1. Definicja materiałów jądrowych
W szerokim znaczeniu materiał jądrowy to ogólne określenie materiałów stosowanych wyłącznie w przemyśle nuklearnym i nuklearnych badaniach naukowych, w tym paliwa jądrowego i materiałów inżynierii jądrowej, czyli materiałów paliwowych niejądrowych.
Powszechnie określane materiały jądrowe odnoszą się głównie do materiałów stosowanych w różnych częściach reaktora, znanych również jako materiały reaktorowe. Materiały reaktorowe obejmują paliwo jądrowe, które ulega rozszczepieniu jądrowemu pod wpływem bombardowania neutronami, materiały okładzinowe komponentów paliwa jądrowego, chłodziwa, moderatory (moderatory) neutronów, materiały prętów kontrolnych, które silnie absorbują neutrony oraz materiały odblaskowe, które zapobiegają wyciekom neutronów na zewnątrz reaktora.
2. Współzależność między zasobami pierwiastków ziem rzadkich i zasobami jądrowymi
Monacyt, zwany także fosfocerytem i fosfocerytem, jest powszechnym minerałem dodatkowym w średnio kwaśnych skałach magmowych i skałach metamorficznych. Monacyt jest jednym z głównych minerałów rud metali ziem rzadkich, występuje także w niektórych skałach osadowych. Brązowawo-czerwony, żółty, czasem brązowawo-żółty, z tłustym połyskiem, całkowitym łupaniem, twardością w skali Mohsa 5-5,5 i ciężarem właściwym 4,9-5,5.
Głównym minerałem kruszcowym niektórych złóż metali ziem rzadkich typu placer w Chinach jest monacyt, występujący głównie w Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan i hrabstwie He w Guangxi. Jednak wydobycie zasobów pierwiastków ziem rzadkich typu placer często nie ma znaczenia gospodarczego. Pojedyncze kamienie często zawierają odblaskowe pierwiastki toru i są również głównym źródłem komercyjnego plutonu.
3, Przegląd zastosowań pierwiastków ziem rzadkich w syntezie jądrowej i rozszczepieniu jądrowym w oparciu o analizę panoramiczną patentów
Po pełnym rozwinięciu słów kluczowych elementów wyszukiwania pierwiastków ziem rzadkich, łączy się je z kluczami rozwinięcia i numerami klasyfikacyjnymi rozszczepienia jądrowego i syntezy jądrowej i przeszukuje bazę danych Incopt. Data poszukiwań to 24 sierpnia 2020 r. 4837 patentów uzyskano po prostym połączeniu rodzin, a 4673 patenty uzyskano po sztucznej redukcji hałasu.
Zgłoszenia patentowe na pierwiastki ziem rzadkich w dziedzinie rozszczepienia jądrowego lub syntezy jądrowej są rozprowadzane w 56 krajach/regionach, głównie w Japonii, Chinach, Stanach Zjednoczonych, Niemczech i Rosji itp. Znaczna liczba patentów jest stosowana w formie PCT , których liczba wniosków w zakresie technologii patentowych w Chinach rośnie, szczególnie od 2009 r., wchodząc w fazę szybkiego wzrostu, a Japonia, Stany Zjednoczone i Rosja kontynuują działalność w tej dziedzinie od wielu lat (rysunek 1).
Rysunek 1 Trend stosowania patentów technologicznych związanych z zastosowaniem pierwiastków ziem rzadkich w rozszczepieniu jądrowym i syntezie jądrowej w krajach/regionach
Z analizy tematów technicznych wynika, że zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich w syntezie jądrowej i rozszczepieniu jądrowym koncentruje się na elementach paliwowych, scyntylatorach, detektorach promieniowania, aktynowcach, plazmach, reaktorach jądrowych, materiałach osłonowych, absorpcji neutronów i innych kierunkach technicznych.
