1 、 Definicja materiałów jądrowych
W szerokim sensie materiał jądrowy jest ogólnym terminem dla materiałów stosowanych wyłącznie w przemyśle jądrowym i badaniach naukowych nuklearnych, w tym paliw jądrowych i materiałów inżynierskich, tj. Materiały bez jądrowych.
Powszechnie odnoszą się do materiałów jądrowych, odnoszą się głównie do materiałów stosowanych w różnych częściach reaktora, znanych również jako materiały reaktora. Materiały reaktorowe obejmują paliwo jądrowe, które ulega rozszczepieniu jądrowym pod bombardowaniem neutronowym, materiały okładzinowe dla składników paliwa jądrowego, chłodziwa, moderatory neutronów (moderatorzy), materiały kontrolne, które silnie pochłaniają neutrony, oraz materiały odblaskowe, które zapobiegają wyciekom neutronów poza reaktorem.
2 、 Związek powiązany między zasobami ziem rzadkich a zasobami nuklearnymi
Monazit, zwany także fosfoceritem i fosfoceritem, jest powszechnym minerałem akcesorialnym w skałie międzypośrednio kwasowo -kwasowej i skały metamorficznej. Monazit jest jednym z głównych minerałów rudy metalu ziem rzadkich, a także istnieje w jakiejś skały osadowej. Brązowoczerwone, żółte, czasem brązowawo żółte, z tłustym połyskiem, całkowity dekolt, twardość MOHS 5-5,5 i ciężar właściwy 4,9–5,5.
Głównym minerałem rudy niektórych złóż ziem rzadkich w Chinach jest monazit, głównie położony w Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan i hrabstwo, Guangxi. Jednak ekstrakcja zasobów ziem rzadkich typu parler często nie ma znaczenia ekonomicznego. Samotne kamienie często zawierają refleksyjne elementy toru i są również głównym źródłem komercyjnego plutonu.
3 、 Przegląd zastosowania ziem rzadkich w fuzji jądrowej i rozszczepienia jądrowym na podstawie patentowej analizy panoramicznej
Po pełnym rozszerzeniu słów kluczowych elementów wyszukiwania ziem rzadkich, są one łączone z klawiszami ekspansji i liczbą klasyfikacji rozszczepienia jądrowego i fuzji jądrowej oraz wyszukiwane w bazie danych Incopt. Data wyszukiwania to 24 sierpnia 2020 r. 4837 patentów uzyskano po prostym połączeniu rodzinnym, a 4673 patentów określono po sztucznym zmniejszeniu hałasu.
Zastosowania patentowe ziem rzadkich w dziedzinie rozszczepienia jądrowego lub fuzji jądrowej są dystrybuowane w 56 krajach/regionach, głównie skoncentrowanych w Japonii, Chinach, Stanach Zjednoczonych, Niemczech i Rosji itp. Znaczna liczba patentów stosuje się w postaci PCT, z których chińskie aplikacje patentowe rosną, zwłaszcza od 2009 r., Wchodzenie w stadium szybkiego wzrostu i Japonii, Stany Zjednoczone i Rosja są nadal umieszczane w tym polu na polu (RODZATA.
Rycina 1 Trend zastosowania patentów technologicznych związanych z zastosowaniem ziem rzadkich w nuklearnym rozszczepieniu jądrowym i fuzji jądrowej w krajach/regionach
Z analizy tematów technicznych można zauważyć, że zastosowanie rzadkiej Ziemi w fuzji jądrowej i rozszczepienia jądrowego koncentruje się na elementach paliwa, scyntylatorach, detektorach promieniowania, aktyndach, plazmie, reaktorach jądrowych, materiałach ekranowych, absorpcji neutronów i innych kierunkach technicznych.
4 、 Specyficzne zastosowania i kluczowe badania patentowe elementów ziem rzadkich w materiałach jądrowych
Wśród nich intensywne są reakcje fuzji jądrowej i rozszczepienia jądrowego w materiałach jądrowych, a wymagania dotyczące materiałów są surowe. Obecnie reaktory energetyczne są głównie reaktorami rozszczepienia jądrowym, a reaktory fuzyjne mogą być spopularyzowane na dużą skalę po 50 latach. ZastosowanieZiemia rzadkaelementy w materiałach strukturalnych reaktora; W określonych polach chemicznych nuklearnych pierwiastki ziem rzadkich są stosowane głównie w prętach kontrolnych; Ponadto,Scandiumbył również stosowany w branży radiochemii i nuklearnej.
