1、 Definicija nuklearnih materijala
U širem smislu, nuklearni materijal je opći izraz za materijale koji se koriste isključivo u nuklearnoj industriji i nuklearnim znanstvenim istraživanjima, uključujući nuklearno gorivo i materijale za nuklearno inženjerstvo, tj. nenuklearne gorive materijale.
Uobičajeno spominjani nuklearni materijali uglavnom se odnose na materijale koji se koriste u različitim dijelovima reaktora, također poznate kao reaktorski materijali. Reaktorski materijali uključuju nuklearno gorivo koje je podvrgnuto nuklearnoj fisiji pod neutronskim bombardiranjem, materijale za obloge za komponente nuklearnog goriva, rashladne tekućine, moderatore neutrona (moderatore), materijale za kontrolne šipke koji snažno apsorbiraju neutrone i reflektirajuće materijale koji sprječavaju curenje neutrona izvan reaktora.
2、 Kopovezan odnos između resursa rijetkih zemalja i nuklearnih resursa
Monazit, također zvan fosfokerit i fosfokerit, uobičajeni je pomoćni mineral u srednje kiselim magmatskim stijenama i metamorfnim stijenama. Monazit je jedan od glavnih minerala rude metala rijetkih zemalja, a postoji i u nekim sedimentnim stijenama. Smeđe crvena, žuta, ponekad smeđe žuta, masnog sjaja, potpune cijepanosti, Mohsove tvrdoće 5-5,5 i specifične težine 4,9-5,5.
Glavni rudni mineral nekih naslaga rijetke zemlje u Kini je monacit, koji se uglavnom nalazi u Tongchengu, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan i He County, Guangxi. Međutim, vađenje resursa rijetke zemlje tipa placera često nema ekonomski značaj. Osamljeno kamenje često sadrži refleksne elemente torija i također je glavni izvor komercijalnog plutonija.
3、 Pregled primjene rijetkih zemalja u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji na temelju patentne panoramske analize
Nakon što se ključne riječi elemenata pretraživanja rijetkih zemalja potpuno 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 jednostavnim spajanjem obitelji, a 4673 patenata utvrđeno je nakon umjetne redukcije buke.
Prijave patenata za rijetke zemlje u području nuklearne fisije ili nuklearne fuzije distribuirane su u 56 zemalja/regija, uglavnom koncentrirane u Japanu, Kini, Sjedinjenim Državama, Njemačkoj i Rusiji itd. Značajan broj patenata prijavljen je u obliku PCT-a , od kojih kineske aplikacije za patentnu tehnologiju rastu, posebno od 2009. godine, ulaze u fazu brzog rasta, a Japan, Sjedinjene Države i Rusija nastavljaju s rasporedom u ovom području dugi niz godina (Slika 1).
Slika 1 Trend primjene tehnoloških patenata koji se odnose na primjenu rijetkih zemalja u nuklearnoj nuklearnoj fisiji i nuklearnoj fuziji u zemljama/regijama
Iz analize tehničkih tema vidljivo je da je primjena rijetkih zemalja u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji usmjerena na gorive elemente, scintilatore, detektore zračenja, aktinoide, plazmu, nuklearne reaktore, materijale za zaštitu, apsorpciju neutrona i druga tehnička usmjerenja.