4, Specyficzne zastosowania i kluczowe badania patentowe pierwiastków ziem rzadkich w materiałach jądrowych
Wśród nich reakcje syntezy jądrowej i rozszczepienia jądrowego w materiałach jądrowych są intensywne, a wymagania dotyczące materiałów są surowe. Obecnie reaktory energetyczne to głównie reaktory rozszczepienia jądrowego, a reaktory termojądrowe mogą zostać spopularyzowane na szeroką skalę po 50 latach. Zastosowanieziemia rzadkapierwiastki w materiałach konstrukcyjnych reaktorów; W określonych dziedzinach chemii nuklearnej pierwiastki ziem rzadkich stosuje się głównie w prętach kontrolnych; Ponadto,skandbył również stosowany w radiochemii i przemyśle nuklearnym.
(1) Jako palna trucizna lub pręt kontrolny do regulacji poziomu neutronów i stanu krytycznego reaktora jądrowego
W reaktorach energetycznych początkowa reaktywność resztkowa nowych rdzeni jest na ogół stosunkowo wysoka. Zwłaszcza na wczesnych etapach pierwszego cyklu tankowania, kiedy całe paliwo jądrowe w rdzeniu jest nowe, pozostała reaktywność jest najwyższa. W tym momencie poleganie wyłącznie na zwiększaniu prętów sterujących w celu kompensacji reaktywności resztkowej spowodowałoby wprowadzenie większej liczby prętów sterujących. Każdy drążek sterujący (lub wiązka prętów) odpowiada wprowadzeniu złożonego mechanizmu napędowego. Z jednej strony zwiększa to koszty, z drugiej strony otwieranie otworów w głowicy zbiornika ciśnieniowego może prowadzić do zmniejszenia wytrzymałości konstrukcji. Jest to nie tylko nieekonomiczne, ale także niedopuszczalne jest, aby głowica zbiornika ciśnieniowego miała pewną porowatość i wytrzymałość strukturalną. Jednakże, bez zwiększania prętów kontrolnych, konieczne jest zwiększenie stężenia chemicznych toksyn kompensujących (takich jak kwas borowy), aby zrekompensować pozostałą reaktywność. W takim przypadku stężenie boru łatwo przekroczy próg, a współczynnik temperaturowy moderatora stanie się dodatni.
Aby uniknąć wyżej wymienionych problemów, do kontroli można ogólnie zastosować kombinację palnych toksyn, prętów kontrolnych i kontroli kompensacji chemicznej.
(2) Jako domieszka poprawiająca wydajność materiałów konstrukcyjnych reaktorów
Reaktory wymagają, aby elementy konstrukcyjne i elementy paliwowe charakteryzowały się określonym poziomem wytrzymałości, odporności na korozję i wysokiej stabilności termicznej, a jednocześnie zapobiegały przedostawaniu się produktów rozszczepienia do chłodziwa.
1) .Stal ziem rzadkich
Reaktor jądrowy charakteryzuje się ekstremalnymi warunkami fizycznymi i chemicznymi, a każdy element reaktora ma również wysokie wymagania dotyczące użytej specjalnej stali. Pierwiastki ziem rzadkich mają specjalne działanie modyfikujące stal, obejmujące głównie oczyszczanie, metamorfizm, mikrostopy i poprawę odporności na korozję. Stale zawierające pierwiastki ziem rzadkich są również szeroko stosowane w reaktorach jądrowych.
① Efekt oczyszczania: Istniejące badania wykazały, że pierwiastki ziem rzadkich mają dobry efekt oczyszczania roztopionej stali w wysokich temperaturach. Dzieje się tak, ponieważ pierwiastki ziem rzadkich mogą reagować ze szkodliwymi pierwiastkami, takimi jak tlen i siarka, zawartymi w roztopionej stali, tworząc związki wysokotemperaturowe. Związki wysokotemperaturowe można wytrącać i odprowadzać w postaci wtrąceń, zanim stopiona stal ulegnie skropleniu, zmniejszając w ten sposób zawartość zanieczyszczeń w roztopionej stali.
② Metamorfizm: z drugiej strony tlenki, siarczki lub tlenosiarczki powstające w wyniku reakcji pierwiastków ziem rzadkich w roztopionej stali ze szkodliwymi pierwiastkami, takimi jak tlen i siarka, mogą zostać częściowo zatrzymane w roztopionej stali i stać się wtrąceniami stali o wysokiej temperaturze topnienia . Wtrącenia te można wykorzystać jako heterogeniczne centra zarodkowania podczas krzepnięcia roztopionej stali, poprawiając w ten sposób kształt i strukturę stali.