（1） jako paląca trucizna lub pręt kontrolny w celu dostosowania poziomu neutronów i krytycznego stanu reaktora jądrowego
W reaktorach mocy początkowa reaktywność resztkowa nowych rdzeni jest ogólnie stosunkowo wysoka. Zwłaszcza we wczesnych stadiach pierwszego cyklu tankowania, gdy całe paliwo jądrowe w rdzeniu jest nowe, pozostała reaktywność jest najwyższa. W tym momencie poleganie wyłącznie na zwiększeniu prętów kontrolnych w celu zrekompensowania reaktywności resztkowej wprowadziłoby więcej prętów kontrolnych. Każdy pręt sterujący (lub pakiet pręta) odpowiada wprowadzaniu złożonego mechanizmu jazdy. Z jednej strony zwiększa to koszty, a z drugiej strony otwieranie otworów w głowicy naczyń ciśnieniowych może prowadzić do zmniejszenia wytrzymałości strukturalnej. Jest to nie tylko nieekonomiczne, ale nie wolno również mieć pewnej porowatości i siły strukturalnej na głowicy naczyń ciśnieniowych. Jednak bez zwiększania prętów kontrolnych konieczne jest zwiększenie stężenia chemicznych toksyn kompensacyjnych (takich jak kwas borowy) w celu zrekompensowania pozostałej reaktywności. W takim przypadku stężenie boru łatwo jest przekroczyć próg, a współczynnik temperatury moderatora stanie się dodatni.
Aby uniknąć wyżej wymienionych problemów, do kontroli można ogólnie stosować kombinację palnych toksyn, prętów kontrolnych i kontroli kompensacji chemicznej.
（2） jako domieszka w celu zwiększenia wydajności materiałów strukturalnych reaktora
Reaktory wymagają składników strukturalnych i elementów paliwa, aby mieć pewien poziom wytrzymałości, odporności na korozję i wysoką stabilność termiczną, jednocześnie zapobiegając wejściu produktów rozszczepienia do płynu chłodzącego.
1). Stala Ziemia
Reaktor jądrowy ma ekstremalne warunki fizyczne i chemiczne, a każdy składnik reaktora ma również wysokie wymagania dotyczące zastosowanej stali specjalnej. Elementy ziem rzadkich mają specjalny wpływ na modyfikację na stal, w tym głównie oczyszczanie, metamorfizm, mikroalloyowanie i poprawę odporności na korozję. Stale zawierające ziemię ziem rzadkich są również szeroko stosowane w reaktorach jądrowych.
① Efekt oczyszczania: Istniejące badania wykazały, że ziem rzadkich mają dobry wpływ o oczyszczanie na stopionej stali w wysokich temperaturach. Wynika to z faktu, że ziem rzadkich mogą reagować z szkodliwymi pierwiastkami, takimi jak tlen i siarka w stopionej stali w celu wytworzenia związków o wysokiej temperaturze. Związki o wysokiej temperaturze można wytrącać i wypisywać w postaci wtrąceń przed skraplacją stopionej stali, zmniejszając w ten sposób zawartość zanieczyszczenia w stopionej stali.
② Metamorfizm: Z drugiej strony tlenki, siarczki lub tleysiarczki wytwarzane przez reakcję ziem rzadkiej w stopionej stali o szkodliwych pierwiastkach, takich jak tlen i siarka, mogą być częściowo zatrzymane w stopionej stali i stają się wtrąceniami stali o wysokim stopniu topnienia. Włącze te mogą być stosowane jako heterogeniczne centra zarodkowania podczas zestalania stopionej stali, poprawiając w ten sposób kształt i strukturę stali.
③ Mikroalloying: Jeśli dodanie ziemi rzadkiej wzrośnie, pozostała ziemia rzadka zostanie rozpuszczona w stali po ukończeniu powyższego oczyszczania i metamorfizmu. Ponieważ promień atomowy ziemi rzadkiej jest większy niż atomu żelaza, ziemia rzadka ma wyższą aktywność powierzchni. Podczas procesu zestalania stali stopionej elementy ziem rzadkich są wzbogacone na granicy ziarna, które mogą lepiej zmniejszyć segregację elementów zanieczyszczenia na granicy ziarna, wzmacniając w ten sposób stały roztwór i odgrywając rolę mikroalloyingu. Z drugiej strony, ze względu na charakterystykę magazynowania wodoru rzadkich ziemskich ziemskich, mogą one wchłonąć wodór w stali, tym samym skutecznie poprawiając fenomen kruchości wodoru stali.
④ Poprawa odporności na korozję: Dodanie pierwiastków ziem rzadkich może również poprawić odporność na korozję stali. Wynika to z faktu, że ziemia rzadki mają wyższy potencjał korozji własnej niż stal nierdzewna. Dlatego dodanie ziem rzadkich może zwiększyć potencjał korozji stali nierdzewnej, poprawiając w ten sposób stabilność stali w pożywkach korozyjnych.
