Anvendelse af sjældne jordarter i nukleare materialer

1. Definition af nukleare materialer

I bred forstand er nukleart materiale den generelle betegnelse for materialer, der udelukkende anvendes i nuklearindustrien og videnskabelig nuklear forskning, herunder nukleart brændsel og nukleare tekniske materialer, dvs. ikke-nukleare brændselsmaterialer.

De almindeligvis omtalte nukleare materialer refererer hovedsageligt til materialer, der anvendes i forskellige dele af reaktoren, også kendt som reaktormaterialer. Reaktormaterialer omfatter nukleart brændsel, der undergår nuklear fission under neutronbombardement, beklædningsmaterialer til nukleare brændselskomponenter, kølemidler, neutronmoderatorer, kontrolstangsmaterialer, der absorberer neutroner kraftigt, og reflekterende materialer, der forhindrer neutronlækage uden for reaktoren.

2. Forholdet mellem sjældne jordarters ressourcer og nukleare ressourcer

Monazit, også kaldet fosfocerit og fosfocerit, er et almindeligt tilbehørsmineral i intermediære sure magmatiske bjergarter og metamorfe bjergarter. Monazit er et af de vigtigste mineraler i sjældne jordarters malm og findes også i nogle sedimentære bjergarter. Brunlig rød, gul, undertiden brunlig gul, med en fedtet glans, fuldstændig spaltning, Mohs-hårdhed på 5-5,5 og en specifik tyngdekraft på 4,9-5,5.

Det vigtigste malmmineral i nogle sjældne jordarter af placer-typen i Kina er monazit, hovedsageligt placeret i Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan og He County, Guangxi. Udvinding af sjældne jordarter af placer-typen har dog ofte ikke økonomisk betydning. Solitære sten indeholder ofte refleksive thoriumelementer og er også den vigtigste kilde til kommercielt plutonium.

3. Oversigt over anvendelsen af ​​sjældne jordarter i nuklear fusion og nuklear fission baseret på patenteret panoramisk analyse.

Efter at nøgleordene for søgeelementer i sjældne jordarter er fuldt udvidet, kombineres de med udvidelsesnøglerne og klassifikationsnumrene for nuklear fission og nuklear fusion, og der søges i Incopt-databasen. Søgedatoen er 24. august 2020. 4837 patenter blev opnået efter simpel familiefusion, og 4673 patenter blev bestemt efter kunstig støjreduktion.

Patentansøgninger for sjældne jordarter inden for nuklear fission eller nuklear fusion er fordelt i 56 lande/regioner, hovedsageligt koncentreret i Japan, Kina, USA, Tyskland og Rusland osv. Et betydeligt antal patenter er ansøgt i form af PCT, hvoraf antallet af kinesiske patentansøgninger inden for patentteknologi er steget, især siden 2009, hvor de er gået ind i en hurtig vækstfase, og Japan, USA og Rusland har fortsat med at udvikle sig inden for dette område i mange år (figur 1).

Figur 1 Anvendelsestendens for teknologipatenter relateret til anvendelse af sjældne jordarter i nuklear fission og nuklear fusion i lande/regioner

Det fremgår af analysen af ​​tekniske temaer, at anvendelsen af ​​sjældne jordarter i nuklear fusion og nuklear fission fokuserer på brændselselementer, scintillatorer, strålingsdetektorer, aktinider, plasmaer, atomreaktorer, afskærmningsmaterialer, neutronabsorption og andre tekniske retninger.

4. Specifikke anvendelser og vigtig patentforskning af sjældne jordarter i nukleare materialer

Blandt dem er nuklear fusion og nuklear fission i nukleare materialer intense, og kravene til materialerne er strenge. I øjeblikket er kraftreaktorer primært nukleare fissionsreaktorer, og fusionsreaktorer kan blive populære i stor skala efter 50 år. Anvendelsen afsjældne jordarterelementer i reaktorstrukturmaterialer; Inden for specifikke nukleare kemiske områder anvendes sjældne jordarter hovedsageligt i kontrolstænger; Derudoverscandiumhar også været anvendt i radiokemi og nuklear industri.