③ Mikrostopy: w przypadku dalszego zwiększenia dodatku pierwiastków ziem rzadkich, pozostałe pierwiastki ziem rzadkich rozpuszczą się w stali po zakończeniu powyższego oczyszczania i metamorfizmu. Ponieważ promień atomowy pierwiastków ziem rzadkich jest większy niż atom żelaza, pierwiastki ziem rzadkich mają wyższą aktywność powierzchniową. Podczas procesu krzepnięcia roztopionej stali pierwiastki ziem rzadkich są wzbogacane na granicy ziaren, co może lepiej zmniejszyć segregację pierwiastków zanieczyszczeń na granicy ziaren, wzmacniając w ten sposób roztwór stały i pełniąc rolę mikrostopu. Z drugiej strony, dzięki właściwościom pierwiastków ziem rzadkich związanych z magazynowaniem wodoru, mogą one absorbować wodór w stali, skutecznie poprawiając w ten sposób zjawisko kruchości wodorowej stali.
④ Poprawa odporności na korozję: Dodatek pierwiastków ziem rzadkich może również poprawić odporność stali na korozję. Dzieje się tak dlatego, że pierwiastki ziem rzadkich mają wyższy potencjał samokorozyjny niż stal nierdzewna. Dlatego dodatek pierwiastków ziem rzadkich może zwiększyć potencjał samokorozyjny stali nierdzewnej, poprawiając w ten sposób stabilność stali w mediach korozyjnych.
2). Kluczowe badanie patentowe
Kluczowy patent: Patent na wynalazek stali o niskiej aktywacji wzmocnionej dyspersją tlenków i sposobu jej wytwarzania przyznany przez Instytut Metali Chińskiej Akademii Nauk
Streszczenie patentu: Przedmiotem zamówienia jest stal o niskiej aktywacji wzmocniona dyspersją tlenków, odpowiednia do reaktorów termojądrowych oraz sposób jej wytwarzania, charakteryzujący się tym, że zawartość procentowa pierwiastków stopowych w całkowitej masie stali o niskiej aktywacji wynosi: osnową jest 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 produkcyjny: wytapianie stopu macierzystego Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizacja proszku, wysokoenergetyczne mielenie kulowe stopu macierzystego iNanocząstka Y2O3mieszany proszek, ekstrakcja otoczki proszku, formowanie zestalające, walcowanie na gorąco i obróbka cieplna.
Metoda dodawania pierwiastków ziem rzadkich: Dodaj nanoskalęY2O3cząstki do atomizowanego proszku stopu macierzystego do wysokoenergetycznego mielenia kulowego, przy czym środkiem do mielenia kulowego są kulki z mieszanej twardej stali Φ 6 i Φ 10, w atmosferze mielenia kulowego zawierającej 99,99% argonu, przy stosunku masowym materiału kulki (8- 10): 1, czas frezowania kulowego 40-70 godzin i prędkość obrotowa 350-500 obr/min.
3). Używany do produkcji materiałów chroniących przed promieniowaniem neutronowym
① Zasada ochrony przed promieniowaniem neutronowym
Neutrony są składnikami jąder atomowych o masie statycznej 1,675 × 10-27 kg, czyli 1838 razy większej od masy elektronowej. Jego promień wynosi około 0,8 × 10-15 m, ma wielkość podobną do protonu, podobnie jak promienie γ. Promienie są jednakowo nienaładowane. Kiedy neutrony oddziałują z materią, oddziałują głównie z siłami jądrowymi wewnątrz jądra i nie oddziałują z elektronami w zewnętrznej powłoce.
