1. Definicja materiałów jądrowych
W szerszym ujęciu materiał jądrowy to ogólny termin oznaczający materiały wykorzystywane wyłącznie w przemyśle jądrowym i badaniach naukowych w dziedzinie jądrowej, w tym paliwo jądrowe i materiały inżynierii jądrowej, tj. materiały niebędące paliwem jądrowym.
Powszechnie określane materiały jądrowe odnoszą się głównie do materiałów używanych w różnych częściach reaktora, znanych również jako materiały reaktorowe. Materiały reaktorowe obejmują paliwo jądrowe, które ulega rozszczepieniu jądrowemu pod wpływem bombardowania neutronami, materiały osłonowe dla komponentów paliwa jądrowego, chłodziwa, moderatory neutronów (moderatory), materiały prętów kontrolnych, które silnie pochłaniają neutrony, oraz materiały odblaskowe, które zapobiegają wyciekowi neutronów poza reaktor.
2. Współzależny związek między zasobami metali ziem rzadkich a zasobami jądrowymi
Monacyt, zwany także fosforytem i fosforytem, jest powszechnym minerałem akcesorytowym w skałach magmowych o średniej kwasowości i skałach metamorficznych. Monacyt jest jednym z głównych minerałów rudy metali ziem rzadkich, a także występuje w niektórych skałach osadowych. Brązowoczerwony, żółty, czasami brązowożółty, z tłustym połyskiem, całkowitym łupliwością, twardością w skali Mohsa 5-5,5 i ciężarem właściwym 4,9-5,5.
Głównym minerałem rudnym niektórych złóż ziem rzadkich typu placer w Chinach jest monacyt, zlokalizowany głównie w Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan i hrabstwie He w Guangxi. Jednak wydobycie zasobów ziem rzadkich typu placer często nie ma znaczenia ekonomicznego. Samotne kamienie często zawierają refleksyjne pierwiastki toru i są również głównym źródłem komercyjnego plutonu.
3、 Przegląd zastosowań pierwiastków ziem rzadkich w fuzji jądrowej i rozszczepieniu jądrowym na podstawie analizy panoramicznej patentów
Po pełnym rozwinięciu słów kluczowych pierwiastków ziem rzadkich są one łączone z kluczami rozszerzenia i numerami klasyfikacji rozszczepienia jądrowego i syntezy jądrowej, a następnie przeszukiwane w bazie danych Incopt. Data wyszukiwania to 24 sierpnia 2020 r. Uzyskano 4837 patentów po prostym połączeniu rodzin, a 4673 patenty ustalono po sztucznej redukcji szumów.
Wnioski patentowe dotyczące pierwiastków ziem rzadkich w dziedzinie rozszczepienia jądrowego lub syntezy jądrowej są rozproszone w 56 krajach/regionach, głównie w Japonii, Chinach, Stanach Zjednoczonych, Niemczech i Rosji itd. Znaczna liczba patentów jest zgłaszana w formie PCT, z czego liczba chińskich wniosków patentowych na technologie rośnie, szczególnie od 2009 r., wchodząc w fazę szybkiego wzrostu, a Japonia, Stany Zjednoczone i Rosja od wielu lat kontynuują działalność w tej dziedzinie (rysunek 1).
Rysunek 1 Trendy stosowania patentów technologicznych związanych z zastosowaniem pierwiastków ziem rzadkich w rozszczepieniu jądra atomowego i syntezie jądrowej w krajach/regionach
Z analizy zagadnień technicznych wynika, że zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich w syntezie jądrowej i rozszczepieniu jądrowym koncentruje się na elementach paliwowych, scyntylatorach, detektorach promieniowania, aktynowcach, plazmie, reaktorach jądrowych, materiałach osłonowych, absorpcji neutronów i innych kierunkach technicznych.
4、 Konkretne zastosowania i kluczowe badania patentowe dotyczące 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 fuzyjne mogą zostać spopularyzowane na dużą skalę po 50 latach. Zastosowanieziemia rzadkapierwiastki w materiałach konstrukcyjnych reaktorów; W określonych dziedzinach chemii jądrowej pierwiastki ziem rzadkich są stosowane głównie w prętach sterujących; 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. Szczególnie na wczesnych etapach pierwszego cyklu uzupełniania paliwa, gdy całe paliwo jądrowe w rdzeniu jest nowe, pozostała reaktywność jest najwyższa. W tym momencie poleganie wyłącznie na zwiększaniu prętów kontrolnych w celu skompensowania pozostałej reaktywności wprowadziłoby więcej prętów kontrolnych. Każdy pręt kontrolny (lub wiązka prętów) odpowiada wprowadzeniu złożonego mechanizmu napędowego. Z jednej strony zwiększa to koszty, a z drugiej strony otwieranie otworów w głowicy zbiornika ciśnieniowego może prowadzić do zmniejszenia wytrzymałości konstrukcyjnej. Jest to nie tylko nieekonomiczne, ale również niedopuszczalne jest posiadanie określonej ilości porowatości i wytrzymałości konstrukcyjnej na głowicy zbiornika ciśnieniowego. Jednak bez zwiększania prętów kontrolnych konieczne jest zwiększenie stężenia chemicznych toksyn kompensujących (takich jak kwas borowy), aby skompensować 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 zazwyczaj stosować kombinację toksyn palnych, prętów kontrolnych i kompensacji chemicznej.