2). Kluczowe badanie patentowe
Kluczowy patent: Patent wynalazku dyspersji tlenku wzmocnionego stali o niskiej aktywacji i jej metoda przygotowania przez Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences
Streszczenie patentowe: Pod warunkiem, że dyspersja tlenku wzmocniona stalą o niskiej aktywacji odpowiednią do reaktorów fuzyjnych i jego metoda przygotowania, charakteryzująca się tym, że procent elementów stopu w całkowitej masie stali o niskiej aktywacji wynosi: matryca to Fe, 0,08% ≤ c ≤ 0,15%, 8,0% ≤ cr ≤ 10,0%, 1,1% ≤ 1,55%, 0,08% ≤ c ≤ 0,15%, 8,0% ≤ cr ≤ 10,0%, 1,1% ≤ 1,55%, 0,08%, 0,3%, 0,15%, 8,0%, 8,0%. 0,03%≤ TA ≤ 0,2%, 0,1 ≤ mn ≤ 0,6%i 0,05%≤ Y2O3 ≤ 0,5%.
Proces produkcyjny: Fe-Cr-Cr-WV-TA-Mn Mother Mothoy Mopsing, Atomizacja proszku, wysokoenergetyczne frezowanie stopy matki iNanocząstka Y2O3Mieszany proszek, ekstrakcja otaczająca proszek, formowanie zestalania, zwijanie gorącego i obróbka cieplna.
Metoda dodawania Ziemi Rare Earth: Dodaj nanoskalY2O3Cząstki do rozpalonego stopu na stopie macierzystego proszku do wysokoenergetycznego frezowania kulek, przy czym podłoże kory wynosi φ 6 i 10 mieszane stalowe kulki stalowe, z atmosferą frezowania kuli 99,99% gazu argonowego, stosunek masy materiału piłki (8-10): 1, czas młyna kulki wynoszący 40-70 godzin i prędkość obrotową 350-500 R/min.
3）. Używany do wytwarzania materiałów ochrony promieniowania neutronowego
① Zasada ochrony promieniowania neutronowego
Neutrony są składnikami jąder atomowych o masie statycznej 1,675 × 10-27 kg, co jest 1838-krotnie masa elektroniczna. Jego promień wynosi około 0,8 x 10-15 m, podobny do protonu, podobny do promieni γ, jest równie nieładny. Kiedy neutrony oddziałują z materią, oddziałują głównie z siłami jądrowymi wewnątrz jądra i nie oddziałują z elektronami w zewnętrznej skorupce.
Wraz z szybkim rozwojem technologii energii jądrowej i reaktora jądrowego coraz większą uwagę zwrócono na bezpieczeństwo promieniowania jądrowego i ochronę promieniowania jądrowego. W celu wzmocnienia ochrony promieniowania operatorom, którzy od dłuższego czasu zajmują się konserwacją i ratowaniem wypadków, ma ogromne znaczenie naukowe i wartość ekonomiczną, aby opracować lekkie kompozyty osłonowe dla odzieży ochronnej. Promieniowanie neutronowe jest najważniejszą częścią promieniowania reaktora jądrowego. Ogólnie rzecz biorąc, większość neutronów w bezpośrednim kontakcie z ludźmi została spowolniona do neutronów o niskiej energii po efekcie ekranowania neutronów materiałów strukturalnych wewnątrz reaktora jądrowego. Niski neutrony energii będą zderzane z jąderami z niższą liczbą atomową elastycznie i nadal będą moderowane. Umiarkowane neutrony termiczne zostaną wchłonięte przez pierwiastki z większymi przekrojami absorpcji neutronów, a na koniec zostanie osiągnięte ekranowanie neutronowe.
② Kluczowe badanie patentowe
Porowate i organiczne nieorganiczne właściwości hybrydoweElement ziem rzadkichgadolinOparte na metalowych materiałach szkieletowych szkieletu zwiększają ich kompatybilność z polietylenem, promując zsyntetyzowane materiały kompozytowe w celu posiadania wyższej zawartości gadolinu i dyspersji gadolinowej. Wysoka zawartość i dyspersja gadolinu wpłyną bezpośrednio na wydajność chronu neutronowego materiałów kompozytowych.
Kluczowy patent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, Patent wynalazku opartego na gadolinu materiału organicznego z kompozytem i jego metodą przygotowania
Streszczenie patentowe: Metalowy materiał organiczny na bazie gadolinu materiał ekranowy szkieletowy jest materiałem kompozytowym utworzonym przez mieszaniegadolinOparty metalowy materiał szkieletowy z polietylenem w stosunku masy 2: 1: 10 i tworzenie go przez odparowanie rozpuszczalnika lub naciskanie na gorąco. Materiały ekranowe szkieletu na bazie gadolinu na bazie szkieletu szkieletu mają wysoką stabilność termiczną i zdolność do ekranowania neutronów termicznych.