Wraz z szybkim rozwojem energetyki jądrowej i technologii reaktorów jądrowych coraz większą uwagę zwraca się na bezpieczeństwo radiacyjne i ochronę przed promieniowaniem jądrowym. W celu wzmocnienia ochrony radiologicznej operatorów, którzy od długiego czasu zajmują się konserwacją sprzętu radiacyjnego i ratownictwem powypadkowym, ogromne znaczenie naukowe i ekonomiczne ma opracowanie lekkich kompozytów ekranujących do odzieży ochronnej. Promieniowanie neutronowe jest najważniejszą częścią promieniowania reaktora jądrowego. Ogólnie rzecz biorąc, większość neutronów mających bezpośredni kontakt z ludźmi została spowolniona do neutronów o niskiej energii w wyniku efektu ekranowania neutronów materiałów konstrukcyjnych wewnątrz reaktora jądrowego. Neutrony o niskiej energii będą elastycznie zderzać się z jądrami o niższej liczbie atomowej i nadal będą moderowane. Umiarkowane neutrony termiczne zostaną zaabsorbowane przez pierwiastki o większych przekrojach absorpcji neutronów, w wyniku czego ostatecznie osiągnięte zostanie ekranowanie neutronów.
② Kluczowe badanie patentowe
Porowate i organiczne i nieorganiczne właściwości hybrydowepierwiastek ziem rzadkichgadolinorganiczne materiały szkieletowe na bazie metali zwiększają ich kompatybilność z polietylenem, dzięki czemu syntetyzowane materiały kompozytowe mają wyższą zawartość gadolinu i dyspersję gadolinu. Wysoka zawartość gadolinu i dyspersja będą miały bezpośredni wpływ na skuteczność ekranowania neutronów materiałów kompozytowych.
Kluczowy patent: Instytut Nauki o Materiałach Hefei, Chińska Akademia Nauk, patent na wynalazek kompozytowego materiału ekranującego na bazie gadolinu i metody jego wytwarzania
Streszczenie patentu: Kompozytowy materiał ekranujący z metalowym, organicznym szkieletem na bazie gadolinu jest materiałem kompozytowym powstałym w wyniku zmieszaniagadolinorganiczny materiał szkieletowy na bazie metalu z polietylenem w stosunku wagowym 2:1:10 i formowanie go poprzez odparowanie rozpuszczalnika lub prasowanie na gorąco. Materiały ekranujące z kompozytowego szkieletu organicznego na bazie gadolinu charakteryzują się wysoką stabilnością termiczną i zdolnością do ekranowania neutronów termicznych.
Proces produkcyjny: wybór różnychmetaliczny gadolinsole i ligandy organiczne do przygotowania i syntezy różnych typów organicznych materiałów szkieletowych na bazie gadolinu, przemywania ich małymi cząsteczkami metanolu, etanolu lub wody przez odwirowanie i aktywowania w wysokiej temperaturze w warunkach próżniowych w celu całkowitego usunięcia pozostałości nieprzereagowanych surowców w porach organicznych materiałów szkieletowych na bazie gadolinu; Przygotowany na tym etapie metaloorganiczny materiał szkieletu na bazie gadolinu miesza się z lotionem polietylenowym z dużą szybkością lub metodą ultradźwiękową, albo przygotowany na etapie metaloorganiczny materiał szkieletu na bazie gadolinu miesza się w stanie stopionym z polietylenem o ultrawysokiej masie cząsteczkowej w wysokiej temperaturze aż do całkowitego wymieszania; Umieścić równomiernie wymieszaną mieszaninę metaloorganicznego szkieletu na bazie gadolinu/polietylenu w formie i otrzymać uformowany kompozytowy kompozyt metaloorganicznego szkieletu na bazie gadolinu przez suszenie w celu ułatwienia odparowania rozpuszczalnika lub prasowania na gorąco; Przygotowany materiał ekranujący z kompozytu metaloorganicznego szkieletu organicznego na bazie gadolinu znacznie poprawił odporność cieplną, właściwości mechaniczne i doskonałą zdolność ekranowania neutronów termicznych w porównaniu z czystymi materiałami polietylenowymi.