(2) Jako domieszka poprawiająca wydajność materiałów konstrukcyjnych reaktora
Reaktory wymagają, aby elementy konstrukcyjne i 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 ma ekstremalne warunki fizyczne i chemiczne, a każdy element reaktora ma również wysokie wymagania co do specjalnej stali, z której jest wykonany. Pierwiastki ziem rzadkich mają specjalne efekty modyfikujące stal, głównie obejmujące oczyszczanie, metamorfizm, mikrostopowanie i poprawę odporności na korozję. Stale zawierające pierwiastki ziem rzadkich są również szeroko stosowane w reaktorach jądrowych.
① Efekt oczyszczania: Istniejące badania wykazały, że metale ziem rzadkich mają dobry efekt oczyszczania stali stopionej w wysokich temperaturach. Dzieje się tak, ponieważ metale ziem rzadkich mogą reagować ze szkodliwymi pierwiastkami, takimi jak tlen i siarka w stali stopionej, tworząc związki wysokotemperaturowe. Związki wysokotemperaturowe mogą być wytrącane i odprowadzane w postaci wtrąceń przed skropleniem stali stopionej, zmniejszając w ten sposób zawartość zanieczyszczeń w stali stopionej.
② Metamorfizm: z drugiej strony tlenki, siarczki lub tlenosiarczki powstające w wyniku reakcji pierwiastków ziem rzadkich w stopionej stali ze szkodliwymi pierwiastkami, takimi jak tlen i siarka, mogą być częściowo zatrzymywane w stopionej stali i stać się wtrąceniami stali o wysokiej temperaturze topnienia. Wtrącenia te mogą być wykorzystywane jako heterogeniczne centra nukleacji podczas krzepnięcia stopionej stali, poprawiając w ten sposób kształt i strukturę stali.
③ Mikrostopowanie: jeśli dodatek pierwiastków ziem rzadkich zostanie dodatkowo zwiększony, pozostałe pierwiastki ziem rzadkich zostaną rozpuszczone w stali po zakończeniu powyższego oczyszczania i metamorfizmu. Ponieważ promień atomowy pierwiastków ziem rzadkich jest większy niż promień atomu żelaza, pierwiastki ziem rzadkich mają większą aktywność powierzchniową. Podczas procesu krzepnięcia stopionej stali pierwiastki ziem rzadkich są wzbogacane na granicy ziaren, co może lepiej zmniejszyć segregację zanieczyszczeń na granicy ziaren, wzmacniając w ten sposób roztwór stały i odgrywając rolę mikrostopowania. Z drugiej strony, ze względu na właściwości magazynowania wodoru pierwiastków ziem rzadkich, mogą one absorbować wodór w stali, skutecznie poprawiając w ten sposób zjawisko kruchości wodorowej stali.
④ Poprawa odporności na korozję: Dodanie pierwiastków ziem rzadkich może również poprawić odporność stali na korozję. Dzieje się tak, ponieważ pierwiastki ziem rzadkich mają wyższy potencjał samokorozji niż stal nierdzewna. Dlatego dodanie pierwiastków ziem rzadkich może zwiększyć potencjał samokorozji stali nierdzewnej, poprawiając tym samym stabilność stali w środowiskach korozyjnych.
2). Kluczowe badanie patentowe
Kluczowy patent: patent na wynalazek stali o niskiej aktywacji wzmocnionej dyspersją tlenkową i sposób jej wytwarzania przez Instytut Metali Chińskiej Akademii Nauk
Streszczenie patentu: Przedmiotem wynalazku jest stal o niskiej aktywacji wzmocniona dyspersją tlenkową, odpowiednia do reaktorów fuzyjnych, oraz sposób jej wytwarzania, charakteryzujący się tym, że procentowa zawartość pierwiastków stopowych w całkowitej masie stali o niskiej aktywacji wynosi: matryca to 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, rozpylanie proszku, mielenie stopu macierzystego w młynie kulowym o dużej energii iNanocząstka Y2O3mieszanie proszków, ekstrakcja poprzez otaczanie proszkiem, formowanie zestalające, walcowanie na gorąco i obróbka cieplna.
