Anvendelse af sjældne jordelementer i nukleare materialer

1 、 Definition af nukleare materialer

I en bred forstand er nukleare materiale den generelle betegnelse for materialer, der udelukkende bruges i nuklear industri og nuklear videnskabelig forskning, herunder nukleare brændstof- og nukleare tekniske materialer, dvs. ikke -nukleare brændstofmaterialer.

De almindeligt henvist til nukleare materialer henviser hovedsageligt til materialer, der bruges i forskellige dele af reaktoren, også kendt som reaktormaterialer. Reaktormaterialer inkluderer nukleart brændstof, der gennemgår nuklear fission under neutronbombardement, beklædningsmaterialer til nukleare brændstofkomponenter, kølemidler, neutronmoderatorer (moderatorer), kontrolstangmaterialer, der stærkt absorberer neutroner og reflekterende materialer, der forhindrer neutronlækage uden for reaktoren.

2 、 CO -tilknyttet forhold mellem sjældne jordressourcer og nukleare ressourcer

Monazit, også kaldet phosphocerit og phosphocerit, er et almindeligt tilbehørsmineral i mellemliggende syre, stødende sten og metamorfisk sten. Monazit er en af ​​de vigtigste mineraler af sjælden jordmetalmalm og eksisterer også i en eller anden sedimentær klippe. Brunlig rød, gul, undertiden brunlig gul, med en fedtet glans, komplet spaltning, Mohs hårdhed på 5-5,5 og en specifik tyngdekraft på 4,9-5,5.

Den vigtigste malmmineral af nogle placeringstype sjældne jordaflejringer i Kina er monazit, hovedsageligt beliggende i Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan og He County, Guangxi. Imidlertid har ekstraktionen af ​​placeringstype sjældne jordressourcer ofte ikke økonomisk betydning. Ensomme sten indeholder ofte refleksive thoriumelementer og er også den vigtigste kilde til kommercielt plutonium.

3 、 Oversigt over sjælden jordanvendelse i nuklear fusion og nuklear fission baseret på patentpanoramaanalyse

Efter at nøgleordene af sjældne jordsøgningselementer er fuldt ud udvidet, kombineres de med udvidelsestaster og klassificeringsnumre for nuklear fission og nuklear fusion og søges i inkopt -databasen. Søgningsdatoen er den 24. august 2020. 4837 patenter blev opnået efter enkel familiefusion, og 4673 patenter blev bestemt efter kunstig støjreduktion.

Sjældne jordpatentansøgninger inden for nuklear fission eller nuklear fusion distribueres i 56 lande/regioner, hovedsageligt koncentreret i Japan, Kina, USA, Tyskland og Rusland osv. Et betydeligt antal patenter anvendes i form af PCT, hvor kinesisk patentteknologi er steget, især siden 2009, ind i en hurtig vækstfase og Japan, og Russien er fortsat med at layout i dette layout i dette fel 1).

Figur 1 Anvendelsestrend for teknologipatenter relateret til sjælden jordanvendelse i nuklear nuklear fission og nuklear fusion i lande/regioner

Det kan ses fra analysen af ​​tekniske temaer, at anvendelsen af ​​sjælden jord i nuklear fusion og nuklear fission fokuserer på brændstofelementer, scintillatorer, strålingsdetektorer, actinider, plasma, atomreaktorer, afskærmningsmaterialer, neutronabsorption og andre tekniske retninger.

4 、 Specifikke applikationer og nøglepatentundersøgelser af sjældne jordelementer i nukleare materialer

Blandt dem er nuklear fusion og nukleare fissionsreaktioner i nukleare materialer intense, og kravene til materialer er strenge. På nuværende tidspunkt er effektreaktorer hovedsageligt nukleare fissionsreaktorer, og fusionsreaktorer kan populariseres i stor skala efter 50 år. Anvendelsen afSjælden jordelementer i reaktor strukturelle materialer; I specifikke nukleare kemiske felter bruges sjældne jordelementer hovedsageligt i kontrolstænger; Derudover,Scandiumer også blevet brugt i radiokemi og nuklear industri.