Tryb dodawania pierwiastków ziem rzadkich: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 lub Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 porowaty krystaliczny polimer koordynacyjny zawierający gadolin, otrzymywany przez polimeryzację koordynacyjnąGd (NO3) 3 • 6H2O lub GdCl3 • 6H2Oi organiczny ligand karboksylanowy; Rozmiar organicznego metalicznego szkieletu na bazie gadolinu wynosi 50 nm-2 μm. Metalowe organiczne materiały szkieletowe na bazie gadolinu mają różne morfologie, w tym kształty ziarniste, w kształcie pręta lub w kształcie igły.
（4） ZastosowanieSkandw radiochemii i przemyśle nuklearnym
Skand metaliczny ma dobrą stabilność termiczną i wysoką zdolność absorpcji fluoru, co czyni go niezbędnym materiałem w przemyśle energii atomowej.
Kluczowy patent: China Aerospace Development Pekiński Instytut Materiałów Lotniczych, patent na wynalazek dotyczący stopu aluminium-cynku-magnezu-skanda i sposobu jego wytwarzania
Skrót patentu: Aluminiowo-cynkowystop magnezu i skandui sposób jego przygotowania. Skład chemiczny i procent wagowy stopu aluminium-cynk-magnez-skand wynoszą: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, zanieczyszczenia Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, inne zanieczyszczenia pojedyncze ≤ 0,05%, suma pozostałych zanieczyszczeń ≤ 0,15%, pozostała ilość to Al. Mikrostruktura tego materiału ze stopu aluminiowo-cynkowo-magnezowo-skandowego jest jednolita, a jego właściwości użytkowe są stabilne, z ostateczną wytrzymałością na rozciąganie ponad 400 MPa, granicą plastyczności ponad 350 MPa i wytrzymałością na rozciąganie ponad 370 MPa dla połączeń spawanych. Produkty materialne mogą być stosowane jako elementy konstrukcyjne w przemyśle lotniczym, nuklearnym, transporcie, artykułach sportowych, broni i innych dziedzinach.
Proces produkcyjny: Etap 1, składnik zgodny z powyższym składem stopu; Krok 2: Topienie w piecu do wytapiania w temperaturze 700 ℃ ~ 780 ℃; Krok 3: Udoskonal całkowicie stopioną ciecz metaliczną i utrzymuj temperaturę metalu w zakresie 700 ℃ ~ 750 ℃ podczas rafinacji; Krok 4: Po rafinacji należy całkowicie odstawić; Krok 5: Po całkowitym odstawieniu rozpocznij odlewanie, utrzymuj temperaturę pieca w zakresie 690 ℃ ~ 730 ℃, a prędkość odlewania wynosi 15-200 mm/min; Krok 6: Wykonaj wyżarzanie homogenizujące wlewka stopu w piecu grzewczym, w temperaturze homogenizacji 400 ℃ ~ 470 ℃; Krok 7: Obierz homogenizowany wlewek i wykonaj wytłaczanie na gorąco, aby uzyskać profile o grubości ścianki powyżej 2,0 mm. Podczas procesu wytłaczania kęs należy utrzymywać w temperaturze od 350℃ do 410℃; Krok 8: Ściśnij profil w celu hartowania w roztworze o temperaturze roztworu 460-480 ℃; Krok 9: Po 72 godzinach hartowania w roztworze stałym ręcznie wymuś starzenie. Ręczny system starzenia siłowego wynosi: 90 ~ 110 ℃/24 godziny + 170 ~ 180 ℃/5 godzin lub 90 ~ 110 ℃/24 godziny + 145 ~ 155 ℃/10 godzin.
5, Podsumowanie badań
Ogólnie rzecz biorąc, pierwiastki ziem rzadkich są szeroko stosowane w syntezie jądrowej i rozszczepieniu jądrowym i mają wiele układów patentowych w takich kierunkach technicznych, jak wzbudzenie promieni rentgenowskich, tworzenie plazmy, reaktor lekkowodny, proszek transuranowy, uranowy i tlenkowy. Jeśli chodzi o materiały reaktorowe, pierwiastki ziem rzadkich można stosować jako materiały konstrukcyjne reaktorów i powiązane ceramiczne materiały izolacyjne, materiały kontrolne i materiały chroniące przed promieniowaniem neutronowym.
Czas publikacji: 26 maja 2023 r