4、 Specifične primjene i ključna patentna istraživanja elemenata rijetkih zemalja u nuklearnim materijalima
Među njima su reakcije nuklearne fuzije i nuklearne fisije u nuklearnim materijalima intenzivne, a zahtjevi za materijale strogi. Trenutačno su energetski reaktori uglavnom nuklearni fisijski reaktori, a fuzijski reaktori mogli bi biti popularizirani u velikoj mjeri nakon 50 godina. Primjena odrijetka zemljaelementi u konstrukcijskim materijalima reaktora; U specifičnim nuklearnim kemijskim poljima, elementi rijetkih zemalja 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 rezidualna reaktivnost novih jezgri općenito je relativno visoka. Osobito u ranim fazama prvog ciklusa punjenja goriva, kada je sve nuklearno gorivo u jezgri novo, preostala reaktivnost je najveća. U ovom trenutku, oslanjanje samo na povećanje upravljačkih šipki za kompenzaciju zaostale reaktivnosti uvelo bi više upravljačkih šipki. Svaka kontrolna šipka (ili snop šipki) odgovara uvođenju složenog pogonskog mehanizma. S jedne strane, to povećava troškove, as druge strane, otvaranje rupa u glavi tlačne posude može dovesti do smanjenja čvrstoće konstrukcije. Ne samo da je neekonomično, već također nije dopušteno imati određenu količinu poroznosti i strukturne čvrstoće na glavi tlačne posude. Međutim, bez povećanja kontrolnih šipki, potrebno je povećati koncentraciju kemijskih kompenzacijskih toksina (kao što je borna kiselina) kako bi se nadoknadila preostala reaktivnost. U tom slučaju koncentracija bora lako prijeđe prag, a temperaturni koeficijent moderatora postat će pozitivan.
Kako bi se izbjegli gore navedeni problemi, za kontrolu se općenito može koristiti kombinacija zapaljivih toksina, kontrolnih šipki i kemijske kompenzacijske kontrole.
（2） Kao dodatak za poboljšanje performansi strukturnih materijala reaktora
Reaktori zahtijevaju da strukturne komponente i gorivi elementi imaju određenu razinu čvrstoće, otpornosti na koroziju i visoku toplinsku stabilnost, dok također sprječavaju da proizvodi fisije uđu u rashladno sredstvo.
1) .Čelik rijetke zemlje
Nuklearni reaktor ima ekstremne fizičke i kemijske uvjete, a svaka komponenta reaktora također ima visoke zahtjeve za specijalni čelik koji se koristi. Elementi rijetkih zemalja imaju posebne modifikacijske učinke na čelik, uglavnom uključujući pročišćavanje, metamorfizam, mikrolegiranje i poboljšanje otpornosti na koroziju. Čelici koji sadrže rijetke zemlje 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 kao što su kisik i sumpor u rastaljenom čeliku i stvoriti spojeve visoke temperature. Visokotemperaturni spojevi mogu se istaložiti i otpustiti 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 rijetke zemlje u rastaljenom čeliku sa štetnim elementima kao što su kisik i sumpor mogu se djelomično zadržati u rastaljenom čeliku i postati inkluzije čelika s visokim talištem . Ove se inkluzije mogu koristiti kao heterogena središta nukleacije tijekom skrućivanja rastaljenog čelika, čime se poboljšavaju oblik i struktura čelika.
③ Mikrolegiranje: ako se dodatno poveća dodavanje rijetke zemlje, preostala rijetka zemlja će se otopiti u čeliku nakon što se završi gore navedeno pročišćavanje i metamorfizam. Budući da je atomski radijus rijetke zemlje veći od atoma željeza, rijetka zemlja ima veću površinsku aktivnost. Tijekom procesa skrućivanja rastaljenog čelika, elementi rijetke zemlje obogaćuju se na granici zrna, što može bolje smanjiti segregaciju elemenata nečistoća na granici zrna, čime se jača čvrsta otopina i igra ulogu mikrolegiranja. S druge strane, zbog karakteristika skladištenja vodika rijetkih zemalja, oni mogu apsorbirati vodik u čeliku, čime se učinkovito poboljšava fenomen vodikove krtosti čelika.
④ Poboljšanje otpornosti na koroziju: Dodavanje elemenata rijetke zemlje 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 patentna studija
Ključni patent: patent izuma čelika niske aktivacije ojačanog oksidnom disperzijom i metode njegove pripreme Instituta za metale Kineske akademije znanosti
Sažetak patenta: Predložen je niskoaktivacijski čelik ojačan oksidnom disperzijom prikladan za fuzijske reaktore i metoda njegove pripreme, naznačen time što je postotak legiranih elemenata u ukupnoj masi niskoaktivacijskog čelika: 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: Fe-Cr-WV-Ta-Mn taljenje matične legure, atomizacija praha, visokoenergetsko kuglično mljevenje matične legure iY2O3 nanočesticamiješani prah, ekstrakcija omotača praha, kalupljenje za skrućivanje, vruće valjanje i toplinska obrada.