（1） som brændbar gift eller kontrolstang for at justere neutroniveau og kritisk tilstand af atomreaktor

I effektreaktorer er den indledende resterende reaktivitet af nye kerner generelt relativt høj. Især i de tidlige stadier af den første tankningscyklus, når alt nukleart brændstof i kernen er ny, er den resterende reaktivitet den højeste. På dette tidspunkt ville det at stole udelukkende på stigende kontrolstænger for at kompensere for resterende reaktivitet indføre flere kontrolstænger. Hver kontrolstang (eller stangbundt) svarer til introduktionen af ​​en kompleks køremekanisme. På den ene side øger dette omkostningerne, og på den anden side kan åbning af huller i trykbeholderen føre til et fald i strukturel styrke. Ikke kun er det uøkonomisk, men det er heller ikke tilladt at have en vis mængde porøsitet og strukturel styrke på trykbeholderen. Uden at øge kontrolstængerne er det imidlertid nødvendigt at øge koncentrationen af ​​kemiske kompenserende toksiner (såsom borsyre) for at kompensere for den resterende reaktivitet. I dette tilfælde er det let for borkoncentrationen at overskride tærsklen, og temperaturkoefficienten for moderatoren vil blive positiv.

For at undgå de førnævnte problemer kan en kombination af brændbare toksiner, kontrolstænger og kemisk kompensationskontrol generelt bruges til kontrol.

（2） som et dopingmiddel for at forbedre ydelsen af ​​reaktorstrukturelle materialer

Reaktorer kræver, at strukturelle komponenter og brændstofelementer har et vist niveau af styrke, korrosionsbestandighed og høj termisk stabilitet, samtidig med at fissionsprodukter indgår i kølevæsken.

1). Rare jordstål

Atomreaktoren har ekstreme fysiske og kemiske forhold, og hver komponent af reaktoren har også høje krav til det anvendte specielle stål. Sjældne jordelementer har specielle modifikationseffekter på stål, hovedsageligt inklusive oprensning, metamorfisme, mikroally og forbedring af korrosionsbestandighed. Sjælden jord, der indeholder stål, er også vidt brugt i atomreaktorer.

① Oprensningseffekt: Eksisterende forskning har vist, at sjældne jordarter har en god oprensningseffekt på smeltet stål ved høje temperaturer. Dette skyldes, at sjældne jordarter kan reagere med skadelige elementer såsom ilt og svovl i det smeltede stål for at generere høje temperaturforbindelser. Højtemperaturforbindelserne kan udfældes og udledes i form af indeslutninger, før det smeltede stål kondenseres, hvilket reducerer urenhedsindholdet i det smeltede stål.

② Metamorfisme: På den anden side kan oxider, sulfider eller oxysulfider genereret af reaktionen af ​​sjælden jord i det smeltede stål med skadelige elementer, såsom ilt og svovl, delvist bevares i det smeltede stål og blive indeslutninger af stål med højt smeltepunkt. Disse indeslutninger kan bruges som heterogene nucleationscentre under størkning af det smeltede stål, hvilket forbedrer stålets form og struktur.

③ Mikrolegering: Hvis tilsætningen af ​​sjælden jord øges yderligere, opløses den resterende sjældne jord i stålet, efter at ovennævnte oprensning og metamorfisme er afsluttet. Da den sjældne jords atomradius er større end jernatomet, har sjælden jord højere overfladeaktivitet. Under størkningsprocessen for smeltet stål beriges sjældne jordelementer ved korngrænsen, hvilket bedre kan reducere adskillelsen af ​​urenhedselementer ved korngrænsen, hvilket styrker den faste opløsning og spiller rollen som mikroalluering. På den anden side kan de på grund af hydrogenopbevaringsegenskaberne af sjældne jordarter absorbere brint i stål og derved effektivt forbedre brintudviklingsfænomenet stål.

④ Forbedring af korrosionsbestandighed: Tilsætning af sjældne jordelementer kan også forbedre stålkorrosionsmodstanden. Dette skyldes, at sjældne jordarter har et højere selvkorrosionspotentiale end rustfrit stål. Derfor kan tilsætning af sjældne jordarter øge selvkorrosionspotentialet for rustfrit stål og derved forbedre stabiliteten af ​​stål i ætsende medier.

2). Nøglepatentundersøgelse

Nøglepatent: Opfindelsespatent på et oxiddispersion styrket lavt aktiveringsstål og dets forberedelsesmetode af Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patent Abstract: forudsat er en oxiddispersion styrket lav aktiveringsstål, der er egnet til fusionsreaktorer, og dets forberedelsesmetode, der er karakteriseret i, at procentdelen af ​​legeringselementer i den samlede masse af det lave aktiveringsstål er: matrixen er Fe, 0,08% ≤ C ≤ 0,15%, 8,0% ≤ Cr ≤ 10,0%, 1,1% ≤ W ≤ 1,55%, 0,1% ≤ V 0,03%≤ Ta ≤ 0,2%, 0,1 ≤ Mn ≤ 0,6%og 0,05%≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Fremstillingsproces: Fe-CR-WV-TA-MN Mother Alloy Smelting, Powder Atomization, High-Energy Ball Milling of the Mother Alloy andY2O3 nanopartikelBlandet pulver, pulverlavning af ekstraktion, størkningstøbning, varm rulle og varmebehandling.