(1) Som brændbar gift eller kontrolstang til at justere neutronniveau og kritisk tilstand af atomreaktor

I kraftreaktorer er den indledende restreaktivitet i nye kerner generelt relativt høj. Især i de tidlige stadier af den første optankningscyklus, når alt nukleart brændsel i kernen er nyt, er den resterende reaktivitet højest. På dette tidspunkt ville det at udelukkende stole på at øge antallet af kontrolstave for at kompensere for restreaktivitet introducere flere kontrolstave. Hver kontrolstang (eller stangbundt) svarer til introduktionen af ​​en kompleks drivmekanisme. På den ene side øger dette omkostningerne, og på den anden side kan åbning af huller i trykbeholderens top føre til et fald i strukturstyrken. Det er ikke kun uøkonomisk, men det er heller ikke tilladt at have en vis mængde porøsitet og strukturstyrke på trykbeholderens top. Uden at øge antallet af kontrolstave er det dog 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 overstige tærsklen, og moderatorens temperaturkoefficient vil blive positiv.

For at undgå de førnævnte problemer kan en kombination af brændbare toksiner, kontrolstave og kemisk kompensationsbekæmpelse generelt anvendes til bekæmpelse.

(2) Som et dopant til at forbedre ydeevnen af ​​reaktorstrukturmaterialer

Reaktorer kræver, at strukturelle komponenter og brændselselementer har en vis grad af styrke, korrosionsbestandighed og høj termisk stabilitet, samtidig med at de forhindrer fissionsprodukter i at trænge ind i kølemidlet.

1) Sjælden jordartsstål

Atomreaktorer har ekstreme fysiske og kemiske forhold, og hver komponent i reaktoren stiller også høje krav til det anvendte specialstål. Sjældne jordarter har særlige modifikationseffekter på stål, primært herunder rensning, metamorfose, mikrolegering og forbedring af korrosionsbestandighed. Stål indeholdende sjældne jordarter anvendes også i vid udstrækning i atomreaktorer.

① Rensningseffekt: Eksisterende forskning har vist, at sjældne jordarter har en god rensningseffekt på smeltet stål ved høje temperaturer. Dette skyldes, at sjældne jordarter kan reagere med skadelige elementer som ilt og svovl i det smeltede stål og danne højtemperaturforbindelser. Højtemperaturforbindelserne kan udfældes og udledes i form af indeslutninger, før det smeltede stål kondenserer, hvorved urenhedsindholdet i det smeltede stål reduceres.

② Metamorfose: På den anden side kan oxider, sulfider eller oxysulfider, der dannes ved reaktionen mellem sjældne jordarter i det smeltede stål og skadelige elementer som ilt og svovl, delvist tilbageholdes i det smeltede stål og blive til indeslutninger i stål med højt smeltepunkt. Disse indeslutninger kan bruges som heterogene kimdannelsescentre under størkningen af ​​det smeltede stål, hvilket forbedrer stålets form og struktur.

③ Mikrolegering: Hvis tilsætningen af ​​sjældne jordarter øges yderligere, vil de resterende sjældne jordarter blive opløst i stålet efter ovenstående rensning og metamorfose er fuldført. Da atomradiusen af ​​sjældne jordarter er større end jernatomets, har sjældne jordarter højere overfladeaktivitet. Under størkningsprocessen af ​​smeltet stål beriges sjældne jordarter ved korngrænsen, hvilket bedre kan reducere segregeringen af ​​urenheder ved korngrænsen, hvorved den faste opløsning styrkes og spiller en rolle som mikrolegering. På den anden side kan sjældne jordarter på grund af deres hydrogenlagringsegenskaber absorbere hydrogen i stål og derved effektivt forbedre stålets hydrogenskørhedsfænomen.

④ Forbedring af korrosionsbestandighed: Tilsætning af sjældne jordarter kan også forbedre stålets korrosionsbestandighed. Dette skyldes, at sjældne jordarter har et højere selvkorrosionspotentiale end rustfrit stål. Derfor kan tilsætning af sjældne jordarter øge rustfrit ståls selvkorrosionspotentiale og derved forbedre stålets stabilitet i korrosive medier.

2). Nøglepatentundersøgelse

Nøglepatent: opfindelsespatent for et oxiddispersionsforstærket lavaktiveringsstål og dets fremstillingsmetode fra Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patentabstrakt: Der beskrives et oxiddispersionsforstærket lavaktiveringsstål, der er egnet til fusionsreaktorer, og dets fremstillingsmetode, kendetegnet ved, at procentdelen af ​​legeringselementer i den samlede masse af lavaktiveringsstålet er: matrixen er 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% og 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Fremstillingsproces: Fe-Cr-WV-Ta-Mn-moderlegering, pulverforstøvning, højenergi-kugleformaling af moderlegeringen ogY2O3 nanopartikelblandet pulver, pulveromsluttende ekstraktion, størkningsstøbning, varmvalsning og varmebehandling.