Metoda dodavanja rijetkih zemalja: Dodajte nanomjeruY2O3čestice raspršenog praha matične legure za visokoenergetsko kuglično mljevenje, pri čemu su medij za kuglično mljevenje Φ 6 i Φ 10 miješane tvrde čelične kuglice, s atmosferom kugličnog mljevenja od 99,99% plina argona, omjerom mase kugličnog materijala od (8- 10): 1, vrijeme kugličnog mljevenja od 40-70 sati i brzina rotacije od 350-500 o/min.
3). Koristi se za izradu materijala za zaštitu od neutronskog zračenja
① Princip zaštite od neutronskog zračenja
Neutroni su komponente atomskih jezgri, sa statičkom masom od 1,675 × 10-27 kg, što je 1838 puta više od elektronske mase. Njegov radijus je otprilike 0,8 × 10-15m, veličine je sličan protonu, sličan γ Zraci su jednako nenabijeni. Kada neutroni komuniciraju s materijom, oni uglavnom djeluju s nuklearnim silama unutar jezgre, a ne s elektronima u vanjskoj ljusci.
S brzim razvojem nuklearne energije i tehnologije nuklearnih reaktora sve se više pažnje 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 razviti lagane zaštitne kompozite za zaštitnu odjeću. Neutronsko zračenje je najvažniji dio zračenja nuklearnog reaktora. Općenito, većina neutrona u izravnom kontaktu s ljudskim bićima usporena je do niskoenergetskih neutrona nakon učinka neutronske zaštite strukturnih materijala unutar nuklearnog reaktora. Neutroni niske energije elastično će se sudarati s jezgrama s nižim atomskim brojem i nastaviti biti umjereni. Umjerene toplinske neutrone apsorbirat će elementi s većim presjekom apsorpcije neutrona, te će se konačno postići neutronska zaštita.
② Ključna studija patenta
Porozna i organsko-anorganska hibridna svojstvaelement rijetke zemljegadolinijmetalni organski kosturni materijali 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 neutronsku zaštitu kompozitnih materijala.
Ključni patent: Hefei Institut za znanost o materijalima, Kineska akademija znanosti, patent izuma kompozitnog zaštitnog materijala na bazi gadolinija i metoda njegove pripreme
Sažetak patenta: kompozitni zaštitni materijal na bazi 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 formiranjem isparavanjem otapala ili vrućim prešanjem. Kompozitni materijali za zaštitu od metalnog organskog skeleta na bazi gadolinija imaju visoku toplinsku stabilnost i sposobnost zaštite od toplinskih neutrona.
Proces proizvodnje: odabir različitihmetal gadolinijsoli i organski ligandi za pripremu i sintetiziranje različitih vrsta metalnih organskih kosturnih materijala na bazi gadolinija, ispiranjem s malim molekulama metanola, etanola ili vode centrifugiranjem i aktiviranjem na visokoj temperaturi pod vakuumskim uvjetima kako bi se u potpunosti uklonile zaostale neizreagirane sirovine u porama metalnih organskih skeletnih materijala na bazi gadolinija; Organometalni kosturni materijal na bazi gadolinija pripremljen u koraku miješa se s polietilenskim losionom velikom brzinom ili ultrazvučno, ili se organometalni kosturni materijal na bazi gadolinija pripremljen u koraku miješa taljenjem s polietilenom ultravisoke molekularne težine na visokoj temperaturi dok se potpuno ne pomiješa; Stavite jednolično izmiješanu mješavinu metalnog organskog skeletnog materijala na bazi gadolinija/polietilena u kalup i dobijete formirani kompozitni zaštitni materijal na bazi gadolinija na bazi metalnog organskog kosturnog materijala sušenjem kako bi se pospješilo isparavanje otapala ili vrućim prešanjem; Pripremljeni kompozitni materijal za zaštitu od metalnog organskog kostura na bazi gadolinija ima značajno poboljšanu otpornost na toplinu, mehanička svojstva i superiornu sposobnost zaštite od toplinskih 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 gadolinij, koji se dobiva koordinacijskom polimerizacijomGd (NO3) 3 • 6H2O ili GdCl3 • 6H2Oi organski karboksilatni ligand; Veličina materijala metalnog organskog kostura na bazi gadolinija je 50 nm-2 μ m； Materijali metalnog organskog kostura na bazi gadolinija imaju različite morfologije, uključujući zrnate, štapićaste ili igličaste oblike.
