog skeletnog materijala na bazi gadolinija je 50 nm-2 μm; metalni organski skeletni materijali na bazi gadolinija imaju različite morfologije, uključujući granularne, štapićaste ili igličaste oblike.
(4) PrimjenaSkandiju radiokemiji i nuklearnoj industriji
Skandij ima dobru toplinsku stabilnost i snažnu apsorpciju fluora, što ga čini nezamjenjivim materijalom u industriji atomske energije.
Ključni patent: Kineski institut za razvoj zrakoplovstva Pekinški institut za zrakoplovne materijale, patent za izum za leguru aluminija, cinka, magnezija i skandija i metodu njezine pripreme
Sažetak patenta: Aluminijev cinklegura magnezija i skandijai njegova metoda pripreme. Kemijski sastav i težinski postotak legure aluminija i cinka i magnezija u skandiju su: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, nečistoće Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, ostale pojedinačne nečistoće ≤ 0,05%, ukupne ostale nečistoće ≤ 0,15%, a preostala količina je Al. Mikrostruktura ovog materijala od legure aluminija i cinka i magnezija u skandiju je ujednačena, a performanse stabilne, s vlačnom čvrstoćom većom od 400 MPa, granicom razvlačenja većom od 350 MPa i vlačnom čvrstoćom većom od 370 MPa za zavarene spojeve. Proizvodi od materijala mogu se koristiti kao konstrukcijski elementi u zrakoplovnoj, nuklearnoj industriji, prometu, sportskoj opremi, oružju i drugim područjima.
Proizvodni proces: Korak 1, sastojak prema gore navedenom sastavu legure; Korak 2: Taljenje u peći za taljenje na temperaturi od 700 ℃~780 ℃; Korak 3: Rafiniranje potpuno rastopljene metalne tekućine i održavanje temperature metala u rasponu od 700 ℃~750 ℃ tijekom rafiniranja; Korak 4: Nakon rafiniranja, treba je potpuno pustiti da miruje; Korak 5: Nakon potpunog stajanja, započeti lijevanje, održavati temperaturu peći u rasponu od 690 ℃~730 ℃, a brzina lijevanja je 15-200 mm/min; Korak 6: Izvođenje obrade homogenizacijskog žarenja na ingotu legure u peći za zagrijavanje, s temperaturom homogenizacije od 400 ℃~470 ℃; Korak 7: Oguljenje homogeniziranog ingota i izvođenje vruće ekstruzije za proizvodnju profila s debljinom stijenke većom od 2,0 mm. Tijekom procesa ekstruzije, gredica se treba održavati na temperaturi od 350 ℃ do 410 ℃; Korak 8: Istisnuti profil za obradu kaljenjem u otopini, s temperaturom otopine od 460-480 ℃; Korak 9: Nakon 72 sata kaljenja u čvrstoj otopini, ručno se podvrgava starenju. Sustav ručnog starenja je: 90~110 ℃/24 sata + 170~180 ℃/5 sati ili 90~110 ℃/24 sata + 145~155 ℃/10 sati.
5. Sažetak istraživanja
Općenito, rijetke zemlje se široko koriste u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji te imaju mnogo patentnih zahtjeva u tehničkim područjima kao što su pobuđivanje X-zraka, stvaranje plazme, lakovodni reaktor, transuranij, uranil i oksidni prah. Što se tiče reaktorskih materijala, rijetke zemlje mogu se koristiti kao konstrukcijski materijali za reaktore i srodni keramički izolacijski materijali, kontrolni materijali i materijali za zaštitu od neutronskog zračenja.
Vrijeme objave: 26. svibnja 2023.