Metode til tilsætning af sjældne jordarter: Tilføj nanoskalaY2O3partikler til det forstøvede pulver fra udgangslegeringen til højenergikugleformaling, hvor kugleformalingsmediet er Φ 6 og Φ 10 blandede hårde stålkugler, med en kugleformalingsatmosfære af 99,99% argongas, et masseforhold for kuglematerialet på (8-10): 1, en kugleformalingstid på 40-70 timer og en rotationshastighed på 350-500 o/min.

3). Bruges til fremstilling af materialer til beskyttelse mod neutronstråling

① Princippet for neutronstrålingsbeskyttelse

Neutroner er komponenter i atomkerner med en statisk masse på 1,675 × 10⁻⁶ kg, hvilket er 1838 gange elektronmassen. Dens radius er cirka 0,8 × 10⁻⁶ m, svarende til en protons størrelse, og γ-stråler er ligeledes uladede. Når neutroner vekselvirker med stof, vekselvirker de primært med kernekræfterne inde i kernen og ikke med elektronerne i den ydre skal.

Med den hurtige udvikling af atomenergi og atomreaktorteknologi er der blevet lagt mere og mere vægt på sikkerhed i forbindelse med nuklear stråling og nuklear strålingsbeskyttelse. For at styrke strålingsbeskyttelsen for operatører, der har været involveret i vedligeholdelse af strålingsudstyr og redning efter ulykker i lang tid, er det af stor videnskabelig betydning og økonomisk værdi at udvikle letvægtsafskærmningskompositter til beskyttelsesbeklædning. Neutronstråling er den vigtigste del af atomreaktorstråling. Generelt er de fleste neutroner i direkte kontakt med mennesker blevet bremset ned til lavenergineutroner efter neutronafskærmningseffekten af ​​de strukturelle materialer inde i atomreaktoren. Lavenergineutroner vil kollidere elastisk med kerner med lavere atomnummer og fortsætte med at blive modereret. De modererede termiske neutroner vil blive absorberet af elementer med større neutronabsorptionstværsnit, og endelig vil neutronafskærmning blive opnået.

② Nøglepatentundersøgelse

De porøse og organisk-uorganiske hybridegenskaber afsjældent jordelementgadoliniumMetalbaserede organiske skeletmaterialer øger deres kompatibilitet med polyethylen, hvilket fremmer syntetiserede kompositmaterialers højere gadoliniumindhold og gadoliniumdispersion. Det høje gadoliniumindhold og -dispersion vil direkte påvirke kompositmaterialernes neutronafskærmningsevne.

Nøglepatent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, opfindelsespatent for et gadoliniumbaseret organisk rammekompositafskærmningsmateriale og dets fremstillingsmetode

Patentabstrakt: Gadoliniumbaseret metalorganisk skeletkompositafskærmningsmateriale er et kompositmateriale dannet ved blandinggadoliniumGadoliniumbaseret metalorganisk skeletmateriale med polyethylen i et vægtforhold på 2:1:10 og dannelse heraf ved opløsningsmiddelfordampning eller varmpresning. Gadoliniumbaserede metalorganiske skeletkompositafskærmningsmaterialer har høj termisk stabilitet og termisk neutronafskærmningsevne.

Fremstillingsproces: valg af forskelligegadoliniummetalsalte og organiske ligander til at fremstille og syntetisere forskellige typer gadoliniumbaserede metalorganiske skeletmaterialer, vaske dem med små molekyler af methanol, ethanol eller vand ved centrifugering og aktivere dem ved høj temperatur under vakuumforhold for fuldstændigt at fjerne de resterende ureagerede råmaterialer i porerne i de gadoliniumbaserede metalorganiske skeletmaterialer; Det gadoliniumbaserede organometalliske skeletmateriale, der fremstilles i trin, omrøres med polyethylenlotion ved høj hastighed eller ultralyd, eller det gadoliniumbaserede organometalliske skeletmateriale, der fremstilles i trin, smelteblandes med polyethylen med ultrahøj molekylvægt ved høj temperatur, indtil det er fuldstændig blandet; Placer den ensartet blandede gadoliniumbaserede metalorganiske skeletmateriale/polyethylenblanding i formen, og opnå det dannede gadoliniumbaserede metalorganiske skeletkompositafskærmningsmateriale ved tørring for at fremme opløsningsmiddelfordampning eller varmpresning; Det fremstillede gadoliniumbaserede metalorganiske skeletkompositafskærmningsmateriale har betydeligt forbedret varmebestandighed, mekaniske egenskaber og overlegen termisk neutronafskærmningsevne sammenlignet med rene polyethylenmaterialer.