Sjælden jordtilsætningsmetode: Tilføj nanoskalaY2O3Partikler til den overordnede legerings atomiserede pulver til højenergi-kuglefræsning, hvor kuglen fræsemedium er φ 6 og φ 10 blandede hårde stålkugler, med en kuglefræset atmosfære på 99,99% argongas, et kuglemasseforhold på (8-10): 1, en kuglemalingstid på 40-70 timer og en drejelig hastighed på 350-500 R/Min.

3）. Bruges til at fremstille neutronstrålingsbeskyttelsesmaterialer

① Princippet om beskyttelse af neutronstråling

Neutroner er komponenter af atomkerner med en statisk masse på 1,675 × 10-27 kg, hvilket er 1838 gange den elektroniske masse. Dens radius er ca. 0,8 × 10-15 m, der ligner størrelse som en proton, svarende til γ-stråler, er lige så uladet. Når neutroner interagerer med stof, interagerer de hovedsageligt med de nukleare kræfter inde i kernen og interagerer ikke med elektronerne i den ydre skal.

Med den hurtige udvikling af nuklear energi og atomreaktorteknologi er der blevet mere og mere opmærksomhed på nuklear strålingssikkerhed og nuklear strålingsbeskyttelse. For at styrke strålingsbeskyttelse for operatører, der har været involveret i vedligeholdelse af strålingsudstyr og ulykkesredning i lang tid, er det af stor videnskabelig betydning og økonomisk værdi at udvikle lette afskærmning af kompositter til beskyttelsesbeklædning. Neutronstråling er den vigtigste del af atomreaktorstråling. Generelt er de fleste af neutronerne i direkte kontakt med mennesker blevet bremset til lavenergi-neutroner efter neutronskærmningseffekten af ​​de strukturelle materialer inde i atomreaktoren. Neutroner med lav energi kolliderer med kerner med lavere atomnummer elastisk og fortsætter med at blive modereret. De modererede termiske neutroner vil blive absorberet af elementer med større neutronabsorptionstværsnit, og til sidst opnås neutronafskærmning.

② Nøglepatentundersøgelse

De porøse og organiske-uorganiske hybridegenskaber afSjælden jordelementGadoliniumBaserede organiske metalskeletmaterialer øger deres kompatibilitet med polyethylen og fremmer de syntetiserede sammensatte materialer til at have højere gadoliniumindhold og gadoliniumdispersion. Det høje gadoliniumindhold og spredning vil direkte påvirke neutronafskærmningsydelsen af ​​de sammensatte materialer.

Nøglepatent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, opfindelsespatent på et gadoliniumbaseret organisk ramme sammensat afskærmningsmateriale og dets forberedelsesmetode

Patent Abstract: Gadoliniumbaseret metal organisk skeletkompositbeskyttelsesmateriale er et sammensat materiale dannet ved blandingGadoliniumBaseret organisk skeletmateriale med metal med polyethylen i et vægtforhold på 2: 1: 10 og danner det gennem opløsningsmiddelfordampning eller varmpresning. Gadoliniumbaseret metal organisk skeletkompositbeskyttelsesmaterialer har høj termisk stabilitet og termisk neutronafskærmningsevne.

Fremstillingsproces: Valg af forskelligeGadolinium metalSalt og organiske ligander til at fremstille og syntetisere forskellige typer gadoliniumbaseret metal organiske skeletmaterialer, vaske dem med små molekyler af methanol, ethanol eller vand ved centrifugering og aktivere dem ved højtemperatur under vakuumbetingelser for fuldt fjernelse af det resterende urealerede råmaterialer i porerne i det Gadoliniumbaserede metal -organiske skeletonmateriale; Det gadoliniumbaserede organometalliske skeletmateriale fremstillet i trin omrøres med polyethylenlotion i en høj hastighed, eller ultralyd, eller den gadoliniumbaserede organometalliske skeletmateriale fremstillet i trin er smeltet blandet med ultrahøjt molekylær vægt polyethylen ved høj temperatur, indtil fuldt blandet; Placer den ensartede blandede gadoliniumbaserede metal organisk skeletmateriale/polyethylenblanding i formen, og opnå det dannede gadoliniumbaserede metal organiske skeletkompositbeskyttelsesmateriale ved tørring for at fremme opløsningsmiddelfordampning eller varmt presserende; Det forberedte gadoliniumbaserede metal organiske skeletkompositskærmningsmateriale har forbedret varmemodstand, mekaniske egenskaber og overlegen termisk neutronafskærmningsevne signifikant sammenlignet med rene polyethylenmaterialer.