（4） PrimjenaSkandiju radiokemiji i nuklearnoj industriji
Metalni skandij ima dobru toplinsku stabilnost i jaku apsorpciju fluora, što ga čini nezamjenjivim materijalom u industriji atomske energije.
Ključni patent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, patent izuma za aluminij cink magnezij skandij slitinu i njezinu metodu pripreme
Sažetak patenta: Aluminij cinklegura magnezija i skandijumai načinu njegove pripreme. Kemijski sastav i težinski postotak legure aluminij cink magnezij skandij je: 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 nečistoće pojedinačne ≤ 0,05%, ostale nečistoće ukupno ≤ 0,15%, a preostala količina je Al. Mikrostruktura ovog materijala od legure aluminij cink magnezij skandij je ujednačena i njegova izvedba je stabilna, s krajnjom vlačnom čvrstoćom od preko 400 MPa, granicom tečenja od preko 350 MPa i vlačnom čvrstoćom od preko 370 MPa za zavarene spojeve. Materijalni proizvodi mogu se koristiti kao strukturni elementi u zrakoplovstvu, nuklearnoj industriji, transportu, sportskoj opremi, oružju i drugim područjima.
Proizvodni proces: Korak 1, sastojak prema gornjem sastavu legure; Korak 2: Rastopite u peći za taljenje na temperaturi od 700 ℃ ~ 780 ℃; Korak 3: Rafinirajte potpuno rastopljenu metalnu tekućinu i održavajte temperaturu metala u rasponu od 700 ℃~750 ℃ tijekom rafinacije; Korak 4: Nakon pročišćavanja treba ga potpuno pustiti da odstoji; Korak 5: Nakon potpunog stajanja, započnite s lijevanjem, održavajte temperaturu peći u rasponu od 690 ℃ ~ 730 ℃, a brzina lijevanja je 15-200 mm/minuta; Korak 6: Izvršite tretman homogenizacijskog žarenja na ingotu legure u peći za zagrijavanje, s temperaturom homogenizacije od 400 ℃ ~ 470 ℃; Korak 7: Odvojite homogenizirani ingot i izvršite vruću ekstruziju kako biste proizveli profile s debljinom stijenke preko 2,0 mm. Tijekom procesa ekstruzije, gredicu treba održavati na temperaturi od 350 ℃ do 410 ℃; Korak 8: Stisnite profil za tretman gašenja otopinom, s temperaturom otopine od 460-480 ℃; Korak 9: Nakon 72 sata kaljenja u krutoj otopini, ručno forsirajte starenje. Sustav ručnog prisilnog starenja je: 90~110 ℃/24 sata+170~180 ℃/5 sati, ili 90~110 ℃/24 sata+145~155 ℃/10 sati.
5、 Sažetak istraživanja
U cjelini, rijetke zemlje naširoko se koriste u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji i imaju mnoge patente u tehničkim smjerovima kao što su pobuđivanje rendgenskim zrakama, formiranje plazme, reaktor s lakom vodom, transuranij, uranil i oksidni prah. Što se tiče reaktorskih materijala, rijetke zemlje mogu se koristiti kao strukturni materijali reaktora i srodni keramički izolacijski materijali, kontrolni materijali i materijali za zaštitu od neutronskog zračenja.
Vrijeme objave: 26. svibnja 2023