Additionsmetode for sjældne jordarter: Gd2 (BHC)(H2O)6, Gd (BTC)(H2O)4 eller Gd (BDC)1,5 (H2O)2 porøs krystallinsk koordinationspolymer indeholdende gadolinium, som opnås ved koordinationspolymerisation afGd(NO3)3 • 6H2O eller GdCl3 • 6H2Oog organisk carboxylatligand; Størrelsen af ​​gadoliniumbaseret metalorganisk skeletmateriale er 50 nm-2 μm; gadoliniumbaserede metalorganiske skeletmaterialer har forskellige morfologier, herunder granulære, stavformede eller nåleformede former.

(4) Anvendelse afScandiuminden for radiokemi og nuklear industri

Scandiummetal har god termisk stabilitet og stærk fluorabsorptionsevne, hvilket gør det til et uundværligt materiale i atomenergiindustrien.

Nøglepatent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, opfindelsespatent for en aluminiumzinkmagnesiumscandiumlegering og dens fremstillingsmetode

Patentabstrakt: En aluminiumzinkmagnesium scandium legeringog dens fremstillingsmetode. Den kemiske sammensætning og vægtprocenten af ​​aluminium-zink-magnesium-scandiumlegeringen er: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, urenheder Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, andre urenheder enkeltvis ≤ 0,05%, andre urenheder i alt ≤ 0,15%, og den resterende mængde er Al. Mikrostrukturen af ​​dette aluminium-zink-magnesium-scandiumlegeringsmateriale er ensartet, og dets ydeevne er stabil, med en ultimativ trækstyrke på over 400 MPa, en flydespænding på over 350 MPa og en trækstyrke på over 370 MPa til svejsede samlinger. Materialeprodukterne kan bruges som strukturelle elementer inden for luftfart, atomkraft, transport, sportsudstyr, våben og andre områder.

Fremstillingsproces: Trin 1, ingredienser i henhold til ovenstående legeringssammensætning; Trin 2: Smeltning i smelteovnen ved en temperatur på 700 ℃ ~ 780 ℃; Trin 3: Raffinering af den fuldstændigt smeltede metalvæske, og hold metaltemperaturen inden for området 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​under raffinering; Trin 4: Efter raffinering skal det stå helt stille; Trin 5: Efter fuldstændig støbning startes, ovntemperaturen holdes inden for området 690 ℃ ~ 730 ℃, og støbehastigheden er 15-200 mm/minut; Trin 6: Udfør homogeniseringsglødning på legeringsbarren i varmeovnen med en homogeniseringstemperatur på 400 ℃ ~ 470 ℃; Trin 7: Skræl den homogeniserede barre og udfør varmeekstrudering for at producere profiler med en vægtykkelse på over 2,0 mm. Under ekstruderingsprocessen skal barren holdes ved en temperatur på 350 ℃ til 410 ℃; Trin 8: Klem profilen sammen for at opnå en opløsningshærdningsbehandling med en opløsningstemperatur på 460-480 ℃. Trin 9: Efter 72 timers hærdning i den faste opløsning, forceres ældningen manuelt. Systemet med manuel ældning er: 90~110 ℃/24 timer + 170~180 ℃/5 timer eller 90~110 ℃/24 timer + 145~155 ℃/10 timer.

5. Forskningsresumé

Generelt set anvendes sjældne jordarter i vid udstrækning i nuklear fusion og nuklear fission og har mange patenter inden for tekniske områder som røntgenekscitering, plasmadannelse, letvandsreaktorer, transuraner, uranyl og oxidpulver. Hvad angår reaktormaterialer, kan sjældne jordarter anvendes som reaktorstrukturmaterialer og relaterede keramiske isoleringsmaterialer, kontrolmaterialer og materialer til beskyttelse mod neutronstråling.