Metoda dodawania pierwiastków ziem rzadkich: dodawanie nanoskaliY2O3cząstki do stopu macierzystego rozpylonego proszku w celu przeprowadzenia mielenia kulowego o dużej energii, przy czym medium mielącym są mieszane twarde kule stalowe Φ 6 i Φ 10, przy atmosferze mielenia kulowego składającej się z 99,99% gazu argonowego, stosunku masowym materiału kulek (8-10): 1, czasie mielenia kulowego 40-70 godzin i prędkości obrotowej 350-500 obr./min.
3) Stosowany 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, która jest 1838 razy większa od masy elektronowej. Ich promień wynosi około 0,8 × 10-15 m, podobny rozmiarem do protonu, podobnie jak promienie γ. Są one równie nienaładowane. Kiedy neutrony oddziałują z materią, oddziałują głównie z siłami jądrowymi wewnątrz jądra i nie oddziałują z elektronami w powłoce zewnętrznej.
Wraz z szybkim rozwojem energii jądrowej i technologii reaktorów jądrowych coraz większą uwagę zwraca się na bezpieczeństwo promieniowania jądrowego i ochronę przed promieniowaniem jądrowym. Aby wzmocnić ochronę radiologiczną operatorów, którzy od dawna zajmują się konserwacją sprzętu radiacyjnego i ratownictwem wypadkowym, duże znaczenie naukowe i wartość ekonomiczną ma opracowanie lekkich kompozytów osłonowych do odzieży ochronnej. Promieniowanie neutronowe jest najważniejszą częścią promieniowania reaktora jądrowego. Ogólnie rzecz biorąc, większość neutronów w bezpośrednim kontakcie z ludźmi została spowolniona do neutronów niskoenergetycznych po efekcie ekranowania neutronów przez materiały konstrukcyjne wewnątrz reaktora jądrowego. Neutrony niskoenergetyczne będą zderzać się z jądrami o niższej liczbie atomowej elastycznie i nadal będą moderowane. Moderowane neutrony termiczne zostaną pochłonięte przez pierwiastki o większych przekrojach czynnych absorpcji neutronów, a ostatecznie zostanie osiągnięta osłona neutronowa.
② Kluczowe badanie patentowe
Porowate i organiczno-nieorganiczne właściwości hybrydowepierwiastek ziem rzadkichgadolinoparte na metalowo-organicznych materiałach szkieletowych zwiększają swoją kompatybilność z polietylenem, co sprzyja syntezie materiałów kompozytowych o wyższej zawartości gadolinu i dyspersji gadolinu. Wysoka zawartość gadolinu i dyspersja będą miały bezpośredni wpływ na właściwości ekranowania neutronów materiałów kompozytowych.
Kluczowy patent: Instytut Materiałoznawstwa Hefei, Chińska Akademia Nauk, patent na wynalazek materiału ekranującego w postaci kompozytu organicznego na bazie gadolinu i metodę jego przygotowania
Streszczenie patentu: Materiał osłonowy z kompozytu metalowo-organicznego na bazie gadolinu jest materiałem kompozytowym powstającym w wyniku mieszaniagadolinna bazie metaloorganicznego materiału szkieletowego z polietylenem w stosunku wagowym 2:1:10 i formowanie go poprzez odparowanie rozpuszczalnika lub prasowanie na gorąco. Materiały ekranujące kompozytowe metaloorganicznego szkieletu na bazie gadolinu mają wysoką stabilność termiczną i zdolność ekranowania neutronów termicznych.
Proces produkcyjny: wybór różnychmetaliczny gadolinsole i ligandy organiczne do przygotowywania i syntezy różnych typów materiałów szkieletowych metaloorganicznych na bazie gadolinu, przemywanie ich małymi cząsteczkami metanolu, etanolu lub wody przez wirowanie i aktywowanie ich w wysokiej temperaturze w warunkach próżni w celu całkowitego usunięcia resztkowych, niereagujących surowców w porach materiałów szkieletowych metaloorganicznych na bazie gadolinu; Materiał szkieletowy metaloorganiczny na bazie gadolinu przygotowany w tym kroku jest mieszany z płynem polietylenowym z dużą prędkością lub ultradźwiękowo, lub materiał szkieletowy metaloorganiczny na bazie gadolinu przygotowany w tym kroku jest mieszany w stanie stopionym z polietylenem o bardzo dużej masie cząsteczkowej w wysokiej temperaturze do całkowitego wymieszania; Umieść równomiernie wymieszaną mieszaninę materiału szkieletowego metaloorganicznego na bazie gadolinu/polietylenu w formie i uzyskaj uformowany kompozytowy materiał osłonowy metaloorganiczny na bazie gadolinu poprzez suszenie w celu wspomożenia odparowania rozpuszczalnika lub prasowanie na gorąco; Przygotowany materiał osłonowy z kompozytu metalowo-organicznego na bazie gadolinu charakteryzuje się znacząco lepszą odpornością cieplną, właściwościami mechanicznymi i lepszą zdolnością ekranowania neutronów termicznych w porównaniu z materiałami z czystego polietylenu.