Sjælden jordtilsætningstilstand: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 eller GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 porøs krystallinsk koordinationspolymer indeholdende gadolinium, som opnås ved koordinationspolymerisering afGD (NO3) 3 • 6H2O eller GDCL3 • 6H2Oog organisk carboxylatligand; Størrelsen på gadoliniumbaseret metal organisk skeletmateriale er 50NM-2 μ m ； gadoliniumbaseret metal organiske skeletmaterialer har forskellige morfologier, herunder granulære, stangformede eller nålformede former.

（4） Anvendelse afScandiuminden for radiokemi og nuklear industri

Scandium Metal har god termisk stabilitet og stærk fluorabsorptionsydelse, hvilket gør det til et uundværligt materiale i atomenergibranchen.

Nøglepatent: Kina Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, opfindelsespatent til et aluminiums zink magnesiumskandiumlegering og dets forberedelsesmetode

Patent Abstract: Et aluminiumszinkMagnesiumskandiumlegeringog dens forberedelsesmetode. Den kemiske sammensætning og vægtprocent af aluminiums zinkmagnesiumskandiumlegering er: Mg 1,0%-2,4%, Zn 3,5%-5,5%, SC 0,04%-0,50%, Zr 0,04%-0,35%, uro Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%-0,35%, enkeltheder 0,05%, på en del 0,15%, og det resterende beløb er al. Mikrostrukturen af ​​dette aluminiums zinkmagnesiumskandiumlegeringsmateriale er ensartet, og dets ydeevne er stabil med en ultimativ trækstyrke på over 400MPa, en udbyttestyrke på over 350MPa og en trækstyrke på over 370MPa for svejste samlinger. De materielle produkter kan bruges som strukturelle elementer inden for rumfart, nuklear industri, transport, sportsvarer, våben og andre felter.

Fremstillingsproces: Trin 1, ingrediens i henhold til den ovennævnte legeringssammensætning; Trin 2: Smelt i smelteovnen ved en temperatur på 700 ℃ ~ 780 ℃; Trin 3: Forfiner den fuldstændigt smeltede metalvæske, og hold metaltemperaturen inden for området 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​under raffinering; Trin 4: Efter raffinering skal det være fuldt ud tilladt at stå stille; Trin 5: Efter fuldt ud stående, skal du starte støbning, vedligeholde ovnstemperaturen inden for området 690 ℃ ~ 730 ℃, og støbehastigheden er 15-200 mm/minut; Trin 6: Udfør homogeniseringsglødningsbehandling på legeringen i opvarmningsovnen med en homogeniseringstemperatur på 400 ℃ ~ 470 ℃; Trin 7: Skræl den homogeniserede ingot og udfør varm ekstrudering for at producere profiler med en vægtykkelse på over 2,0 mm. Under ekstruderingsprocessen skal billeten opretholdes ved en temperatur på 350 ℃ til 410 ℃; Trin 8: Press profilen til løsning af løsning af løsning med en opløsningstemperatur på 460-480 ℃; Trin 9: Efter 72 timers fast opløsning, der slukkes, skal du tvinge aldring manuelt. Det manuelle kraft aldringssystem er: 90 ~ 110 ℃/24 timer+170 ~ 180 ℃/5 timer eller 90 ~ 110 ℃/24 timer+145 ~ 155 ℃/10 timer.

5 、 Forskningsoversigt

I det store og hele er sjældne jordarter i vid udstrækning anvendt i nuklear fusion og nuklear fission og har mange patentlayouts i så tekniske retninger som røntgenstråle-excitation, plasmadannelse, lysvandreaktor, transuranium, uranyl og oxidpulver. Hvad angår reaktormaterialer, kan sjældne jordarter bruges som reaktorstrukturelle materialer og relaterede keramiske isoleringsmaterialer, kontrolmaterialer og neutronstrålingsbeskyttelsesmaterialer.