Proces produkcji: wybór różnychMetal gadolinowySole i liganddy organiczne w celu przygotowania i syntezy różnych rodzajów metalowych materiałów szkieletowych na bazie gadolinu, mycie ich małymi cząsteczkami metanolu, etanolu lub wody przez wirowanie i aktywacja w wysokiej temperaturze w warunkach próżniowych, aby w pełni usunąć resztkowe nieprzereagowane surowe materiały w porach metalowych materiałów do szkieletu; Materiał oryometaliczny na bazie gadolinu przygotowany na etapie miesza się z balsamem polietylenowym z dużą prędkością lub ultradźwiękowym, lub na bazie gadolinu materiału szkieletu na bazie gadolinu; Umieść jednolicie zmieszany metalowy materiał szkieletowy na bazie gadolinu/mieszaninę polietylenu w formie i uzyskaj uformowany metalowy materiał na bazie gadolinu szkieletu, suszenie w celu promowania odparowania rozpuszczalnika lub naciskowania na gorąco; Przygotowany materiał organiczny szkieletu na bazie gadolinu złożony materiał ekranowy znacznie poprawił odporność na ciepło, właściwości mechaniczne i doskonałą zdolność cieplnej chronu neutronowego w porównaniu z czystymi materiałami polietylenowymi.
Tryb dodawania Ziemi Rare Earth: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 lub GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 Porowaty polimer koordynacji krystalicznej zawierający gadolin, który uzyskujeGD (NO3) 3 • 6H2O lub GDCL3 • 6H2Oi organiczny ligand karboksylanowy; Rozmiar metalowego materiału szkieletu na bazie gadolinu wynosi 50 nm-2 μm metalowe materiały szkieletowe na bazie gadolinu, mają różne morfologie, w tym kształty ziarniste, w kształcie pręta lub w kształcie igły.
（4） ZastosowanieScandiumw radiuemii i przemysłu nuklearnym
Metal Scandium ma dobrą stabilność termiczną i silną wydajność wchłaniania fluoru, co czyni go niezbędnym materiałem w branży energii atomowej.
Kluczowy patent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Material
Streszczenie patentowe: aluminiowy cynkstop magnezui jego metoda przygotowania. Skład chemiczny i procent wagi glinu cynku stopu magnezu wynosi: 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%, pozostałe impitury ≤ 0,05%, inne impuracje, inne impulsy 0,15%, a pozostała kwota to Al. Mikrostruktura tego aluminiowego materiału ze stopu magnezu cynkowego jest jednolita, a jego wydajność jest stabilna, z najwyższą wytrzymałością na rozciąganie ponad 400 MPa, granicę plastyczności ponad 350 MPa i wytrzymałość na rozciąganie ponad 370 MPa dla połączeń spawanych. Produkty materialne mogą być wykorzystywane jako elementy strukturalne w branży lotniczej, przemysłu nuklearnego, transportu, towarach sportowych, broni i innych dziedzin.
Proces produkcyjny: Krok 1, składnik zgodnie ze składem stopowym; Krok 2: Roztop w piecu wytapającym w temperaturze 700 ℃ ~ 780 ℃; Krok 3: Udoskonal całkowicie stopowaną płyn metalową i utrzymuj temperaturę metalu w zakresie 700 ℃ ~ 750 ℃ podczas rafinacji; Krok 4: Po udoskonaleniu należy w pełni pozwolić stać w miejscu; 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 homogenizację obróbki wyżarzania na wlewkach stopowych w piecu grzewczym, o temperaturze homogenizacji 400 ℃ ~ 470 ℃; Krok 7: Obierz homogenizowany wlewkę i wykonaj gorącą wytłaczanie, aby uzyskać profile o grubości ściany ponad 2,0 mm. Podczas procesu wytłaczania kęs powinien być utrzymywany w temperaturze od 350 ℃ do 410 ℃; Krok 8: Ściśnij profil do obróbki hartowania roztworu o temperaturze roztworu 460-480 ℃; Krok 9: Po 72 godzinach stałego hartowania roztworu ręcznie wymuszaj starzenie się. System starzenia siły ręcznej wynosi: 90 ~ 110 ℃/24 godziny+170 ~ 180 ℃/5 godzin lub 90 ~ 110 ℃/24 godziny+145 ~ 155 ℃/10 godzin.
5 、 Podsumowanie badań
Ogólnie rzecz biorąc, rzadkie ziemi są szeroko stosowane w fuzji jądrowej i rozszczepieniu jądrowym i mają wiele układów patentowych w takich kierunkach technicznych, jak wzbudzenie rentgenowskie, tworzenie się w osoczu, reaktor lekkiej wody, transuran, uranyl i proszek tlenkowy. Jeśli chodzi o materiały reaktora, ziemskie ziemskie mogą być stosowane jako materiały konstrukcyjne reaktora i powiązane materiały izolacyjne ceramiczne, materiały kontrolne i materiały ochrony promieniowania neutronowego.
Czas po: 26-2023