Sposób 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, który jest otrzymywany przez koordynacyjną polimeryzacjęGd(NO3)3 • 6H2O lub GdCl3 • 6H2Oi ligandu karboksylanu organicznego; Rozmiar materiału szkieletu metaloorganicznego na bazie gadolinu wynosi 50 nm–2 μm. Materiały szkieletu metaloorganicznego na bazie gadolinu mają różną morfologię, w tym kształt granularny, prętowy lub igłowy.
(4) ZastosowanieSkandw radiochemii i przemyśle jądrowym
Metaliczny skand charakteryzuje się dobrą stabilnością termiczną i wysoką zdolnością pochłaniania fluoru, co czyni go niezastąpionym materiałem w przemyśle energii atomowej.
Kluczowy patent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, patent na wynalazek dotyczący stopu aluminium, cynku, magnezu, skandu i metody jego wytwarzania
Streszczenie patentu: Aluminium cynkstop magnezu i skandui metoda jego przygotowania. Skład chemiczny i procentowa zawartość wagowa stopu aluminium, cynku, magnezu i skandu 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%, inne zanieczyszczenia łącznie ≤ 0,15%, a pozostała ilość to Al. Mikrostruktura tego materiału stopu aluminium, cynku, magnezu i skandu jest jednorodna, a jego właściwości są stabilne, z wytrzymałością na rozciąganie ponad 400 MPa, granicą plastyczności ponad 350 MPa i wytrzymałością na rozciąganie ponad 370 MPa dla połączeń spawanych. Produkty materiałowe mogą być stosowane jako elementy konstrukcyjne w przemyśle lotniczym, jądrowym, transportowym, sportowym, zbrojeniowym i innych dziedzinach.
Proces produkcyjny: Krok 1, składnik zgodnie z powyższym składem stopu; Krok 2: Topienie w piecu do wytopu w temperaturze 700 ℃~780 ℃; Krok 3: Rafinacja całkowicie stopionego ciekłego metalu i utrzymanie temperatury metalu w zakresie 700 ℃~750 ℃ podczas rafinacji; Krok 4: Po rafinacji należy pozwolić mu całkowicie stanąć; Krok 5: Po całkowitym staniu rozpocznij odlewanie, utrzymuj temperaturę pieca w zakresie 690 ℃~730 ℃, a prędkość odlewania wynosi 15-200 mm/minutę; Krok 6: Wykonaj obróbkę wyżarzania homogenizującego na wlewku stopu w piecu grzewczym, przy temperaturze homogenizacji 400 ℃~470 ℃; Krok 7: Obierz zhomogenizowany wlewek i wykonaj wytłaczanie na gorąco, aby uzyskać profile o grubości ścianki powyżej 2,0 mm. Podczas procesu wytłaczania, kęs powinien być utrzymywany w temperaturze od 350 ℃ do 410 ℃; Krok 8: Ściśnij profil do obróbki hartowania w roztworze, przy temperaturze roztworu 460-480 ℃; Krok 9: Po 72 godzinach hartowania w roztworze stałym, ręcznie wymuszonego starzenia. Ręczny system wymuszonego starzenia wynosi: 90~110 ℃/24 godziny + 170~180 ℃/5 godzin lub 90~110 ℃/24 godziny + 145~155 ℃/10 godzin.
5. Podsumowanie badań
Ogólnie rzecz biorąc, metale ziem rzadkich są szeroko stosowane w syntezie jądrowej i rozszczepieniu jądrowym, a także mają wiele układów patentowych w takich kierunkach technicznych, jak wzbudzanie promieniami X, tworzenie plazmy, reaktor wodny lekki, transuran, uranyl i proszek tlenkowy. Jeśli chodzi o materiały reaktorowe, metale ziem rzadkich mogą być stosowane jako materiały konstrukcyjne reaktora i pokrewne ceramiczne materiały izolacyjne, materiały kontrolne i materiały chroniące przed promieniowaniem neutronowym.
Czas publikacji: 26-05-2023